2024年2月8日发(作者：摩歌韵)
三维打印浮雕灯罩的设计与制作
文杰
摘要：为了符合当代年轻人对灯罩装饰品个性化的审美需求，我采用使用三维打印机打印的方式来制作灯罩。从图片选取到图片的后期修剪处理再到后面的切片处理打印机打印，逐步讲解了每个步骤的详细处理过程。最终制作出了符合个性化要求的灯罩，能选用自己想要的图片，所需的形状和尺寸，能按自己之所想来制作出理想灯罩。
关键词：3d打印、浮雕、装饰
1 绪论
1.1 课题背景及意义
1.1.1 课题背景
3D打印是基于传统制造业的升级背景为前提，是产业升级3.0的内容之一。3D打印概念起源于美国，旨在通过对传统制造业的工艺进行改良，从80年代概念的提出至今，将近40年的发展，3D打印机目前还无法有效替代传统加工制造业的生产模式，但在概念模型初期阶段非常有优势，工业制造靠的是设备，工人，流水线大规模生产，而3D打印机作为新型设备，材料特殊性使得其更利于做产品原型开发，而非真正意义上的大规模生产。目前市场上各源头厂家不断研发新技术，新材料，旨在让3D打印机进入到各个工业领域中，如：汽车，军工，航空航天，教育，医疗，影视等等。采用光敏树脂材料打印的3D手办模型（图1.1）或是由喷蜡打印出的首饰饰品（图1.2）在市场上也是大受欢迎。在未来，3D打印研究的方向应更多以不同技术、不同材料下在各个垂直领域不断与传统生产方式进行“磨合”，起到设计与生产之间承上启下的作用。一旦未来3D打印机大规模商业化普及，将真正推动工业的升级。
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图1.1 3D打印手办 图1.2 3D打印发卡
浮雕是在平面上雕刻出凹凸起伏形状的一种雕塑，它是介于平面绘画与三维浮雕之间的一种艺术表现形式，能很好地保持三维物体基于某个观测角度的外形轮廓和视觉效果，因此也越来越受到大众的喜爱。国内外对浮雕进行了大量的研究，在这些研究中，有的是从三维模型出发，其基本方法是对三维几何模型在某给定视觉方向的深度值进行压缩来获得浮雕。透光浮雕是雕塑的一种形式，通过可见光的照射，展现出丰富多样的画面，具有极强的艺术表现力，利用3D打印技术，我们可以将普通的照片变成透光的浮雕，使你的照片可以立体呈现。3D打印浮雕照片具有极高的保真度，透过光，照片浮雕上的图案清晰可见，甚至还增添了微妙的维度和细腻的纹理。3D打印透光浮雕其独特的通透美感深受人们的喜欢。
而灯罩在我们的家居生活中更具有特殊的地位，不论是终日忙于应付的富商名士，仍是奔走忙碌的工薪一族，晚上在家的时刻总比白日多。任何一种物质享受结尾总要上升到精力层面，灯具也不破例。一个适合的灯罩能在起床的清晨入眠的夜晚带给人们极致的享受。使用三维打印技术将灯罩与之结合，既能发挥出3D打印的诸多优势，又能根据每人自身的需求定制出符合个人爱好或是迎合家装的灯罩。
三维打印技术与浮雕灯罩的结合相信一定能迸出灿烂的火花。
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1.1.2 课题意义
当代年轻人都有着属于个人的兴趣爱好，也热衷于在生活中展示自己的个性。而灯罩作为家中必须的装饰品正是舒展个性的大好舞台。而我以研究如何使用三维打印的方法将图片通过浮雕的方式刻画在灯罩上，作为日常的装饰品为本次课题的主要目的。其意义在于创造出一种符合当代年轻人个性，自我创作性强的灯罩用于日常装饰，以满足大众对个性化灯罩的市场需求。
1.2 技术现状和发展前景
1.2.1 3D打印的技术现状
目前，3D打印技术主要应用于模具制造、人像打印，以及珠宝制作等领域，3D打印在很大程度上提升了制作的效率。在生物工程与医学、建筑等领域，由于3D打印的引入，也为创新开拓了广阔的空间。3D打印技术早就已经出现，但由于价格昂贵，技术不成熟，早期并没有得到推广。经过发展，该技术已更加娴熟、精准，且价格有所降低近年来，3D打印技术持续发展，制作周期缩短，材料循环利用，成本大幅度降低，发展势不可挡，已经成为社会广泛关注、民用市场迅速崛起的新领域。
1.2.2 3D打印的发展前景
随着3D打印市场份额的迅速扩大，与3D打印相关行业的大学生创业者的数量也在呈现爆炸式的增长，3D打印模型服务、个性化礼品定制等创业项目百花齐放。拥有一台或多台精度不同的打印机将适合满足多种不同的顾客人群，创业者可以根据顾客提供的三维模型及要求打印产品，以个人兴趣生产更多有趣的产品进行销售，根据顾客的需求个性化定制生产专属产品。3D打印机用于生产最大优点既是生产效率高，单件生产价格远远低于一般生产，大学生创业者应充分利用这一优点，从单件生产价格低廉为入口切入市场，从价格和质量上打入市场。
当然使用3d打印技术来打印浮雕灯罩还是存在一些不足之处。例如3d打印所使用的的材料一般都不耐高温，而白炽灯伴有高温会严重的影响灯罩的使用寿命，我打算在进行制作时可以从灯泡的瓦率上做出改变，达到减少灯罩内部温度的效 3
果，也可在灯罩内部上层耐高温的漆，既可降温也可以改变灯罩发光的颜色，让灯罩有更多的可选择性。作为创业商品也更能吸引顾客注意。
2 市场需求分析
2.1 功能性需求分析
灯罩的主要有聚光，防止触电以及装饰美化作用。上述功能常用的灯罩材料都能做到，而采用3D打印技术打印出的物体根据所选用的材料不同耐用程度也有所差异。打印最常用的PLA材料它的耐热程度达到了220℃早已超过了普通塑料灯罩的110℃的耐热，而且PLA材质的坚固程度也超过了塑料，再加之它还有良好的光泽和透明度，良好的抗拉强度和延展性。可以说，用PLA材质做灯罩完全满足功能性需求。
