逆向工程與3D打印在自動牙線盒正向設計中的應用＊

徐桂才，陳學斌，陳葉娣，楊潼

（江蘇常州機電職業技術學院模具技術學院，江蘇常州213164）

1 引言

逆向工程是一種反求工程,它是在二維或三維抄數得到實體模型數據的基礎上用造型軟件構建數字模型，通過修改、調整特征的方式來開發同一類型的產品，此技術基于反向推理的方式，運用于傳統正向設計理念相反的思路來解決產品的快速研發。隨著制造業的快速發展，需要這樣的工程來縮短產品的研發周期、加快產品的更新換代，但是正向設計無法解決這樣的問題。所以，逆向設計可以說是大勢所趨，它已經運用到航空、模具、產品設計、文物修復、醫學領域等領域。

基于一枚市場上買到的牙線，用逆向工程的技術，求出它的三維數字模型，并以這枚牙線的數字模型為起點，正向設計出大容量，取拿方便，衛生的自動牙線盒。為此類新產品的孵化，提供思路。

2 抄數

由于牙線體積小，所以用固定拍照式掃描儀進行抄數就可以。先在牙線表面噴涂上顯像劑，目的是為了得到更清晰，精度更高的掃描數據，掃描細節越細致，數據量也越大。等顯像劑干燥后就可以開始掃描，拍照式掃描儀的數據是一幅幅的掃描數據拼接注冊融合而成的，由于牙線體積小，特征簡單，放在轉盤上，掃一幅即可，厚度用卡尺量出來。對于體積大，特征多物體的掃描，還需要在其表面上粘貼一些標志點，在承載物體的旋轉轉盤上，有時也需要貼上標記點，通過這些粘貼的標志點完成自動拼接過程，直到整個的表面數據掃描完成，獲得完整的三維數據。點云數據文件格式很多，選擇用“obj”格式保存，如圖1所示。

圖1 牙線的拍照式掃描

3 數據處理

（1）在Geomagic studio軟件中導入掃描獲取的牙線的點云數據，其數據處理過程如下：導入“obj”格式的數據模型，首先，通過噪聲點的剔除和失真點的查找，如圖2a所示。其次通過數據的精簡，以提供完整的牙線零件表面三維信息，如圖2b所示。最后產品的封裝，如圖2c所示。

將數據保存為*.STL格式的三角形網格文件導出保存。

4 逆向設計

圖2 牙線掃描的處理

圖3 牙線的構造過程

牙線采用UG10.0軟件進行逆向建模，如圖3所示。在獲取處理好的點云數據后，根據牙線的結構特征，首先擺正坐標系，構造塑件外表面，如圖3a所示，創建草圖，使用直線，圓弧，圓角命令，繪出牙線的輪廓線，如圖3a所示。通過拉伸命令構建出實體，如圖3b所示。完成模型數據從“stl”到“stp”的轉換，如圖3c所示。

5 正向設計牙線盒

目前市場上的牙線盒大都具有取拿不方便，易造成交叉感染，功能過于簡單的缺點，在餐飲行業很少看得到牙線的身影，不利于牙線這樣一個護理牙齒的優秀產品的推廣，設計出一款創新的產品，從而解決生活中的痛點，讓優秀的產品服務于大眾，是每個設計從業人員的使命，好的牙線盒產品更是在當下新冠疫情的氛圍下具有特殊的意義。這是一種由功能驅動的產品概念方案進化設計方法，由功能驅動的產品概念方案進化設計框架，著重在功能驅動、問題定義、方案求解、進化模式等方面尋求突破，以及基于創新迭代的進化設計求解等關鍵方法。在方案進化求解中，運用創新方法迭代形成設計方案，以適應當今生產技術蓬勃發展的現狀。筆者在產品概念設計過程中，根據產品的特性，在每一階段給出對應的方法或工具，提高了最終概念方案的科學性，驗證進化設計在產品概念設計中的可行性，同時為設計者提供了設計思路，有助于提高設計效率，對企業實施產品定制具有參考價值。

在牙線前期設計階段，即概念階段，研究有效消除設計認知差異性和提高方案創新性的產品進化設計方法，推動產品從功能模塊結構到整體型結構的進化演變，達到提高產品設計效率和創新性，實現快速響應市場，最終提高企業利潤的目的。

（1）逆向設計出牙線的實體模型后，如圖4所示，牙線盒的正向設計就有了依據。同樣是在UG10.0軟件里繼續建模，不過下面的過程是正向的。此牙線盒的設計靈感源于牙線盒內部結構（見圖5）。為了便于觀察，先把牙線的顏色修改成銀白色，牙線擺放位置如圖6所示。

（2）設計之初由于考慮到牙線盒的密封性，因此設計這種按鍵式的原因是操作簡易，如圖7a所示，簡單的按鈕加上卡后，操作非常方便。設計彈簧的作用是利用彈簧的彈性，如圖7b所示，當按鈕的使用后可自動彈起，按鈕頂端的突出結構是卡口，方便在密封牙線盒內牙線的彈出，再通過彈簧的自動彈起。

圖4 牙線結構

圖5 牙線盒內部結構

圖6 牙線的擺放位置

圖7 彈簧按鈕結構

（3）如圖8所示，將擠壓板設計成與牙線相似的結構，避免與牙線的接觸后滑開。為了實現自動化的方式，聯想到彈簧結構，通過彈簧的彈性力和一端與擠壓板的連接，如圖9所示，能夠將圖9中整體擺列的牙線依次自動的進入到彈簧按鈕，當一個牙線的彈起，在長彈簧的作用下，另一個牙線進入到彈簧按鈕內部。根據長彈簧的彈力還有固定牙線的作用。通過市場上普遍存在的長彈簧結構，設計出這樣擠壓板方便與彈簧的連接。

圖8 擠壓板結構

圖9 長彈簧與擠壓板的連接方式

（4）由于設計的時候長彈簧的一端與擠壓板可拆卸連接，因此，在牙線盒的內部設計一個固定的連接板（見圖10），根據長彈簧的結構，設計如圖10所示的固定板來固定長彈簧。

圖10 長彈簧與固定板的連接方式

（5）由于對牙線的逆向設計，牙線的基本數據都已清楚，如圖11所示，將牙線的出口設計在彈簧按鈕的旁邊，使得牙線盒結構的簡易，生產成本降低，且牙線能夠彈出。

圖11 牙線出口形狀

6 牙線盒的整體使用

一種自動彈壓牙線盒的使用方法，步驟如下：

第一步：當裝牙線時，打開牙線開關蓋，通過彈簧與擠壓板活動連接口,分開擠壓板和長彈簧，抽出擠壓板。

第二步：整齊的放入牙線，再次通過彈簧與擠壓板活動連接口連接擠壓板與彈簧，使其擠壓牙線，整齊排列，不易產生錯亂，通過密封條圍繞在牙線開關蓋內表面來確保關上牙線開關蓋，保證牙線開關蓋不易掉落，并且密封性好。

第三步：按壓牙線彈起按鈕，根據牙線的結構，外力作用在牙線尾部的落下，牙線的頭部彈起。手不接觸到牙線的線以及尾部，從而確保牙線的衛生清潔。

第四步：取出牙線，當牙線彈起按鈕自動復位，由于通過擠壓板和彈簧使牙線卡入到牙線彈起按鈕中。

通過凹槽的形狀使得牙線使用結束后，方便擠壓板與彈簧的分開和連接來保證下一次的使用。