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我的探月之路科学探索

发布时间:2017-04-06 17:44:06  |  来源:环球网  |  作者:NASA中文爱好者  |  责任编辑:科学频道

这款月球模型,研发了三年,一年深究打印,一年精挑材质,一年遍试涂装,尽力做到精益求精,以此向航天先驱们致敬。

每个人心中都有一个天文梦,我的梦从2014年起开始变得疯狂。

一次偶然的机会,我在某天文论坛看见一位署名“路飞”的天文艺术家发布了一篇关于手工雕刻月球的帖子。足球大的油泥在路飞手里变成布满陨石坑的月球,熟知的月海近在咫尺,细节精致无比。我马上联系路飞,打算无论多少代价都要买一个他的月球模型。

  路飞的月球照片(微博@池塘之底)

但我未能如愿,路飞的月球早已售罄,而下次雕刻计划遥遥无期,我的月球模型泡汤了。可这件事在我心里就像野草一样蔓延,让我总也放不下。

转机发生在2014年夏天。

我当时正投身于火热的游戏行业,做的是一款太空题材的科幻游戏。一次我在我们3D主管身后暗中观察,发现他正在用三维软件做游戏场景,内容正是环形山。

我瞬间脑洞大开。

接下来是一连串的研究,我先去NASA官网找到了月球的高程地图(一种用灰度来表示地表高度的图片):

  月球高程图

然后把高程地图给我的3D主管,让他帮忙在软件里做了个三维月球模型;

  三维月球模型

最后我去某宝寻觅3D打印商,并吃惊地发现3D打印服务已相当成熟!所以我很快就下单打印了一个月球,基于真实的地理数据,比路飞雕刻的月亮还要准确!

  3D打印月球模型照片

月球在手,我以为我可以满足。但这个3D打印的月球远看可以,近看却是惨不忍睹:整个模型表面布满了打印层纹,一些小的月坑已经面目全非了。而且基于价格的考虑,这个球只能是做成空心的。所以打印商不得不在模型上开一个洞,用来回收被封在球体内部的原材料。细心的朋友会发现,现在市面上所有的3D打印月球产品都不是全封闭的。

这些不完美的地方都是我所不能接受的。

进一步调查之后,我对3D打印行业有了更完整的认识。其实如果不要求打印颜色的话,是可以做到更高精度的。比如利用光固化原理的SLA和DLP打印技术,精度都可以到0.05毫米以内,而我当时选择的全彩石膏精度只有0.1,还真的是不怎么样。谨慎考虑后我又用SLA打印了一个树脂月球,与之前的石膏相比横纹几乎看不出来,但真的是一丁点颜色也没有。不过这点我倒是不太担心。因为我喜欢拍月亮,也画过不少,对月球上的特征还是很了解的。

  我在纸上画的月球

于是我开始思考该用什么方式上色,我先后试了水彩、水粉、彩铅、油彩、马克笔、水性模型漆和油性模型漆。总的来说,水性的问题在于着色不好,颜料会在树脂表面滚成水珠;油性的问题却是着色太好,不便于修改,而且有毒的有机溶剂挥发性很强,对健康不利;画油画的油彩有厚度,会盖住模型纹理;而硬笔涂装效果生硬,画不出过渡色。不过经过这番试验我意识到一个问题,我不能再在打印的树脂模型上直接画了。为了试验上色,我废掉了好几个打印件,浪费了不少钱。看来我必须要研究一下如何复模。

虽然模型制造是我从未涉足的领域,但为了月球,多深的坑都可以入。要做的其实就是用硅胶做个模具,再用PU或者石膏材料浇灌,那样月球模型就想要多少就有多少了!听起来好简单。

我采购了原材料和工具,看了很多相关的视频教程,满怀信心地开始操作。然后发现翻模的坑真的是太深了:模具厚了浪费材料,薄了又容易变形;固化剂要放得刚刚好,否则无法按照预期的效果凝固;搅拌硅胶时要速度均匀以免产生气泡;选择分模线要留意地表特征,否则后期无法打磨;PU材料俗称AB水,味道巨大,不能在家操作;石膏材质流动性差,要试验多次才可以找到合适的比例和操作时长。就这么说吧,我先后翻了三个模具,用了十几公斤的PU和石膏,最后一个成功的模型也没有做出来。我一气之下扔掉了所有的模具和材料,决定再也不碰这些东西,月球的研发也因此被搁置了好久。

  我用石膏试验的模型

虽然这些试验没有成功,但我却亲手摸索了石膏与PU材质的特性,对后来第一代月球模型产品的材质选材至关重要。2015年下半年,我之前打印月球的那个帖子又在微博上被转起,这给了我很大的鼓舞,月球项目因此又重新启动了。这次我改变思路,到网上寻觅提供翻模服务的工厂,让专业的人去做专业的事。这样我便顺利得到了几个树脂模型和石膏模型,得以继续尝试不同材质上的涂装方案了。

  透明树脂方案

  荧光树脂方案

  石膏方案

2016年初的这个石膏版月球模型受到很多好评,我也因此动心把它做成商品,让更多天文爱好者拥有。对于月球模型来说,量产的难题在于涂装,这也是全球模型制造业中最难的瓶颈。从2016年一直到现在,我试遍了行业内几乎所有的涂装方案,一直在寻觅着这个问题的最佳答案。