2.2 非功能性需求分析
在当下消费者对灯罩的需求不仅仅停留在了使用阶段，更多的是在追求美观实用及个性方面。目前市面上的灯罩大都是单独的植物、动物，稍微复杂点的有山水字画、风景人文。而且关键在于只能选择无法创作，这与当下青年崇尚的潮流多元的追求相差甚远，而3D打印浮雕灯罩恰好满足他们的需求：可以自己定制图案，你可以使用自己喜欢的明星照片，自己钟爱的文学影视作品名言，只要是你能找的图片都能成为你灯罩上的图案。再加之现在3D打印技术的成熟，所需要的成本价格相对较低，也能符合年轻消费者的消费水平。如果能加上可拆卸的结构设计，还可加强客户重复购买的消费能力。
2.3 综合需求分析
3d打印浮雕灯罩主要是为了能让大众能够根据自己的爱好兴趣定制出符合自己要求的灯罩装饰品，若以商品标准衡量，在进行制作时应该考虑以下两个综合需求：
（1）产品质量：公开售卖时，顾客肯定会与正常生产的灯罩作为比对对象，以此来衡量我们商品的价值，与一般的pvc材质相比我们拥有足够的优势，不管
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是在耐热性还是材质牢固性都是pla材质更佳；而相比于布料，皮革等材质，我们又有成本价低，图案丰富的优势；还有少见的金属材质，我们则具有产品轻便，便于打扫的特点。所以只要按照步骤生产，注意后期的细节修整，在产品质量上完全可以让顾客放心。
（2）购买人群：此次产品主要针对的是年轻购买人群，要能够突出个性，让顾客有更多的选择，不只是在图案选择上的多样化，在形状上也可突破传统灯罩的限制方体、球体、不规则体都可以作为选择的对象。这也可以发挥3d打印的优势，呈现顾客之所想满足顾客之所需。
3 软硬件分析
3.1 软件与硬件的需求
3.1.1 软件需求
与本次制作相关的软件有：
图片拼接处理：Photoshop/光影魔术手
图片浮雕化：Flashprint
切片软件：simplify3D/Cura
3.1.2 硬件需求
与本次制作相关的硬件有：
打印材料：PLA塑料
打印设备：3D打印机
3.2技术应用
3.2.1 图片拼接
使用Photoshop或者光影魔术手对图片进行拼接。Photoshop和光影魔术手都是常用的图片处理软件，在进行图片处理时，主要是对所选择的图片进行大小裁剪并选出合适的张数方便拼接，保证最终的结果美观不突兀。两款软件都可以 5
做到上述效果，PS的优势在于在对图片进行裁剪拼接时，可以有更多的工具选择，让图片连接处的效果更平滑，但相对的需要一定软件使用基础。而光影魔术手也可以做到类似的效果，且操作简单易上手。
3.2.2 图片浮雕化
针对浮雕模型的打印， 现有的打印方法并未对其做特殊处理， 打印流程也没有任何的区别。 均是将全局细分后的模型直接输入Cura， Slice3r 等切片软件中进行切片计算， 根据生成打印路径将其数据转换为G 代码传给打印机完成打印。为了保证浮雕的打印质量， 为让打印出的模型保持更丰富的表面细节特征， 就需要对输入模型进行足够的细分， 但会导致切片软件在对模型进行切片计算时占据内存过多， 如果输入浮雕模型足够精细， 很容易出现切片失败的情况。 使用一张图片储存网格高度信息的凹凸贴图来表示粗网格形成的浮雕模型， 可以在视觉上获得和由粗网格进行全局细分后形成的浮雕模型同样的效果。我使用到的工具是FlashPrin。FlashPrint是闪铸科技专为旗下Dreamer系列开发的3D切片软件，支持手动添加删除支撑、内外径补偿、2d转3d以及智能模型分割等功能，拥有很好的稳定性和易用性。其中的图片浮雕化功能操作简便易上手，使用时对关键参数进行修改即可。所以制作时采用其进行浮雕化，极大的节省了工作时间。
3.2.3 切片处理
切片处理是指在将要打印的模型转化为打印机使用的.gcode格式的过程。而在转化过程中要用到的软件是Cura。Cura也是常用的3D切片软件，在进行转化的过程中还要设置好相应的打印参数，修改好模型的最终尺寸，并根据所选材料的不同，打印时打印机喷头的温度，热床温度以及打印速度都有所不同。全部设置完成后保存导出为.gcode格式文件为后续打印做好准备。如果Cura与所使用的的打印机不匹配，采用相应的切片软件导出亦可。
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3.2.4 实机打印
本次打印我选用的3D打印机为极光尔沃旗下的A5S，其采用单喷头设计，喷嘴直径0.4mm，喷头工作时的温度高达180-240℃，打印时得小心误触烫伤。其所使用的是熔融堆积原理来进行打印，打印厚度为0.05-0.3mm，打印速度10m/s-150m/s，为保证打印质量一般都不采取高速。机身大小540×480×540mm，可打印作品尺寸最大为305×305×320mm。通过SD卡导入素材进行打印，还有辅助调平系统，支持断电续打、断料检测等多种使用功能。在进行打印时，选择转换成功的.gcode格式文件导入打印机进行打印。设置完成后开始打印，在打印结束后取下打印成果是应小心处理，可以采用美工铲慢慢取下。取出后对模型粗糙的部分进行抛光打磨，细节处进行修剪处理即可。
4 3D打印浮雕灯罩设计流程
4.1设计流程汇总
4.1.1 制作流程简介
如图4.1所示，三维打印浮雕灯罩主要分为图片选择处理、图片浮雕化、图片切片处理、使用打印机打印四个基本步骤。
打印浮雕灯罩 3D
图片选择及处理
选择图片 对图片进行拼接以及边框化处理
图片浮雕化
用flashprint打开图片
