學校老師,分享閃瞎人的冰晶聖誕樹,製作過程!

大家好,我是學校電腦老師~
最近在學校做了這棵聖誕樹,分享一下這棵樹的製作過程!
(文長,最後有影片)

冰晶聖誕樹

亮燈的樣子


特寫角度


這棵聖誕樹可不是說亮就亮的,需要在頂端投入一顆球,經過樹幹的軌道燈就會依序點亮
效果就像下圖這樣


製作過程

外型發想

剛開始是想做顆會發亮的聖誕樹,為了要讓燈光很亮,閃瞎我的學生,所以打算使用透明壓克力打側光的方式作為樹葉,也就有雪花結晶的概念出來了。

由於雪花每片造型不同,若以這為造型就該如此,所以我使用Rhino軟體內的Grasshopper作為參數化設計的工具,藉此製作看似真的雪花造型。

剛好最近冰雪奇緣電影,有看到類似的報導說劇組人員對動畫中的雪花非常講究,就用冰雪奇緣聖誕樹去google找找,看有沒有一些靈感,結果....

google搜尋:冰雪奇緣嘉年華 聖誕樹

我想冰雪奇緣動畫團隊看到台灣這顆聖誕樹應該會崩潰吧XD

好吧~那就在網路研究一下,結果還真的有人用Python模擬真的雪花
https://github.com/vishnubob/snowflake
但他分析的雪花形式我沒有很愛,而且壓克力切割又怕這種結構容易斷,後來就以他文章中分析的六角形結晶為主要的概念


計算一下教室既有的材料、時間等因素,就做個60層的聖誕樹吧!
60片結晶樹葉,60個發光元件!

開始製作

底座

底座當然用結晶的六角形為主要概念,想過各種方案後最終決定用環氧樹脂灌模,直接將中心的牙棒固定在底部

整棵樹若高1.5公尺左右,可能需要2公斤以上的重量來穩定比較夠,設計好之後就用壓克力來做底座的模具~


底座的環氧樹脂因為擔心日後會變黃(明年也可以拿出來擺),所以加了一些藍色染料上去,但完成後發現太藍了有點突兀...

有聽說環氧樹脂不能一次灌太多,所以分四次灌注,但第三層太貪心,結果還是發生悲劇,所以四周出現大氣泡,並且產生變形,後來靠光固化膠水來補救


完成之後邊角會凸起來,所以用散打打磨


最後再淋上一層環氧樹脂,讓霧面打磨的痕跡消失,側面故意讓他垂流就像冰塊融化的感覺


結晶葉片

使用Rhino Grasshopper寫程式,隨機生成不同六角形圖案的葉片


同時需要考量結構性以及跑出來的圖案不要太醜


Grasshopper參數化的好處是,這種每片造型長短都不一樣的設計可以瞬間跑完,也程式調整大概1.5小時,跑60片不同圖案大概5分鐘就搞定


完成圖檔就去雷切摟!


壓克力的外膜如果先撕掉再雷切,就會產生這種白色的髒污附著,但好處是不用撕膜撕到崩潰


這種白色髒汙的解決方法,就是直接用散打裝海綿,膜過一次就好~


你看看~ 幾秒鐘搞定~


發光單元電路板

發光單元的原理就是利用球滾動之後,撞到感測元件,造成通路之後,將電容充飽電,並且透過電晶體讓LED點亮
隨著時間讓電容放電,燈光就會慢慢熄滅,我配的這組電路大概需要1分鐘才會讓LED熄滅

鋁片撞擊螺旋狀的鐵絲(電料行找到的電池盒彈簧)


撞到就會發亮,還會發出清脆的聲音~


電路測試完成後就用學校的CNC銑,軟體是用Rhino CAM


模擬一下路徑


剛銑完的狀況


清理後是不是看起來不錯啊~


由於要焊接的零件共有60片,零件定位也是個大問題,所以就用3D列印,做了幾個模具好對位


焊接地域...


焊接完成後的樣子,LED的角度都沒歪掉喔~


接觸的鐵片使用的是麵包板附的鋁片,跟別的老師借裁板機來切成小塊


再用剪刀修成T字形狀


滾珠軌道

中心的3D列印軌道倒是最輕鬆的部分,但上下卡榫跟壓克力葉片的連接處,以及電路板接觸的距離還是調整了一下

檔案好了就直接送印摟~ 60個!


