I
摘 要
本專題是 3D 列印 Lithophane 光雕燈罩，3D 列印是一種快速成形的技術， 以數位模型檔案為基礎，最後透過逐層堆疊累積的方式來構造物體的技術（即 「積層造形法」）。 而 Lithophane 是一種背後透光才可以看見圖案的技術，我們使用多種軟體做前置處理有SolidWorks 2012、BLENDER、CURA 還有 ROCK 網站，上 述軟體處理完後會用 3D 列印機，把成品列印出來，我們設計的有四面體、三 面圓、圓筒型、料材架、兩面圓。 首先我們先選好圖檔，再用小畫家將圖檔做修改與調整，然後用 ROCK 網站把圖檔做浮雕轉換或做其他形狀處理，然後再用SolidWorks 2012 設計出 上下蓋，在進入BLENDER 做最後的大小與結合處理，以上結束後利用 CURA 軟體設定參數並進行切片功能轉成g-code 檔到 3D 列印機裡面列印。
II
致 謝
感謝江俊顯教授帶領我們進行專題的研究，因為有很多軟體以及機器不 會使用，老師都給我們方向去做討論，並帶我們去台灣三軸參觀3D 列印機， 還有郭老師時常把它自己的作品展示給我們看，也感謝上一屆製作3d 列印專 題的學長，給我們很多的資訊來應用在這次專題上面，很感謝老師與學長們 的用心和指導，感謝大家一起努力的把進度趕上，感謝家人提供方向和其他 機器的應用，總而言之感謝幫助我們的所有人!!III
目 錄
摘 要 ... I 致 謝 ... II 目 錄 ... III 圖目錄 ... V 表目錄 ... VII 第 1 章 緒論 ... 錯誤! 尚未定義書籤。 1.1 前言 ... 1 1.2 研究動機 ... 1 1.3 研究方向 ... 1 1.4 研究目的 ... 1 1.5 研究架構流程 ... 2 1.6 時間進度管制 ... 3 1.7 工作分配 ... 4 第 2 章 理論探討 ... 5 2.1 光雕歷史 ... 5 2.2 零件圖 ... 5 2.3 零件表 ... 9 第 3 章 研究方法 ... 11 3.1 應用軟體簡介 ... 11 3.2KINGSSEL 的介紹 ... 11 3.3CURA 的介紹 ... 13 3.4SOLDWORKS 與 LITHOPHANE 的介紹 ... 14 3.5 浮雕網站的介紹 ... 16 3.6BLENDER 的介紹 ... 20 3.7 線材介紹的原理 ... 21 第 4 章 成品製作 ... 23 4.1 流程簡介 ... 23IV 4.2 成品流程圖 ... 23 4.3 成品設計 ... 23 4.4 成品加工程序 ... 24 第 5 章 結果與討論 ... 34 5.1 結果 ... 34 5.2 討論 ... 34 第 6 章 結論與建議 ... 35 6.1 結論 ... 35 6.2 建議 ... 35 參考文獻 ... 36
V
圖目錄
圖1.5.1 研究流程圖 ... 3 圖1.6.1 計畫進度管制圖 ... 3 圖1.7.1 工作分配圖 ... 4 圖2.2.1 軸承 ... 6 圖2.2.2 線材料架 ... 6 圖2.2.3KINGSSEL 列印機 ... 6 圖2.2.4 蠟燭燈 ... 6 圖2.2.5 檯燈 ... 7 圖2.2.6 口紅膠 ... 7 圖2.2.7 刮板 ... 8 圖2.2.8 尖嘴鉗 ... 8 圖2.2.9 斜口鉗 ... 9 圖2.3.1ABS 膠 ... 9 圖3.2.1KINGSSEL1830、1820 列印機 ... 11 圖3.2.2 高品質角座結構件 ... 12 圖3.2.3 全金屬噴頭 ... 12 圖3.2.4 全金屬滑塊、滑塊 ... 12 圖3.3.1CURA 程式 ... 13 圖3.3.2CURA 切片模式 ... 13 圖3.4.1 光雕支撐 ... 14 圖3.4.2 料架台 ... 15 圖3.4.3LITHOPHANE 圖 ... 15 圖3.5.1 浮雕網站 ... 16 圖3.5.2 浮雕網站參數 ... 16 圖3.5.3 浮雕網站參數 ... 17 圖3.6.1BLENDER 介面 ... 20 圖3.6.2BLENDER 介面 ... 20VI 圖3.7.1PLA 線材 ... 21 圖3.7.2ABS 線材 ... 21 圖4.2.1 成品流程圖 ... 23 圖4.4.1 蠟燭燈 ... 24 圖4.4.2 檯燈 ... 24 圖4.4.3 圓形支撐三視圖 ... 25 圖4.4.4 圓形支撐工程圖 ... 