用Cura打开stl文件
选择浮雕化并设置成圆筒状
导出成.stl格式
图片切片处理
设置参数并导出成.gcode格式
使用打印机打印
将文件导入打印机
图4.1 制作流程汇总
调平后打印 细节调整
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4.1.2 图片的选择及处理
关于照片图片的处理。首先对图片进行甄选，选择4张以上有人物的，人物衣服、背景跟肤色最好有一定色差，易分辨的图片，4张以上是为有备选，图片四周靠边框部分最好颜色差异不大的，有利于拼接时的效果。选出适当张数的图片再使用光影魔术手对选出的图片进行拼接，如果图片是宽屏图就减少相应的张数，保证图片拼接的长宽比为8:11，这样可以使拼接出的圆筒浮雕符合审美。若是想要打造以人物角色为主的矩形灯罩，亦是建议更改图片的长宽比，使用PS可以精准的修改长宽比例，让最终比例保持在1：0.618的黄金比例上，是一个不错的选择。敲定好图片和形状后便要对其进行拼接，拼接的时候选择一定的外框宽度，保证图片的质量。之后使用PS软件对图片拼接处的边框进行处理，用矩形选择工具把每个照片之间的接缝各选一点，让其过度显得更加自然。之后保存图片进行下一步操作。
4.1.3 图片的浮雕化处理
对刚才拼接好的图片进行浮雕化处理，它的关键在于将拼接好的图片转化为三维模型并采用浮雕处理的方式让图片中的人物景色分明，这也正是让平面图片能立体展示在灯罩上的关键步骤。这里使用flashprint软件打开拼接保存好的图片，使用生成浮雕功能，然后选择相应要打印的形状，并设置好相应的数据：浮雕效果以浅色为主还是深色为主；模型的薄厚；浮雕效果的深浅都可调节。在确定效果后，上下的两条黑边正好是圆筒灯罩的上下两个边框。完成后进行保存，保存格式选择.stl，这样方便之后的切片处理。让图片中的纹理凸起明确显示后导出成.stl格式保存。
4.1.4 图片的切片处理
在对图片进行切片处理时，需要使用到Cura软件。打开Cura导入刚才的浮雕化处理好的.stl格式文件进行切片。切片设置时根据所使用的打印机以及选用打印材料对打印时打印机喷头的温度，热床温度，打印速度，打印时模型的精细程度，薄厚程度等进行相应的设置调整。例如常用的PLA材料一般温度设置在190℃-210℃，而ABS材料的温度在230℃-245℃不等，根据打印机的不同，环
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境温度的不同都会有所变化。可在打印前进行反复调试选择出合适的打印设置再开始正式的打印。在Cura中还可以对打出作品的高宽、比例进行最后的设置，通过查看模拟打印过程也可以预料到打印过程中可能发生的问题，例如打印不规则灯罩时中途有可能会发生折断风险或是需要加上支撑等等，相应的问题都可以通过调整相应参数予以解决。在设置完成后选择模型转化为.gcode的格式文件，完成切片。
4.1.5 使用打印机打印
在使用打印机进行打印时，选择刚才转换成功的.gcode格式文件导入sd卡，通过让打印机识别sd卡的内容进行打印。在打印之前先需要对打印平台高度与打印喷头的间距进行调整，防止打印中出现材料无法成行或是打印结束后作品粘合过紧导致难以取下的问题。设置完成后开始打印，在打印结束后取下打印成果时应小心处理，可以采用美工铲慢慢取下。之后用感应电路并装好相应的电路元件即可。
5 实机打印的制作流程
5.1 图片选择及处理
5.1.1 图片选择
在图片选择上我选择了自己喜爱的球星，总的选择了四张图片，其中两张为备用，在尺寸不适合或颜色难以搭配是进行替换。如图5.1所示。
图5.1 选用的图片
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5.1.2 图片尺寸修改
打开光影魔术手对图片进行尺寸修改：打开图片然后选择尺寸修改，常用的800×[1173]尺寸即可，因为此次打算制作的是一个圆筒形灯罩，且我只计划使用两张图片固把宽设置为圆锥面的一半即可。两张图片同样处理后，点击保存。如图5.2所示。
图5.2格式修剪
5.1.3 图片拼接
将修改好的两张图片进行拼接处理，打开拼图选项选择图片拼接选项，如图5.3所示。勾选需要的两张图片并进行相关设置，拼接方向选横排，之后选择一定的外框宽度，内框设置为0，根据图片选择边框颜色，高改为2000，宽自己会跟着变，保证图片的质量。点确定，需要图片圆角也可在此处修改，如图5.4所示。此时如果想加入文字可直接添加，只需要设置颜色与背景色有色差即可，在进行浮雕化时便会有不同凸起。由于我选择的图片拼接处都是黑色所以不用刻意修改，但如果图片直接拼接处与所选边框颜色差距过大，可使用PS中的矩形工具，框选中拼接出的矩形框，点击填充然后点击自动识别即可，这样能使图片直接的过度更加自然。完成后注意保存。
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图5.3 拼接选项 图5.4拼接参数
5.2 图片浮雕化处理
5.2.1 浮雕化
打开浮雕转化需要用到的flashprint软件，载入之前拼接好的图片文件，选择合适的形状与模型参数。形状根据所想要打出的模型形状选择，我此次打的圆筒灯罩自然选择圆筒选项；模式选择中改变的是浮雕效果，根据图片的类型来选择，想要突出人物选择‘深色部分更厚’，想要突出景色选择浅色，也可先更改看模拟效果后再定决定。如图5.5所示，左图深色更厚，右图浅色更厚，可以明显看到深色更厚的模型人物突出，而浅色更厚的模型背景突出，人物凹陷，因为本次表现的主体是人像，固选择深色部分更厚为宜。
