逆向工程与3D打印在自动牙线盒正向设计中的应用＊

徐桂才，陈学斌，陈叶娣，杨潼

（江苏常州机电职业技术学院模具技术学院，江苏常州213164）

1 引言

逆向工程是一种反求工程,它是在二维或三维抄数得到实体模型数据的基础上用造型软件构建数字模型，通过修改、调整特征的方式来开发同一类型的产品，此技术基于反向推理的方式，运用于传统正向设计理念相反的思路来解决产品的快速研发。随着制造业的快速发展，需要这样的工程来缩短产品的研发周期、加快产品的更新换代，但是正向设计无法解决这样的问题。所以，逆向设计可以说是大势所趋，它已经运用到航空、模具、产品设计、文物修复、医学领域等领域。

基于一枚市场上买到的牙线，用逆向工程的技术，求出它的三维数字模型，并以这枚牙线的数字模型为起点，正向设计出大容量，取拿方便，卫生的自动牙线盒。为此类新产品的孵化，提供思路。

2 抄数

由于牙线体积小，所以用固定拍照式扫描仪进行抄数就可以。先在牙线表面喷涂上显像剂，目的是为了得到更清晰，精度更高的扫描数据，扫描细节越细致，数据量也越大。等显像剂干燥后就可以开始扫描，拍照式扫描仪的数据是一幅幅的扫描数据拼接注册融合而成的，由于牙线体积小，特征简单，放在转盘上，扫一幅即可，厚度用卡尺量出来。对于体积大，特征多物体的扫描，还需要在其表面上粘贴一些标志点，在承载物体的旋转转盘上，有时也需要贴上标记点，通过这些粘贴的标志点完成自动拼接过程，直到整个的表面数据扫描完成，获得完整的三维数据。点云数据文件格式很多，选择用“obj”格式保存，如图1所示。

图1 牙线的拍照式扫描

3 数据处理

（1）在Geomagic studio软件中导入扫描获取的牙线的点云数据，其数据处理过程如下：导入“obj”格式的数据模型，首先，通过噪声点的剔除和失真点的查找，如图2a所示。其次通过数据的精简，以提供完整的牙线零件表面三维信息，如图2b所示。最后产品的封装，如图2c所示。

将数据保存为*.STL格式的三角形网格文件导出保存。

4 逆向设计

图2 牙线扫描的处理

图3 牙线的构造过程

牙线采用UG10.0软件进行逆向建模，如图3所示。在获取处理好的点云数据后，根据牙线的结构特征，首先摆正坐标系，构造塑件外表面，如图3a所示，创建草图，使用直线，圆弧，圆角命令，绘出牙线的轮廓线，如图3a所示。通过拉伸命令构建出实体，如图3b所示。完成模型数据从“stl”到“stp”的转换，如图3c所示。

5 正向设计牙线盒

目前市场上的牙线盒大都具有取拿不方便，易造成交叉感染，功能过于简单的缺点，在餐饮行业很少看得到牙线的身影，不利于牙线这样一个护理牙齿的优秀产品的推广，设计出一款创新的产品，从而解决生活中的痛点，让优秀的产品服务于大众，是每个设计从业人员的使命，好的牙线盒产品更是在当下新冠疫情的氛围下具有特殊的意义。这是一种由功能驱动的产品概念方案进化设计方法，由功能驱动的产品概念方案进化设计框架，着重在功能驱动、问题定义、方案求解、进化模式等方面寻求突破，以及基于创新迭代的进化设计求解等关键方法。在方案进化求解中，运用创新方法迭代形成设计方案，以适应当今生产技术蓬勃发展的现状。笔者在产品概念设计过程中，根据产品的特性，在每一阶段给出对应的方法或工具，提高了最终概念方案的科学性，验证进化设计在产品概念设计中的可行性，同时为设计者提供了设计思路，有助于提高设计效率，对企业实施产品定制具有参考价值。

在牙线前期设计阶段，即概念阶段，研究有效消除设计认知差异性和提高方案创新性的产品进化设计方法，推动产品从功能模块结构到整体型结构的进化演变，达到提高产品设计效率和创新性，实现快速响应市场，最终提高企业利润的目的。

（1）逆向设计出牙线的实体模型后，如图4所示，牙线盒的正向设计就有了依据。同样是在UG10.0软件里继续建模，不过下面的过程是正向的。此牙线盒的设计灵感源于牙线盒内部结构（见图5）。为了便于观察，先把牙线的颜色修改成银白色，牙线摆放位置如图6所示。

（2）设计之初由于考虑到牙线盒的密封性，因此设计这种按键式的原因是操作简易，如图7a所示，简单的按钮加上卡后，操作非常方便。设计弹簧的作用是利用弹簧的弹性，如图7b所示，当按钮的使用后可自动弹起，按钮顶端的突出结构是卡口，方便在密封牙线盒内牙线的弹出，再通过弹簧的自动弹起。

图4 牙线结构

图5 牙线盒内部结构

图6 牙线的摆放位置

图7 弹簧按钮结构

（3）如图8所示，将挤压板设计成与牙线相似的结构，避免与牙线的接触后滑开。为了实现自动化的方式，联想到弹簧结构，通过弹簧的弹性力和一端与挤压板的连接，如图9所示，能够将图9中整体摆列的牙线依次自动的进入到弹簧按钮，当一个牙线的弹起，在长弹簧的作用下，另一个牙线进入到弹簧按钮内部。根据长弹簧的弹力还有固定牙线的作用。通过市场上普遍存在的长弹簧结构，设计出这样挤压板方便与弹簧的连接。

图8 挤压板结构

图9 长弹簧与挤压板的连接方式

（4）由于设计的时候长弹簧的一端与挤压板可拆卸连接，因此，在牙线盒的内部设计一个固定的连接板（见图10），根据长弹簧的结构，设计如图10所示的固定板来固定长弹簧。

图10 长弹簧与固定板的连接方式

（5）由于对牙线的逆向设计，牙线的基本数据都已清楚，如图11所示，将牙线的出口设计在弹簧按钮的旁边，使得牙线盒结构的简易，生产成本降低，且牙线能够弹出。

图11 牙线出口形状

6 牙线盒的整体使用

一种自动弹压牙线盒的使用方法，步骤如下：

第一步：当装牙线时，打开牙线开关盖，通过弹簧与挤压板活动连接口,分开挤压板和长弹簧，抽出挤压板。

第二步：整齐的放入牙线，再次通过弹簧与挤压板活动连接口连接挤压板与弹簧，使其挤压牙线，整齐排列，不易产生错乱，通过密封条围绕在牙线开关盖内表面来确保关上牙线开关盖，保证牙线开关盖不易掉落，并且密封性好。

第三步：按压牙线弹起按钮，根据牙线的结构，外力作用在牙线尾部的落下，牙线的头部弹起。手不接触到牙线的线以及尾部，从而确保牙线的卫生清洁。

第四步：取出牙线，当牙线弹起按钮自动复位，由于通过挤压板和弹簧使牙线卡入到牙线弹起按钮中。

通过凹槽的形状使得牙线使用结束后，方便挤压板与弹簧的分开和连接来保证下一次的使用。