基于3D打印的车载吸尘器吸嘴逆向设计与再制造

李小龙，范嘉博，韦 炜

(西安文理学院机电工程创新研发中心，陕西 西安 710065)

基金项目：陕西省教育厅自然科学专项项目(16JK2197）；2017年陕西省国家级大学生创新创业训练计划项目（201711080010）

作者简介：李小龙（1996—），男，硕士研究生，主要研究方向为机械工程测试与控制, 1905434443@qq.com.

通讯作者：韦炜，男，教授，weiwei@xawl.edu.cn.

摘要：针对车载吸尘器吸嘴易丢失、易损坏且难以单独购买匹配等问题，基于3D打印结合逆向设计对吸嘴进行二次开发与再制造。通过3D扫描设备对车载吸尘器吸嘴接口进行点云数据采集，用Geomagic Studio软件进行点云数据处理和吸嘴造型重构，在建模软件UG中将重构模型实体化，并导入3D打印机进行加工得到实体吸嘴。结果表明，用该方法二次开发的吸嘴满足使用性能要求，具有易设计、易加工、开发周期短等特点，能够对车载吸尘器吸嘴的再制造与结构创新起到促进作用。

关键词：逆向工程；3D扫描；Geomagic Studio；3D打印

中图分类号：TH164;TB472    文献标识码：B    文章编号：2095-509X(2021)05-0039-04

车载吸尘器是车内保洁的重要工具，吸嘴是其重要部件之一，使用和存放过程中需频繁拆装，导致吸嘴易损坏、丢失。当出现吸嘴损坏或丢失的情况时，难以单独购买到合适的吸嘴，常导致车载吸尘器无法正常使用而造成资源浪费。为解决吸嘴难以单独购置而成套购买成本较大的问题，寻求一种经济的吸嘴再制造方式显得尤为重要。

传统的车载吸尘器吸嘴开发遵循正向工程，在设计吸嘴和吸尘器外形时参数特征相互影响，两者都遵循从概念设计到具体模型设计的过程，吸嘴后期成型通常采用模具注塑方式。此开发方式周期长、工艺复杂、成本高，产品形态难以预见，其性能需要多次实验来验证^［1］。模具注塑适用于车间批量生产，然而不同车载吸尘器吸嘴接口结构是不同的，且当前各类型吸嘴均是非标准件，因此正向设计与模具注塑方式均不适用于吸嘴开发。而逆向工程不仅可弥补正向工程开发周期长的问题，也可在吸嘴丢失或严重损坏导致产品结构特征丢失、遵循正向工程难以二次开发时，发挥其优势完成二次开发。逆向工程可通过对没有原始结构数据的产品实物进行测量和工程分析，按照已有产品或部分特征来重构产品模型，通过CAD/CAM/CAE软件分析其性能要求。此开发过程既能全面掌握产品的设计思路，促进其个性化、多样化发展，又能结合FDM（fused deposition modeling）桌面级3D打印机进行产品成型，使产品成型更加便捷、高效。因此本文将现代逆向设计技术和3D打印技术相结合以此实现吸嘴的结构设计及再制造。

1 整体设计方案

本文首先利用光学三维测量设备对车载吸尘器吸嘴接口表面进行三维扫描从而获得原始点云数据，并将原始点云数据导入逆向工程软件Geomagic Studio进行点云拼接、噪声去除、点云精简、数据修补等处理，使接口曲面规则化。然后基于三维网格模型特征提取法^［2］提取接口特征曲面，对特征曲面进行边界优化和数据精简^［3］，使曲面更加平滑。最后依据接口特征曲面对吸嘴结构进行重新设计，用三维建模软件UG使模型实体化，并将重构的吸嘴三维模型以STL格式导入FDM桌面级3D打印机进行打印得到吸嘴实体。整体设计流程如图1所示。