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图5.5左图深色更厚，右图浅色更厚
其余选项都是影响模型薄厚大小的，可根据实际需求进行更改。个人设置如图5.6所示。完成后选择图片另存为，记得更改后缀为.stl保存。
图5.6浮雕化参数
5.3 切片处理
打开切片处理要使用到的Cura软件，点击读取模型文件导入刚才保存好的.stl格式文件，在左边的设置界面可以调整相关的数值，也是最后一次更改模型的机会。基础设置中主要调节打印质量，速度和温度，支撑和喷嘴口径。打印质量中主要通过更改打印出模型的层厚和壁厚来改变模型的精细程度和重量；
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速度和温度中根据所选用的材料更改打印时的喷头温度和热床温度，温度过低会导致出丝不流畅，过高则会导致打印使模型难以成行，速度则是更改打印时喷头的移动速度，一般为了追求质量速度不应高于80mm/s；支撑则根据所打印的形状进行更改，若打印不规则形状或球体可适当加上支撑；喷嘴口径则根据所使用的打印机型号进行更改。在软件中可以看到模型的预览，打印所需的时间和材料，在点击模型后选择‘Rotate’可以更改打印时的方向，选择‘Scale’可以更改模型的实际打印大小，长宽高都可具体更改。个人设置如图5.7所示。设置完成后点击保存为gcode格式进行保存。
图5.7切片参数
5.4打印测试
将刚才保存好的.gcode格式文件导入sd卡中，将打印机归零，然后开始调整平台与喷头之间的间距后插入sd卡选择好文件即可开始打印。打印完成后对残留的细节进行修整即可。最终成品如图5.8所示，开灯后效果如图5.9所示。
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图5.8打印成品
图5.9灯光效果
6总结与展望
6.1 总结
从三维打印浮雕灯罩的选题、需求分析、设计、再到最后的制作，耗费总共三个多月的时间。在准备制作之初，我浏览了许多3D打印的实例，从各种模型的制作中了解到3D打印的整体过程，设计思路，如何让出来的作品更加完善。
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通过不断的询查和深入，想到了设计的思路，从而打造模型的计划，最终完成了一个稍显粗糙的模型。目前很多细节部分还是差强人意，还是需要不断进行完善的。
三维浮雕灯罩的设计与制作，总结如下：
（1）对灯罩的需求进行分析，需要根据个人的需求爱好选择合适的图片与灯罩形状
（2）选择好图片后对图片进行拼接操作，可以使用PS完善细节拼接部分，优化细节。
（3）浮雕化操作时可以根据图片的类型选择深浅明暗变化，对最终成果影响很大。
（4）切片前要了解好自己所用的材料与打印机型号的相关知识，在进行切片设置时很有帮助。
（5）使用打印机时可以多测试几次，不成功重来即可，开始就发现问题比中途出问题好办很多。
6.2 展望
在设计与实现过程中，遇到了些许的技术瓶颈。虽然大部分的问题已经被解决，但是还有一些地方需要进行完善。对于这一系统的未来展望，如下：
在材料的选择上，我只试用了最常用的pla材料，其实还要很多的材料适合作为灯罩使用，但并未进行一一测试。
灯罩的内壁其实可以刷上耐热的漆材料来延长灯罩的耐热性，从而延长使用寿命，还可以采用不同颜色的漆料改变映射出的光的颜色，然其更有艺术性。
最后细节上虽然做了些许优化，但部分还是难以做到理想效果，采用更好的工具进行打磨或是采用填土的方法会让灯罩的手感更好。
参考文献：
[1] 王相海，宋传鸣.图像及视频可分级编码[M].北京：科学出版社，2009.
[2] 王新年，张涛.数字图像压缩技术实用教程[M].北京：机械工程出版社，2009.
[3] 兀旦晖，赵晨飞.3D打印技术在教学中的应用研究[J].课程教育研究，2013.
[4] 王萍.3D打印及其教学应用初探[J].中国远程教育，2013.
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[5] 王聪聪,詹仪.3D打印技术的应用与发展前景[J].出版与印刷.2014.
[6] 于万波.基于MATLAB的计算机图形与动画技术[M].北京：清华大学出版社，2007.
[7] 王松，李著文，于金辉.利用拓片恢复汉画像的浮雕效果[J].计算机辅助设计学与图形学学报，2011.
[8] 王景利,张莹梅,李善香.关于3D打印技术对经济发展的影响分析[J]. 金融理论与教学.
2014(03)：
[9] 王聪聪,詹仪. 3D打印技术的应用与发展前景[J]. 出版与印刷. 2014.
[10] Bri an Evans．解析3D打印机：3D打印机的科学与艺术(M]．机械2-业出版社．2013．
[11]Bre Pettis/Ai1na Kazu111as France，Magicfirm MBot组．爱上3D打印机[M]．人民邮电出版社，2013．
[12] SONG W, BELYAEV A,SEIDEL H P. Automatic generation of bas-reliefs from 3D
shapes[C].Proceedings of IEEE International Conference on Shape Modeling and
Applications, 2007.