組裝本體

由於我的設計每層都有個螺帽,要轉1公尺的牙棒會死人,所以就設計一個3D列印零件讓"風槍"可以協助我轉螺絲,並且在牙棒上噴一些WD40,轉起螺帽輕鬆又愉快!


電源部分,是從底座延伸到上面的粗銅線來供電,這銅線也是跟別的老師拿學生剩下的材料製作


銅線不好固定,用尖嘴鉗掛著就可以輕鬆焊接


焊接電路板後再加上用於感測滾珠的鋁片


連接中心牙棒

牙棒長度是1公尺,所以需要連接兩根牙棒才能達到預計的1.5公尺,市面上的牙棒連接器太大,所以我僅能靠螺帽的6.3mm厚度來固定兩根牙棒。

先修改牙棒的長度,讓螺帽出現的位置剛好是牙棒尾端,才能連接


要使用砂輪鋸,怕火花會傷到下面的壓克力,所以墊一片厚紙板


小心磨掉約1公分的長度


連接兩根牙棒! 最後再上點三秒膠加強固定~


晃動問題

組裝到最後,發現超嚴重的問題,就是這棵樹晃動的幅度太大了,因為中間基本上僅靠一隻8mm牙棒支撐,所以整棵樹超軟Q


想到的解決方法就是在側邊加強固定,快速設計了造型不同的60片固定片


切割來測試看看


最終還是容易晃,但比起原本的狀況已經好多了


樹頂軌道

樹頂的設計我想要用一片雪花來作為樹頂的造型,這部分其實花了很多時間設計

畫了許多設計圖,不管怎麼固定那片雪花,感覺都像仙女的魔法棒...
最後想到Elsa變出雪花的螺旋狀魔法,就用螺旋狀的魔法作為頂端的投球孔,並且跟雪花造型的頂端做結合吧!


螺旋的壓克力就用烤箱來考軟塑形吧~ 將壓克力加熱到170度就可以軟化


彎壓克力一定要有模具,所以就用底座來固定下方的形狀,再憑感覺去拉那個螺旋的樣子


最後測試螺旋軌道


並且在螺旋軌道加上一些LED(但其實燈光效果還是很暗)


樹頂雪花

樹頂裝飾就像是聖誕樹的靈魂一樣,所以我就用Grasshopper的程式寫了一顆看起來像雪花的雪花


由六角形的圖案根據雪花的邏輯隨機長成


CNC銑完的樣子,使用厚5mm的壓克力來製作


但整棵樹點亮後,發現這個雪花也太暗了吧!!!
所以後面又墊了一塊一樣形狀的壓克力,並在上面裝上LED燈和畫線,雖然與原本設計折射晶透感的雪花有點出入,但至少放在樹上不會太突兀


實際點亮的樣子


完成! 

樹還沒發亮的樣子


燈全關,樹點亮的樣子


心得

原本打算做個簡單的樹,結果越做越複雜,但剛好把這堆奇怪的加工方式分享給學生,做作品順便備課的概念~

平時還要教課,只能趁空堂時間把半成品的樹搬進搬出,過程中也一直遇到一堆問題,原本打算兩周完成,後來做了一個月...做到聖誕節都快過了,好在最後成果還滿滿意。

明天就要讓學生壓力測試了,希望能撐到2020年XD

另外製作的過程我都有拍攝記錄下來,一起來欣賞製作過程與完成的影片吧~
記得開聲音~投球的刷刷聲真的很讚!
2019-12-22 23:29 #1
太強了吧! 請老師收下我的膝蓋!

這玩意根本就可以直接開模販賣了!
kobebeefg wrote:
大家好,我是學校電腦(恕刪)

太強
幫推一下
難得出現優質好文
Wow,好漂亮~
忍不住一定要登入按讚(喂!讚在哪裡啊
註冊日期:2003-08-14 15:57
完全不懂這些,但看完圖文和影片後忍不住給分,真真是高手在人間啊!
太強了……

學生有這種老師真是幸福。
kobebeefg wrote:
大家好,我是學校電腦(恕刪)


厲害的老師,想必一定會有厲害學生。五分奉上。
好厲害的老師, 完全身體力行

從創意發想 → 規劃 → 實作完成
都是一次專題的過程

希望可以開放給非學生的大家也去進行壓力測試XD
只能給五分了! 有這種老師真棒!
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