25 圖4.4.5 線材料架供應座三視圖 ... 26 圖4.4.6 圓筒檯燈支撐三視圖 ... 26 圖4.4.7 圖片調整 ... 27 圖4.4.8 浮雕轉換 ... 27 圖4.4.9BLENDER 調整大小 ... 28 圖4.4.10BLENDER 四面體結合 ... 28 圖4.4.11 圓筒支撐 ... 29 圖4.4.12 圓筒支撐與燈罩結合 ... 29 圖4.4.13CURA 方形切片處理 ... 30 圖4.4.14CURA 圓形切片處理 ... 30 圖4.4.15 列印機列印中 ... 31 圖4.4.16 圓筒形加支撐件 ... 31 圖4.4.17 圓筒燈罩 ... 32 圖4.4.18 小型圓形光雕 ... 32 圖4.4.19 線材料架供應座應用列印機 ... 33
VII
表目錄
表1 零件表 ... 9 表23D 列印材料比較表 ... 22
1
第一章緒論
1.1 前言
我們由老師挑選出來，進行 3d 列印的發展與研究，由於 3d 列印的應用 範圍很廣大，經過討論的結果，老師決定要我們製作Litophane 光雕燈罩，一 開始我們甚麼都不會，在老師的指導方向我們學會很多套軟體的應用，並用 來製作我們的lithophane 光雕燈罩設計，也設計列印機的線材料架。1.2 研究動機
3d 列印是目前最流行的技術，也是引起我們想要研究的動機，我們透過 電視新聞跟網路上的資訊不斷的思考3d 列印的方向，後來看到一些藝術家的 雕刻，他是利用背後透光來看清楚圖片，老師也推薦這個方向，想說可以利 用列印來製作。1.3 研究方向
現在來說3d 列印是一項滿流行的技術，我們跟老師討論，如何去做光雕 設計，首先我們上網查詢資料，在一個著名網站，教人如何應用軟體和概念 設計屬於自己的作品，但作品的大小和列印機大小有關，所以現在來說只能 列印小型物品，利用lithophane 技術，我們朝這邊來進行研究，研究燈罩的變 化性與其他物件結合。1.4 研究目的
透過3d 列印我們可以製作出自己的燈罩，而在未來作品可以應用於街頭 路燈、招牌燈以及家裡的夜燈，這種大型作品，來凸顯家中美感和街道上的 感觀，目的是凸顯客製化的發展以及新的加工技術的應用。2
1.5 研究架構流程
我們首先先進行資料的查詢，來研究3d 列印是甚麼技術，透過上網與書 籍來做蒐集，然後開始思考可以製作甚麼物品，由老師給我們方向，讓我們 來設計lithophane 光雕燈罩，並開始尋找可以把圖片轉換成浮雕的軟體，有很 多種我們這邊採用浮雕轉換網站來製作，然後用solidwork 製作燈罩的上下蓋， 並尋找可以處理stl 檔的軟體，利用 blender 我們可以將物件做修改與結合，再 利 用 cura 調 整 參 數 ， 最 後 用 KINGSSEL 列 印 機 列 印 成 品 。 圖1.5.1 研究流程圖3
1.6 時間進度管制
本專題研究內容共分為資料收集及研究、程式設計與測試、算例規劃、 實例計算、模型-夾具設計與製作、試驗試片製作、實驗設備安裝與測試、試 片-模型強度與振頻實驗量測、實驗與計算數值之整理-分析與比較、結案報告 撰寫與製作等10 項，各工作項目時程進度如下圖所示。 月 次 工作項目 第 1 月 第 2 月 第 3 月 第 4 月 第 5 月 第 6 月 第 7 月 第 8 月 第 9 月 第 10 月 第 11 月 第 12 月 備 註 1.資料收集及研究 2.程式設計與測試 3.3D 列印機應用 4.成品設計與製作 5.成品測試 6.結案報告撰寫與製 作 預定進度累計百分比 10% 15% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 85% 95% 100% 預定進度 實際進度 圖1.6.1 計畫進度管制圖4
1.7 工作分配
資料蒐集 購買材料 製作報告 模型列印 曾敏豪 √ √ √ √ 曾敏嘉 √ √ √ √ 張庭瑋 √ √ √ 胡振旂 √ √ √ 圖1.7.1 工作分配圖5
第二章理論探討
2.1 光雕歷史