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2024年2月8日发(作者：摩歌韵)
三维打印浮雕灯罩的设计与制作
文杰
摘要：为了符合当代年轻人对灯罩装饰品个性化的审美需求，我采用使用三维打印机打印的方式来制作灯罩。从图片选取到图片的后期修剪处理再到后面的切片处理打印机打印，逐步讲解了每个步骤的详细处理过程。最终制作出了符合个性化要求的灯罩，能选用自己想要的图片，所需的形状和尺寸，能按自己之所想来制作出理想灯罩。
关键词：3d打印、浮雕、装饰
1 绪论
1.1 课题背景及意义
1.1.1 课题背景
3D打印是基于传统制造业的升级背景为前提，是产业升级3.0的内容之一。3D打印概念起源于美国，旨在通过对传统制造业的工艺进行改良，从80年代概念的提出至今，将近40年的发展，3D打印机目前还无法有效替代传统加工制造业的生产模式，但在概念模型初期阶段非常有优势，工业制造靠的是设备，工人，流水线大规模生产，而3D打印机作为新型设备，材料特殊性使得其更利于做产品原型开发，而非真正意义上的大规模生产。目前市场上各源头厂家不断研发新技术，新材料，旨在让3D打印机进入到各个工业领域中，如：汽车，军工，航空航天，教育，医疗，影视等等。采用光敏树脂材料打印的3D手办模型（图1.1）或是由喷蜡打印出的首饰饰品（图1.2）在市场上也是大受欢迎。在未来，3D打印研究的方向应更多以不同技术、不同材料下在各个垂直领域不断与传统生产方式进行“磨合”，起到设计与生产之间承上启下的作用。一旦未来3D打印机大规模商业化普及，将真正推动工业的升级。
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图1.1 3D打印手办 图1.2 3D打印发卡
浮雕是在平面上雕刻出凹凸起伏形状的一种雕塑，它是介于平面绘画与三维浮雕之间的一种艺术表现形式，能很好地保持三维物体基于某个观测角度的外形轮廓和视觉效果，因此也越来越受到大众的喜爱。国内外对浮雕进行了大量的研究，在这些研究中，有的是从三维模型出发，其基本方法是对三维几何模型在某给定视觉方向的深度值进行压缩来获得浮雕。透光浮雕是雕塑的一种形式，通过可见光的照射，展现出丰富多样的画面，具有极强的艺术表现力，利用3D打印技术，我们可以将普通的照片变成透光的浮雕，使你的照片可以立体呈现。3D打印浮雕照片具有极高的保真度，透过光，照片浮雕上的图案清晰可见，甚至还增添了微妙的维度和细腻的纹理。3D打印透光浮雕其独特的通透美感深受人们的喜欢。
而灯罩在我们的家居生活中更具有特殊的地位，不论是终日忙于应付的富商名士，仍是奔走忙碌的工薪一族，晚上在家的时刻总比白日多。任何一种物质享受结尾总要上升到精力层面，灯具也不破例。一个适合的灯罩能在起床的清晨入眠的夜晚带给人们极致的享受。使用三维打印技术将灯罩与之结合，既能发挥出3D打印的诸多优势，又能根据每人自身的需求定制出符合个人爱好或是迎合家装的灯罩。
三维打印技术与浮雕灯罩的结合相信一定能迸出灿烂的火花。
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1.1.2 课题意义
当代年轻人都有着属于个人的兴趣爱好，也热衷于在生活中展示自己的个性。而灯罩作为家中必须的装饰品正是舒展个性的大好舞台。而我以研究如何使用三维打印的方法将图片通过浮雕的方式刻画在灯罩上，作为日常的装饰品为本次课题的主要目的。其意义在于创造出一种符合当代年轻人个性，自我创作性强的灯罩用于日常装饰，以满足大众对个性化灯罩的市场需求。
1.2 技术现状和发展前景
1.2.1 3D打印的技术现状
目前，3D打印技术主要应用于模具制造、人像打印，以及珠宝制作等领域，3D打印在很大程度上提升了制作的效率。在生物工程与医学、建筑等领域，由于3D打印的引入，也为创新开拓了广阔的空间。3D打印技术早就已经出现，但由于价格昂贵，技术不成熟，早期并没有得到推广。经过发展，该技术已更加娴熟、精准，且价格有所降低近年来，3D打印技术持续发展，制作周期缩短，材料循环利用，成本大幅度降低，发展势不可挡，已经成为社会广泛关注、民用市场迅速崛起的新领域。
1.2.2 3D打印的发展前景
随着3D打印市场份额的迅速扩大，与3D打印相关行业的大学生创业者的数量也在呈现爆炸式的增长，3D打印模型服务、个性化礼品定制等创业项目百花齐放。拥有一台或多台精度不同的打印机将适合满足多种不同的顾客人群，创业者可以根据顾客提供的三维模型及要求打印产品，以个人兴趣生产更多有趣的产品进行销售，根据顾客的需求个性化定制生产专属产品。3D打印机用于生产最大优点既是生产效率高，单件生产价格远远低于一般生产，大学生创业者应充分利用这一优点，从单件生产价格低廉为入口切入市场，从价格和质量上打入市场。
当然使用3d打印技术来打印浮雕灯罩还是存在一些不足之处。例如3d打印所使用的的材料一般都不耐高温，而白炽灯伴有高温会严重的影响灯罩的使用寿命，我打算在进行制作时可以从灯泡的瓦率上做出改变，达到减少灯罩内部温度的效 3
果，也可在灯罩内部上层耐高温的漆，既可降温也可以改变灯罩发光的颜色，让灯罩有更多的可选择性。作为创业商品也更能吸引顾客注意。
2 市场需求分析
2.1 功能性需求分析
灯罩的主要有聚光，防止触电以及装饰美化作用。上述功能常用的灯罩材料都能做到，而采用3D打印技术打印出的物体根据所选用的材料不同耐用程度也有所差异。打印最常用的PLA材料它的耐热程度达到了220℃早已超过了普通塑料灯罩的110℃的耐热，而且PLA材质的坚固程度也超过了塑料，再加之它还有良好的光泽和透明度，良好的抗拉强度和延展性。可以说，用PLA材质做灯罩完全满足功能性需求。
