欢迎来到【高训智造】原创专业课堂第420期，本期由钟观友老师带来3D打印制作小课堂。

挂式挤牙膏器的设计与光固化制作

钟观友

牙膏是最常用，也是重要的生活用品。据不完全统计，2021年我国牙膏市场销售额达308亿，每年消费总量增长10%左右。挤牙膏器作为牙膏使用过程中衍生产品，其市场销售额也是可观的。市面上挤牙膏器款式多样，除部分电动挤牙膏器外，大多手动挤牙膏器结构简单功能单一，只是辅助牙膏挤出，未能完全解决牙膏使用过程浪费和便捷度不够等问题。基于此，作者依据生活经验并参考传统挤牙膏器，设计制作此挂式挤牙膏器，期望能使牙膏使用过程更加便捷，避免不必要的浪费。

1 挤牙膏器与万能牙膏盒盖的设计建模

此挤牙膏器设计分为两部分：挤牙膏器主体与卷轴。挤牙膏器主体主要功能是固定牙膏；卷轴则为手动式，配合挤牙膏主体内弹片手动收卷，实现挤牙膏操作。挤牙膏器主体右端设计卡槽，配合墙贴胶板，实现挤牙膏器的挂立固定，整体部件如图1所示。挤牙膏器挂立固定后，牙膏还是传统旋盖开启闭合，会造成使用不便，设计万能牙膏盒盖方便开启闭合，配合挤牙膏器操作，使动作更加流程便捷。

图1

1. 挤牙膏器主体部件的设计建模

测量多款牙膏软盒尺寸，一般牙膏软盒的长度在150~160mm之间；软盒尾部宽度在50~60mm之间；挤出牙膏后的软盒体厚度为1mm左右。根据上述数据进行合理化设计建模主要部件，主要部件外形如图2所示。此次建模使用软件为NX 8.5。

图2

根据以上牙膏软盒数据，卷轴外径设为10mm，内径设为5mm，卡口大小设为1*56mm；用外径为10mm的卷轴完全收卷软盒时最大直径约为15mm，基于此，挤牙膏器主体内腔大小为20*25*60mm，且内腔设置两弹片，主体卡口过度坡度设计，最窄处设为1mm，配合卷轴收卷使用；右端卡槽根据贴墙贴纸尺寸配合设置，两边设置2.75*7.5mm突沿固定；盖板厚度设为2.2mm，大小为58.8*37.5mm；整体壁厚设置为2~3mm，尖角处与细节处倒角，使整体更加美观。此挤牙膏器结构与主要部件尺寸如图3所示。

图3

1. 万能牙膏盒盖的设计建模

每个品牌的牙膏盒盖都不尽相同，各式牙膏盒盖样式如图4所示，且大多不能通用。除了推拉盖和部分弹盖，其他牙膏盒盖都需要配合盒体口部螺纹密封紧固。综合考虑，结合固定方便的推拉盖和开闭方便的大弹盖优点，建模一款可以紧固于大部分牙膏盒体和开闭方便的“万能”牙膏盒盖，以用来替代传统旋盖，配合挤压牙膏器使用。

图4

此牙膏盒盖设置偏外8°锥度，盖体内径设置为12mm，且盖体边沿中空，并设置一定角度突起，方便收缩卡紧与取放；整体高度设置为17.4mm，壁厚设置为1.3mm，万能盖主要尺寸如图5所示。尖角处与细节处倒角，使其更加美观。

图5

2 挤牙膏器与万能牙膏盒盖模型的光固化打印操作

可以把上述设计的挤牙膏器与万能牙膏盒盖制作出来的工业方法众多，大批量生产且对精度和材质要求高可以选用注塑制造。但此挤牙膏器与万能牙膏盒盖为首次设计测试使用，注塑开模成本过高，不予考虑。首选的制作方法为3D打印，3D打印技术类型繁多，每种技术类型所用材料与机器也不尽相同。此次制作选用的3D打印类型是工业级光固化打印（SLA），因其产品质量贴近注塑产品质量，且经济实惠。

光固化打印（SLA）主要以光敏树脂为原料，打印制作时，特定波长（250~400nm）的紫外线按照预设切片程序，完成层截面的树脂照射绘制，被照射的光敏树脂发生光聚合反应并固化成型，依次循环层层重叠，完成3D实体打印工作。图6为光固化打印（SLA）工艺原理。

图6

2.1 打印前处理

此次用的切片软件为工业级光固化打印常用的切片软件Magics 25.0。Magics软件功能强大，能够将不同格式的CAD文件转化输出到快速成型，快速模具制造。能够修复优化3D模型，分析零件，直接在STL模型上做相关的3D变更，设计特征，生成报告等。挤牙膏器与万能牙膏盒盖打印前处理步骤如下，步骤样式如图7所示：

（1）导入文件：在打印前需把上述建模的CAD模型依次导出成独立的STL文件，再把模型STL文件导入Magics软件进行打印前处理。

（2）位置摆放: 为了提高模型制作质量，减少支撑节省材料，选择将此模型竖立摆放于打印平台中心，打印面积大的面贴合平台摆放。

（3）添加支撑: 此两模型结构并不复杂，添加支撑时在切片软件上选自动添加支撑，按默认参数添加即可。检查自动支撑确认无误后再进行下一步操作，如有生成不出支撑的部件，可以独立进入部件手动添加支撑。

（4）切片设置: 沿着z轴方向生成打印所需程序执行数据文件，工业级光固化打印机每层打印厚度范围为0.05~0.2mm，但是此次打印对精度要求并不高，切片厚度设为0.1mm每层即可，如无特殊要求，其他参数按照默认即可。

图7

2.2 模型打印

此次打印选用的打印机为工业级光固化打印机，开启打印机电脑后，打开电脑自带的打印机操作系统，对打印机参数和隔间温度湿度进行检查。确保打印机隔间温度湿度在正常范围内；激光功率在280~330kw之间；打印平台无异物；树脂槽液位在正常范围。各参数确认无误后，于打印机操作系统内倒入切片文件进行打印。

2.3打印后处理

1. 打印完成后，打印平台会上升至液面上，把挤牙膏器与万能牙膏盒盖模型铲下，放置平台上5~10分钟滤干模型上的树脂，再进行下一步操作。

2. 把滤干树脂的模型放置于装有工业酒精的容器内浸泡3~5分钟，待支撑软化后进行去支撑操作。

3. 去除支撑的模型进行初步酒精清洗，再放置于超声波清洗机内清洗，直至模型上残余树脂完全清洗干净。

4. 把清洗干净的模型放置于UV固化箱内进行再次固化，使模型质量更高，固化时长一般为15~20分钟。图8为挤牙膏器与万能牙膏盒盖成品。

图8

3 挤牙膏器与万能牙膏盒盖的安装使用

3.1 挤牙膏器与万能牙膏盒盖的安装

把卷轴卡槽卡紧牙膏尾部后，将其从挤牙膏器底座合缝处放置进去，在合适位置放置贴墙胶片，再把连同卷轴、牙膏和挤牙膏器底座“挂”上贴墙胶片卡槽。如果使用的牙膏盖子不是弹盖和翻盖等便捷盖子，可将其更换成万能牙膏盒盖配合使用。安装流程如图9所示。

图9

3.2 挤牙膏器与万能牙膏盒盖的使用

所有部件安装完成后，牙刷放置于牙膏下，手动旋转卷轴即可完成挤牙膏动作。牙膏使用完后，于底座上更新换新的牙膏即可继续使用。使用流程如图10所示。

图10