單詞“lithophane”來自希臘的“光刻”，這是由“LITHOS”，這意味著石頭或 岩石，而“phainein”意為“使出現”或“造成突然出現”派生的。從這個是衍生的 含義為“石光”lithophane 或“出現在石”作為當用背光源點亮的三維圖像突然出 現。 歐洲lithophane 首次同時在法國，德國，普魯士和英國各地的 19 世紀 20 年代的後期製作接近。很多時候，歷史學家信貸男爵保羅·德 Bourging（1791 年至1864 年）與發明於 1827 年 lithophane 的過程中“電子郵件 ombrant”（陶 藝裝飾）在法國。羅伯特·格里菲斯·瓊斯獲得 Bourging 權利在 1828 年和特許 出英語的工廠，使他們。英國工廠有時會使用普通的標本命名為“lithophane”， 普魯士的實際完善了真正 lithophane 過程於 1828 年也有人說該技術是在柏林 和製造商等作為有一個公知的標記 Ad'T'上 lithophanes 從盧布，鄰近默倫在法 國。它被認為是男爵 A.德特倫布萊的標誌，但關於這個問題的一些學者認為 他只是做陶器和不正確的lithophanes 和標誌屬於未知來源。2.2 零件圖
圖2.2.1 軸承6
圖2.2.2 線材料架
. 圖2.2.3 KINGSSEL 列印機
7 圖2.2.4 蠟燭燈
8 圖2.2.6 口紅膠
9 圖2.2.8 尖嘴鉗
圖2.2.9 斜口鉗
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2.3 零件表
表1 零件表 1 編 號 零件名稱 1 軸承 2 線材料架 3 列印機 4 蠟燭燈 5 檯燈架 6 口紅膠 7 刮板 8 尖嘴鉗 9 斜口鉗 10 ABS 膠11
第三章研究方法
3.1 應用軟體簡介
1. 閱讀 KINGSSEL 產品 2. 3D 列印軟體(CURA) 3. SolidWorks 設計與 Lithophane 介紹 4. 浮雕轉換網站介紹 5. Blender 程式應用 6. 線材種類3.2KINGSSEL 的介紹
KINGSSEL 是一種可以利用 PLA 線材進行 3D 列印的機器，再配合 CURA 軟體進行切片模擬，完成作品的機台，他擁有高精度速度快，甚至可以調整 填充率問題，讓作品可以用最少的線材製造出來，此外它的光滑度也很高 CURA 軟體裡，可以調整機器的線材為多少 mm 疊層，相當方便的機器。
12 KINGSSEL 內部構造： 1. 是利用高品質角座結構件 2. 全金屬噴頭 3. 全金屬滑塊、滑塊 圖3.2.2 高品質角座結構件 圖3.2.3 全金屬噴頭 圖3.2.4 全金屬滑塊、滑塊
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3.3Cura 的介紹
Cura是一款模型切片3D 打印軟件，使用Python 開發，集成C++開發的 CuraEngine。CuraEngine 作為切片引擎，由於其切片速度快，切片穩定，對 3D 模型结購包容性強，設置參數少等諸多優點。 Cura 的主要功能有：載入3D 模型進行切片，載入圖片生成浮雕並切片， 連接打印機打印模型。 圖3.3.1Cura 程式 圖3.3.2Cura 切片模式14
3.4 SolidWorks 與 Lithophane 介紹
在SolidWorks 中建立一個模型通常始於一個 2D 草圖。該草圖由幾何，如 點，線，弧，圓錐曲線和公式。尺寸添加到素描來定義的大小和位置的幾何 形狀。關係是用來定義屬性，如切、平行、垂直、同心圓。SolidWorks 的參數 化性質意味著驅動器的尺寸和幾何關係，而不是相反。在草圖的尺寸可以獨 立控制，或由其他參數的關係，以內部或外部的素描。 這邊我們用來製作3d 列印機的物料架與光雕的燈座台 圖3.4.1 光雕支撐15 圖3.4.2 料架台 Lithophane 是一個蝕刻或模製藝術品，當燈光在背面照明時能夠看清楚圖 形。這些圖像的變化取決於其背後的光源特性。最近 Lithophane 已與使用數 控機床和3D 打印的，顏色較深的是凸面，較淺的是凹面。 圖3.4.3 Lithophane 圖
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3.5 浮雕網站的介紹
這是將圖片丟進去裡面，會先幫你把圖像轉成黑白然後進行凹凸轉換的 一個網站。 圖3.5.1 浮雕網站 圖3.5.2 浮雕網站參數17 圖3.5.3 浮雕網站參數 以下是浮雕的設定介紹 工作流程 選擇一個圖像，（在圖像畫面中點擊它），設置圖像參數和模型參數。再刷 新視圖以查看結果。如果autodownload 被設置，STL 將每次刷新的時間下載。 最大尺寸 輸出lithophane 的最大 X 或 Y 維度 - X，如果原始圖像寬，Y，如果高。 厚度 輸出Lithophane 的最大 Z 尺寸。 邊境 周圍邊緣的邊界的厚度。 最薄層 這是的最少層厚度（用於圖像中最亮的像素）。 每個像素矢量 圖像中的像素的每一個被翻譯成lithophane 的表面上的一些 3D 點的，較大的 這個數，更詳細的輸出（和較大的 STL 文件/處理速度較慢）2 為良好值這個 你可以去到 5，但它需要時間和使用的內存。