2.2 非功能性需求分析
在当下消费者对灯罩的需求不仅仅停留在了使用阶段，更多的是在追求美观实用及个性方面。目前市面上的灯罩大都是单独的植物、动物，稍微复杂点的有山水字画、风景人文。而且关键在于只能选择无法创作，这与当下青年崇尚的潮流多元的追求相差甚远，而3D打印浮雕灯罩恰好满足他们的需求：可以自己定制图案，你可以使用自己喜欢的明星照片，自己钟爱的文学影视作品名言，只要是你能找的图片都能成为你灯罩上的图案。再加之现在3D打印技术的成熟，所需要的成本价格相对较低，也能符合年轻消费者的消费水平。如果能加上可拆卸的结构设计，还可加强客户重复购买的消费能力。
2.3 综合需求分析
3d打印浮雕灯罩主要是为了能让大众能够根据自己的爱好兴趣定制出符合自己要求的灯罩装饰品，若以商品标准衡量，在进行制作时应该考虑以下两个综合需求：
（1）产品质量：公开售卖时，顾客肯定会与正常生产的灯罩作为比对对象，以此来衡量我们商品的价值，与一般的pvc材质相比我们拥有足够的优势，不管
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是在耐热性还是材质牢固性都是pla材质更佳；而相比于布料，皮革等材质，我们又有成本价低，图案丰富的优势；还有少见的金属材质，我们则具有产品轻便，便于打扫的特点。所以只要按照步骤生产，注意后期的细节修整，在产品质量上完全可以让顾客放心。
（2）购买人群：此次产品主要针对的是年轻购买人群，要能够突出个性，让顾客有更多的选择，不只是在图案选择上的多样化，在形状上也可突破传统灯罩的限制方体、球体、不规则体都可以作为选择的对象。这也可以发挥3d打印的优势，呈现顾客之所想满足顾客之所需。
3 软硬件分析
3.1 软件与硬件的需求
3.1.1 软件需求
与本次制作相关的软件有：
图片拼接处理：Photoshop/光影魔术手
图片浮雕化：Flashprint
切片软件：simplify3D/Cura
3.1.2 硬件需求
与本次制作相关的硬件有：
打印材料：PLA塑料
打印设备：3D打印机
3.2技术应用
3.2.1 图片拼接
使用Photoshop或者光影魔术手对图片进行拼接。Photoshop和光影魔术手都是常用的图片处理软件，在进行图片处理时，主要是对所选择的图片进行大小裁剪并选出合适的张数方便拼接，保证最终的结果美观不突兀。两款软件都可以 5
做到上述效果，PS的优势在于在对图片进行裁剪拼接时，可以有更多的工具选择，让图片连接处的效果更平滑，但相对的需要一定软件使用基础。而光影魔术手也可以做到类似的效果，且操作简单易上手。
3.2.2 图片浮雕化
针对浮雕模型的打印， 现有的打印方法并未对其做特殊处理， 打印流程也没有任何的区别。 均是将全局细分后的模型直接输入Cura， Slice3r 等切片软件中进行切片计算， 根据生成打印路径将其数据转换为G 代码传给打印机完成打印。为了保证浮雕的打印质量， 为让打印出的模型保持更丰富的表面细节特征， 就需要对输入模型进行足够的细分， 但会导致切片软件在对模型进行切片计算时占据内存过多， 如果输入浮雕模型足够精细， 很容易出现切片失败的情况。 使用一张图片储存网格高度信息的凹凸贴图来表示粗网格形成的浮雕模型， 可以在视觉上获得和由粗网格进行全局细分后形成的浮雕模型同样的效果。我使用到的工具是FlashPrin。FlashPrint是闪铸科技专为旗下Dreamer系列开发的3D切片软件，支持手动添加删除支撑、内外径补偿、2d转3d以及智能模型分割等功能，拥有很好的稳定性和易用性。其中的图片浮雕化功能操作简便易上手，使用时对关键参数进行修改即可。所以制作时采用其进行浮雕化，极大的节省了工作时间。
3.2.3 切片处理
切片处理是指在将要打印的模型转化为打印机使用的.gcode格式的过程。而在转化过程中要用到的软件是Cura。Cura也是常用的3D切片软件，在进行转化的过程中还要设置好相应的打印参数，修改好模型的最终尺寸，并根据所选材料的不同，打印时打印机喷头的温度，热床温度以及打印速度都有所不同。全部设置完成后保存导出为.gcode格式文件为后续打印做好准备。如果Cura与所使用的的打印机不匹配，采用相应的切片软件导出亦可。
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3.2.4 实机打印
本次打印我选用的3D打印机为极光尔沃旗下的A5S，其采用单喷头设计，喷嘴直径0.4mm，喷头工作时的温度高达180-240℃，打印时得小心误触烫伤。其所使用的是熔融堆积原理来进行打印，打印厚度为0.05-0.3mm，打印速度10m/s-150m/s，为保证打印质量一般都不采取高速。机身大小540×480×540mm，可打印作品尺寸最大为305×305×320mm。通过SD卡导入素材进行打印，还有辅助调平系统，支持断电续打、断料检测等多种使用功能。在进行打印时，选择转换成功的.gcode格式文件导入打印机进行打印。设置完成后开始打印，在打印结束后取下打印成果是应小心处理，可以采用美工铲慢慢取下。取出后对模型粗糙的部分进行抛光打磨，细节处进行修剪处理即可。
4 3D打印浮雕灯罩设计流程
4.1设计流程汇总
4.1.1 制作流程简介
如图4.1所示，三维打印浮雕灯罩主要分为图片选择处理、图片浮雕化、图片切片处理、使用打印机打印四个基本步骤。
打印浮雕灯罩 3D
图片选择及处理
选择图片 对图片进行拼接以及边框化处理