涂装大致可分为两类,一类是制版,一类是无版。前者需要制作辅助上色的工具,目的是定位或者套色,移印、模具喷漆都属于制版。后者是不需要制版,把图案直接或者间接印刷到承印物上,比如转印和UV印刷机。下面就是我试验的一些总结。

喷油。喷油的原理是做一个遮挡物,将需要喷绘的区域露出来,其他地方遮住。这样喷出来的形状都是一样的,可以加速上色的过程。喷油这个方案在月球模型上效果不好,首先是模具不好做。我在一家供应商那里定做过一批半球形的塑料壳,打算套在球上画出图案,然后切割图案做模具。切割的工具我试过电钻、电烙铁和超声波刀。电钻钻下来有毛边,电烙铁的高温会把塑料烫软,超声波切割刀虽然没有毛边也不会产生高温,但要用刀片刻出环形山简直痛苦之极。好不容易做了一套模具,又遇到了第二个问题,卡位。软塌塌的塑料壳根本无法固定形状,在喷漆的时候到处移动。我用夹子把它勉强固定好之后,又遇到过渡色的问题。因为喷漆喷出来的是一片死死的颜色,边缘像刀切的一样齐整,真的很难看。我试验了几个月,最终放弃了喷油。

  喷漆的塑料壳

转印。转印最大的优势是涂装的高度还原性,因为图案可以直接印刷,保证和电脑中的一模一样。转印分水转印、冷转印和热转印,热转印依赖工具,对承印物形状的自由度不高,所以我只试过前两种。水转印是先将图案打印到一张转印纸上,刷光油,再把这张纸浸到水中,然后贴在球上,最后用软化剂固定。冷转印是先往球上刷转印液,然后把打印图案的转印纸用力压在球上,压制的时候不能有一点点移动。

你听一下这两个方案就知道它们的操作难度有多大,更何况月球不是平面,需要切分成几十个细长的图案分别转印。为此我还写了一个按照瓜皮形状来切分贴图的程序,也算是一种小收获。为了让冷转印时油墨能顺利地从纸上移到月球上,我们做了很多种尝试,甚至还试过糯米纸,但最后还是不成功,然后大家把糯米纸吃掉宣布转印的方案失败。除了水转和冷转,我还试过不干胶印纸,但看着球上一层亮亮的塑料膜总觉得哪里不对。

  瓜皮图

移印。虽然是制版印刷,但是它的量产能力让我羡慕。其原理是先制成几个单色的色板,然后用移印机和胶头,把颜色一层一层套印在物体上。问题有几个,一是定位问题,月球模型表面有凹凸纹理,移印的时候必须图案和纹理严丝合缝。由于移印机一次只能印半个球,这种动来动去的情况下很难定位;第二个问题是,移印胶头是为了在平滑表面印刷而设计的,如果强行往凹凸表面印刷会有印不上的情况;三是这种印刷开版费用很高,起订量也很大,在综合考虑之后,果断放弃。

UV打印。UV打印机又称平板打印机或万能打印机,可以在5MM高度内的凹凸表面打印图案,目前手机壳印刷、瓷砖印刷很多都是用 UV打印来实现的。但是月球不行,因为月球的直径有12厘米,表面高度差在5MM之内的圆形区域直径只有不到3厘米。这样一个月球需要打印30多次才能覆盖全部表面,并且每次都要在接缝处准确定位。这几乎是不可能完成的任务。

多轴印刷工具。目前行业内最高端的应该是传说中的多轴了。说实话我没有试过,甚至都没有见过,不知道这种昂贵的机器能否用在我的月球模型上。但我试过一个叫作画蛋机的两轴机械装置。画蛋机本来是为复活节画彩蛋用的,把鸡蛋固定在一个旋转轴上,然后一支画笔沿着另一轴运动,像经纬仪那样。但试过之后发现,画蛋机的精度远远不能满足我的需求。不过我认为如果将来有一天市面上有了一款适合月球模型的涂装自动化工具,那一定是基于画蛋机这样的原理。

所以绕了一大圈,最后上色方案还是回归到了手涂。也许只有手涂才能把制作者的匠心融入作品,也许这就是为什么模型界到现在都没有一种自动涂装的方案能够代替手涂的原因。

从2014年10月到2017年3月,月球模型经过一年的打印尝试,一年的材质摸索和一年的涂装试验,历经四代的进化,以AstroReality月球模型的身份问世。如今的月球模型,模种是0.016mm的打印精度,多道程序还原质感,翻模和上色的工艺都是最专业的。而且我们还开发了专属软件,利用增强现实(Augmented Reality)技术实时识别月表特征并显示相关的天文知识。可以说全球还原度最高、最有科普意义的月球模型。AstroReality月球模型在手,我满足了么?没有,目前月球模型还比较年轻,材质、涂装都有很多优化的空间,配套的软件也比较基础,还有很多不完善的地方。对我而言,这都不够完美。况且月球只是第一步,月球之后是火星,地球,冥王星以及其他很多的星球,所以要做的事情还有很多,要走的路还有很长,这个梦也还可以做得更疯狂。

James的探月里程碑

  这应该是目前最逼真的月球模型了。

目前有三个版本的月球,分别是月球爸爸(120mm),月球妈妈(80mm),月球宝宝(30mm)。

最后,每个月球模型的制作和涂装都涉及到匠人匠心的手工打磨,也就是说每个月球模型都是独一无二的。

  带AR黑科技的月球模型

配上AR黑科技,再搭配应用程序“通晓”,让月球模型秒变百科全书。

文章来源:环球网
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