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)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
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....
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!
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