图片浮雕化
用flashprint打开图片
用Cura打开stl文件
选择浮雕化并设置成圆筒状
导出成.stl格式
图片切片处理
设置参数并导出成.gcode格式
使用打印机打印
将文件导入打印机
图4.1 制作流程汇总
调平后打印 细节调整
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4.1.2 图片的选择及处理
关于照片图片的处理。首先对图片进行甄选，选择4张以上有人物的，人物衣服、背景跟肤色最好有一定色差，易分辨的图片，4张以上是为有备选，图片四周靠边框部分最好颜色差异不大的，有利于拼接时的效果。选出适当张数的图片再使用光影魔术手对选出的图片进行拼接，如果图片是宽屏图就减少相应的张数，保证图片拼接的长宽比为8:11，这样可以使拼接出的圆筒浮雕符合审美。若是想要打造以人物角色为主的矩形灯罩，亦是建议更改图片的长宽比，使用PS可以精准的修改长宽比例，让最终比例保持在1：0.618的黄金比例上，是一个不错的选择。敲定好图片和形状后便要对其进行拼接，拼接的时候选择一定的外框宽度，保证图片的质量。之后使用PS软件对图片拼接处的边框进行处理，用矩形选择工具把每个照片之间的接缝各选一点，让其过度显得更加自然。之后保存图片进行下一步操作。
4.1.3 图片的浮雕化处理
对刚才拼接好的图片进行浮雕化处理，它的关键在于将拼接好的图片转化为三维模型并采用浮雕处理的方式让图片中的人物景色分明，这也正是让平面图片能立体展示在灯罩上的关键步骤。这里使用flashprint软件打开拼接保存好的图片，使用生成浮雕功能，然后选择相应要打印的形状，并设置好相应的数据：浮雕效果以浅色为主还是深色为主；模型的薄厚；浮雕效果的深浅都可调节。在确定效果后，上下的两条黑边正好是圆筒灯罩的上下两个边框。完成后进行保存，保存格式选择.stl，这样方便之后的切片处理。让图片中的纹理凸起明确显示后导出成.stl格式保存。
4.1.4 图片的切片处理
在对图片进行切片处理时，需要使用到Cura软件。打开Cura导入刚才的浮雕化处理好的.stl格式文件进行切片。切片设置时根据所使用的打印机以及选用打印材料对打印时打印机喷头的温度，热床温度，打印速度，打印时模型的精细程度，薄厚程度等进行相应的设置调整。例如常用的PLA材料一般温度设置在190℃-210℃，而ABS材料的温度在230℃-245℃不等，根据打印机的不同，环
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境温度的不同都会有所变化。可在打印前进行反复调试选择出合适的打印设置再开始正式的打印。在Cura中还可以对打出作品的高宽、比例进行最后的设置，通过查看模拟打印过程也可以预料到打印过程中可能发生的问题，例如打印不规则灯罩时中途有可能会发生折断风险或是需要加上支撑等等，相应的问题都可以通过调整相应参数予以解决。在设置完成后选择模型转化为.gcode的格式文件，完成切片。
4.1.5 使用打印机打印
在使用打印机进行打印时，选择刚才转换成功的.gcode格式文件导入sd卡，通过让打印机识别sd卡的内容进行打印。在打印之前先需要对打印平台高度与打印喷头的间距进行调整，防止打印中出现材料无法成行或是打印结束后作品粘合过紧导致难以取下的问题。设置完成后开始打印，在打印结束后取下打印成果时应小心处理，可以采用美工铲慢慢取下。之后用感应电路并装好相应的电路元件即可。
5 实机打印的制作流程
5.1 图片选择及处理
5.1.1 图片选择
在图片选择上我选择了自己喜爱的球星，总的选择了四张图片，其中两张为备用，在尺寸不适合或颜色难以搭配是进行替换。如图5.1所示。
图5.1 选用的图片
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5.1.2 图片尺寸修改
打开光影魔术手对图片进行尺寸修改：打开图片然后选择尺寸修改，常用的800×[1173]尺寸即可，因为此次打算制作的是一个圆筒形灯罩，且我只计划使用两张图片固把宽设置为圆锥面的一半即可。两张图片同样处理后，点击保存。如图5.2所示。
图5.2格式修剪
5.1.3 图片拼接
将修改好的两张图片进行拼接处理，打开拼图选项选择图片拼接选项，如图5.3所示。勾选需要的两张图片并进行相关设置，拼接方向选横排，之后选择一定的外框宽度，内框设置为0，根据图片选择边框颜色，高改为2000，宽自己会跟着变，保证图片的质量。点确定，需要图片圆角也可在此处修改，如图5.4所示。此时如果想加入文字可直接添加，只需要设置颜色与背景色有色差即可，在进行浮雕化时便会有不同凸起。由于我选择的图片拼接处都是黑色所以不用刻意修改，但如果图片直接拼接处与所选边框颜色差距过大，可使用PS中的矩形工具，框选中拼接出的矩形框，点击填充然后点击自动识别即可，这样能使图片直接的过度更加自然。完成后注意保存。
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图5.3 拼接选项 图5.4拼接参数
5.2 图片浮雕化处理
5.2.1 浮雕化
打开浮雕转化需要用到的flashprint软件，载入之前拼接好的图片文件，选择合适的形状与模型参数。形状根据所想要打出的模型形状选择，我此次打的圆筒灯罩自然选择圆筒选项；模式选择中改变的是浮雕效果，根据图片的类型来选择，想要突出人物选择‘深色部分更厚’，想要突出景色选择浅色，也可先更改看模拟效果后再定决定。如图5.5所示，左图深色更厚，右图浅色更厚，可以明显看到深色更厚的模型人物突出，而浅色更厚的模型背景突出，人物凹陷，因为本次表现的主体是人像，固选择深色部分更厚为宜。