18 底座/支架深度 小立的基礎上，縱向進行打印時。對基礎正數挺身而出，負落後。 曲線 度曲線的表面（為彎曲形式）的數量。 正面形象 設置為正面形象如果設置為負像原始圖像的較亮區域將在輸出更薄和更厚。 鏡像 設置為鏡像，圖像將被鏡像繞X 軸（對後方觀看），否則輸出將在相同的方 向作為原始圖像。 翻轉圖像 設置為文件的圖像，所述圖像將被fliped 繞 Y 軸，否則輸出將在相同的方向作 為原始圖像。 手動刷新 設置為手動刷新只有重新當按下“刷新＂按鈕的模式，設置為自動，如果你 想在模型當您選擇圖片刷新 重複 X 計數 設置為在 X 方向上的圖像重複創建輸出之前。 重複 Y 計數值 設置為在 Y 方向上的圖像重複創建輸出之前。 鏡子重複 設置為交替地鏡像圖像正被使用在X，重複設置時。 重複翻轉 設置為交替地翻轉圖像正被使用在Y 重複設置時。 二進制 STL 設置為使用二進制（更小和更快）STL 文件格式，否則使用 ASCII 碼，其中 所需要的與其它軟件的兼容性。 手冊下載 如果設置為自動，STL 文件將每次刷新模型時下載，如果設置為 Manula，下 載將只有當你按下下載按鈕發生。 形成 從下列類型中選擇的輸出模式的形式 平面 與圖像的矩形模型於一體的臉上留下了深刻印象。曲線設置ignoed 內蒙古曲線 與圖像 A 的彎曲的矩形模型印象上的內表面。使用曲線設置可以設置在弧形 的度數。
19 外曲線 與圖像 A 的彎曲的矩形模型印象在其外表面上。使用曲線設置可以設置在弧 形的度數。 實心圓柱體 圓柱形模型上留下深刻印象的曲面圖像。 長方形枕頭 與圖像的矩形枕模型施加在頂面 圓頂 - 圖像在最前面 與圖像的圓形穹頂模型印象彷彿從圓頂上 圓頂 - 對端圖像 與圖像的圓形圓頂模型印象好像從與圖像包裹拱頂的周邊和圖像會議在中心 上方的圓頂的邊緣 心 跟圖片心臟形模型印象深刻的曲面
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3.6Blender 介紹
Blender 是一套三維繪圖及彩現軟體，因為這套軟體可以開啟 stl 檔的圖 像並進行修改，加上使用比較簡單，這邊我們選用這套軟體，來做物件的大 小更改與物件的結合。 圖3.6.1 blender 介面 圖3.6.2 blender 介面21
3.7 線材介紹
PLA 是目前最普遍的兩種 FDM 3D 列印材料之一(另一為 ABS)。 因為用途廣泛、使用方便，此款 3D 列印材料被多款桌上型 3D 印表機列為預 設使用，優點如下: 1. PLA 塑膠被廣泛的運用在各個領域，因其印製時無臭味(或者有淡淡甜味) 且不易捲翹。 2.無須加熱板，成品堅硬。 3. PLA 塑膠是可生物降解的環保型材料之一，由混合玉米澱粉和甘蔗衍生而 成，符合食品級和生物分解的標準。 圖3.7.1 PLA 線材 ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)是由石油提煉的化合物。 是一種常用的塑膠材料製成，也是非常好的 3D 列印材料選擇。特性如下: 1.ABS 塑膠有高強度和高勒性。 2.能承受比PLA 塑膠稍高的溫度，約在 80°C，列印時會產生味道，而 3D 列 印材料把味道降低許多，較難聞的到。 3. ABS 不抗 UV，陽光照射會使得它分解縮小，因此請避免於陽光直射處使 用。 圖3.7.2 ABS 線材22 表2 3D 列印材料比較表 材料 ABS PLA 強度 中 低 列印速度 低 低 精確度 低 高 列印溫度 220°~230° 180°~215° 列印時異味 強烈刺鼻味 有些甜味 染色性 不易染色 不易染色
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第四章成品製作
4.1 流程簡介
1. 材料購買 2. SolidWorks 設計 3. 挑選圖片並進行轉換浮雕 4. Blender 結合 5. Cura 將 stl 檔轉成 g-code 檔 6. KINGSSEL 列印機列印 7. 成品完成4.2 成品流程圖