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图5.5左图深色更厚，右图浅色更厚
其余选项都是影响模型薄厚大小的，可根据实际需求进行更改。个人设置如图5.6所示。完成后选择图片另存为，记得更改后缀为.stl保存。
图5.6浮雕化参数
5.3 切片处理
打开切片处理要使用到的Cura软件，点击读取模型文件导入刚才保存好的.stl格式文件，在左边的设置界面可以调整相关的数值，也是最后一次更改模型的机会。基础设置中主要调节打印质量，速度和温度，支撑和喷嘴口径。打印质量中主要通过更改打印出模型的层厚和壁厚来改变模型的精细程度和重量；
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速度和温度中根据所选用的材料更改打印时的喷头温度和热床温度，温度过低会导致出丝不流畅，过高则会导致打印使模型难以成行，速度则是更改打印时喷头的移动速度，一般为了追求质量速度不应高于80mm/s；支撑则根据所打印的形状进行更改，若打印不规则形状或球体可适当加上支撑；喷嘴口径则根据所使用的打印机型号进行更改。在软件中可以看到模型的预览，打印所需的时间和材料，在点击模型后选择‘Rotate’可以更改打印时的方向，选择‘Scale’可以更改模型的实际打印大小，长宽高都可具体更改。个人设置如图5.7所示。设置完成后点击保存为gcode格式进行保存。
图5.7切片参数
5.4打印测试
将刚才保存好的.gcode格式文件导入sd卡中，将打印机归零，然后开始调整平台与喷头之间的间距后插入sd卡选择好文件即可开始打印。打印完成后对残留的细节进行修整即可。最终成品如图5.8所示，开灯后效果如图5.9所示。
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图5.8打印成品
图5.9灯光效果
6总结与展望
6.1 总结
从三维打印浮雕灯罩的选题、需求分析、设计、再到最后的制作，耗费总共三个多月的时间。在准备制作之初，我浏览了许多3D打印的实例，从各种模型的制作中了解到3D打印的整体过程，设计思路，如何让出来的作品更加完善。
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通过不断的询查和深入，想到了设计的思路，从而打造模型的计划，最终完成了一个稍显粗糙的模型。目前很多细节部分还是差强人意，还是需要不断进行完善的。
三维浮雕灯罩的设计与制作，总结如下：
（1）对灯罩的需求进行分析，需要根据个人的需求爱好选择合适的图片与灯罩形状
（2）选择好图片后对图片进行拼接操作，可以使用PS完善细节拼接部分，优化细节。
（3）浮雕化操作时可以根据图片的类型选择深浅明暗变化，对最终成果影响很大。
（4）切片前要了解好自己所用的材料与打印机型号的相关知识，在进行切片设置时很有帮助。
（5）使用打印机时可以多测试几次，不成功重来即可，开始就发现问题比中途出问题好办很多。
6.2 展望
在设计与实现过程中，遇到了些许的技术瓶颈。虽然大部分的问题已经被解决，但是还有一些地方需要进行完善。对于这一系统的未来展望，如下：
在材料的选择上，我只试用了最常用的pla材料，其实还要很多的材料适合作为灯罩使用，但并未进行一一测试。
灯罩的内壁其实可以刷上耐热的漆材料来延长灯罩的耐热性，从而延长使用寿命，还可以采用不同颜色的漆料改变映射出的光的颜色，然其更有艺术性。
最后细节上虽然做了些许优化，但部分还是难以做到理想效果，采用更好的工具进行打磨或是采用填土的方法会让灯罩的手感更好。
参考文献：
[1] 王相海，宋传鸣.图像及视频可分级编码[M].北京：科学出版社，2009.
[2] 王新年，张涛.数字图像压缩技术实用教程[M].北京：机械工程出版社，2009.
[3] 兀旦晖，赵晨飞.3D打印技术在教学中的应用研究[J].课程教育研究，2013.
[4] 王萍.3D打印及其教学应用初探[J].中国远程教育，2013.
15
[5] 王聪聪,詹仪.3D打印技术的应用与发展前景[J].出版与印刷.2014.
[6] 于万波.基于MATLAB的计算机图形与动画技术[M].北京：清华大学出版社，2007.
[7] 王松，李著文，于金辉.利用拓片恢复汉画像的浮雕效果[J].计算机辅助设计学与图形学学报，2011.
[8] 王景利,张莹梅,李善香.关于3D打印技术对经济发展的影响分析[J]. 金融理论与教学.
2014(03)：
[9] 王聪聪,詹仪. 3D打印技术的应用与发展前景[J]. 出版与印刷. 2014.
[10] Bri an Evans．解析3D打印机：3D打印机的科学与艺术(M]．机械2-业出版社．2013．
[11]Bre Pettis/Ai1na Kazu111as France，Magicfirm MBot组．爱上3D打印机[M]．人民邮电出版社，2013．
[12] SONG W, BELYAEV A,SEIDEL H P. Automatic generation of bas-reliefs from 3D
shapes[C].Proceedings of IEEE International Conference on Shape Modeling and
Applications, 2007.
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