圖4.2.1 成品流程圖4.3 成品設計
利用 lithophane 技術下，我們將圖片轉換成浮雕圖像，用 blender 結合，作 出幾何形狀的燈罩，然後用燈光照亮我們的成品，這是在考慮客製化製作出 小型的燈罩，可以讓人訂購，並當成禮物送人，並打造出專屬於自己的物品。24
4.4 成品加工程序
首先我們先買蠟燭燈與燈座台，並依照大小規格來設計燈座。
圖4.4.1 蠟燭燈
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會先用solidworks 繪製，三面圓的支撐跟圓筒支撐以及列印機的線料架。
圖4.4.3 圓形支撐三視圖
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圖4.4.5 線材料架供應座三視圖
27 然後挑選一張解析度高的圖片，利用小畫家將圖片大小固定，因為圖片 的大小決定浮雕轉換出來的大小。 圖4.4.7 圖片調整 將圖片丟進浮雕轉換網站，並作參數調整。 圖4.4.8 浮雕轉換
28 再把STL 檔下載下來，利用 BLENDER 開啟檔案並調整大小。 圖4.4.9 blender 調整大小 這邊做四面體或三面圓會利用 blender 做結合，一個一個把物件拉到要 的位置，然後加入solidworks 繪製的支撐並結合燈罩，最後存檔。 圖4.4.10 blender 四面體結合
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圖4.4.11 圓筒支撐
30 cura 打開 stl 檔，並進行參數設定，要列印的好看需更改一些參數，如層 厚、填充率、反抽、支撐以及旋轉角度，跑完之後存檔 g-code 就可以進列印 機列印。 圖4.4.13 cura 方形切片處理 圖4.4.14 cura 圓形切片處理
31 最後再把檔案放進 KINGSSEL 列印機列印，會先將列印機加熱到 180 度 後，再塗口紅膠，才開始列印。 圖4.4.15 列印機列印中 成品如下圖所示。 圖4.4.16 圓筒形加支撐件
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圖4.4.17 圓筒燈罩
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第五章結果與討論
5.1 結果
這次的專題研究有點差強人意，因為將圖片轉換成浮雕檔再丟進 cura 裡 面，會有跑不出 g-code 的問題，所以我們前面遇到很多問題，不斷的解決問 題，了解到圖片解析度與複雜度影響到cura 轉 g-code 的路徑問題。 還有就是要把轉出來的圖片立著印才會比較好看，可是問題就是 cura 轉 變方向或角度，會導致有些作品無法轉成G-code 檔這點還要去做探討。5.2 討論
還有就是建議要把轉出來的圖片立著印才會比較好看，可是問題就是cura 轉變方向或角度，會導致有些作品無法轉成G-code 檔這點還要去做探討，35
第六章結論與建議
6.1 結論
這次專題研究我們從一開始甚麼都不會，到如何學會操作 3d 列印機與製 作浮雕繪圖，這段期間我們討論很多次，如何有效的提升自己的作品和方向， 雖然有些方向容易想得出來，但做出來的作品往往不是自己想的那麼簡 單，反覆的設計到做出好幾個失敗品，但失敗為成功之母，經過多次實驗種 算完成自己的作品，雖然作品看似簡單，但裡面投入多少的辛苦，只有自己 能體會，結論很簡單我們創造出能夠提升市場方向和形象的作品，雖然有人 提早一步做過，類似的方向，但我們的成品也是獨一無二誰也不會擁有的， 加上未來可能推向人手一機的概念，這樣大家都可以自己印東西，只要上網 把想要的檔案下載下來，就可以印出自己想要的作品。6.2 建議
由於cura 再進行轉 g-code 檔時會因為模型的複雜度與破損無法進行轉切 片檔所以有些作品我們都不行列印，這邊可以利用up 列印機進行列印，因為 up 不需要經過 cura 程式進行列印，只要把檔案丟進去 up 就可以列印。 還有學校那台列印機他被綁定用CURA 軟體，所以作品都必須到 CURA裡跑，因為在做 Ltihophane 光雕複雜度很大，所以 cura 很吃 CPU 容易跑不 動，可以建議學校買其他列印機使用。
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