基于3D打印技術(shù)的卷煙包裝設(shè)計

陳芳銳 楊 璽 田 原

（云南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，云南 昆明 650000）

0 引言

3D 打印技術(shù)的本質(zhì)是一種基于原材料模型，通過某種定制材料噴塑成形的快速生成技術(shù)，該技術(shù)在相關(guān)研究領(lǐng)域又被簡稱為RP 技術(shù)，3D 打印技術(shù)在實際應(yīng)用中，其工作原理與噴墨打印機較為類似，均是以數(shù)字化建模為支撐。在完成對設(shè)計產(chǎn)品的外形與內(nèi)部結(jié)構(gòu)的構(gòu)建后，根據(jù)需求選擇不同的打印材料，按照分層印刷的方式，對設(shè)計產(chǎn)品進行構(gòu)造[1]。與常規(guī)的二維平面打印技術(shù)相比，該文提出的3D 打印技術(shù)集成了CAD 軟件繪圖功能，在CAM 終端的支撐，對材料外形進行生成。同時，該技術(shù)也可以與計算機設(shè)備或通信設(shè)備進行對接，在該條件下，可通過終端設(shè)備的多項操作對終端生成的產(chǎn)品外形進行細化處理，并在增材技術(shù)的協(xié)同作用下，降低或節(jié)約產(chǎn)品設(shè)計與打印的成本[2]?；谛睦韺W(xué)分析，精美的卷煙產(chǎn)品包裝設(shè)計也能夠使消費者更具購買欲望。

1 基于3D 打印技術(shù)的卷煙包裝設(shè)計方法

20世紀90年代中期是中國卷煙包裝新技術(shù)、新工藝以及新材料涌現(xiàn)最快、最多且最集中的變革時期。煙草包裝業(yè)出現(xiàn)了前所未有的繁榮景象，甚至形成“紙類包裝看煙包”的時尚。因此，以卷煙包裝設(shè)計作為分析研究的對象，探討其中的制作技術(shù)應(yīng)用與設(shè)計的關(guān)系，對其他包裝設(shè)計具有參考價值。卷煙包裝設(shè)計是產(chǎn)品設(shè)計中的關(guān)鍵部分，通過該設(shè)計不僅可以向消費者傳遞產(chǎn)品信息，而且還可以使消費者通過對包裝的視覺檢索掌握其相關(guān)知覺信息。在該文的研究中，將3D 打印技術(shù)應(yīng)用到卷煙包裝設(shè)計過程中，通過該方式，提高卷煙類產(chǎn)品外觀的美學(xué)價值，這也是提高產(chǎn)品附加值的關(guān)鍵手段。

1.1 基于3D 打印技術(shù)設(shè)計卷煙包裝支撐結(jié)構(gòu)

包裝設(shè)計的最終效果是以視覺的形式呈現(xiàn)，為了實現(xiàn)對卷煙包裝的有效設(shè)計與規(guī)劃，在該研究中，需要引進3D 打印技術(shù)對卷煙包裝的支撐結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。在設(shè)計過程中，應(yīng)明確“層次化制造、分層疊加設(shè)計”是該技術(shù)的革新點，因此，需要使用計算機技術(shù)對卷煙包裝外表進行掃描，并建立一個以X-Y-Z坐標軸為支撐的方支撐結(jié)構(gòu)，其中X軸與Y軸對應(yīng)表示為卷煙產(chǎn)品包裝的長度與寬度，Z軸對應(yīng)表示為卷煙產(chǎn)品包裝的厚度，在設(shè)計其支撐結(jié)構(gòu)時，需要在Z軸上間斷性地進行層面厚度位移，以該方式形成1 個針對卷煙產(chǎn)品的外部三維制件[3]。在該基礎(chǔ)上，采用多個截面反復(fù)疊加的方式，使多種原材料形成1 個實物制作件，并利用空間結(jié)構(gòu)將多個堆層疊加在一起，從而形成1 個卷煙產(chǎn)品外部包裝的基礎(chǔ)支撐結(jié)構(gòu)。為了確保支撐結(jié)構(gòu)在實際量產(chǎn)與投入使用中具有一定的穩(wěn)定性，需要在設(shè)計支撐結(jié)構(gòu)時，采用自上而下的堆疊方式制作3D 包裝截面的空腔區(qū)域，只有空間區(qū)域具有足夠的承載力，才能確保該結(jié)構(gòu)可以為卷煙產(chǎn)品提供應(yīng)用支撐。因此，該文將對基于3D打印技術(shù)的卷煙產(chǎn)品包裝支撐結(jié)構(gòu)進行描述，對應(yīng)的三維立體成像如圖1 所示。

圖1 卷煙產(chǎn)品包裝支撐結(jié)構(gòu)3D 立體成像

圖1 為卷煙產(chǎn)品包裝支撐結(jié)構(gòu)3D 立體成像多視圖，在繪制圖像時，融合了CAD 技術(shù)與CAM 技術(shù)，通過該方式可以初步掌握卷煙包裝的支撐部位結(jié)構(gòu)。在了解相關(guān)工作需求的同時，采用構(gòu)建結(jié)構(gòu)分層模型的方式，對其設(shè)計路徑進行初步規(guī)劃，以完成對卷煙包裝支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計。

1.2 設(shè)計卷煙包裝樣品尺寸與性能參數(shù)

為了使設(shè)計的卷煙包裝可以滿足產(chǎn)品投入市場的使用需求，需要了解該產(chǎn)品的綜合性能與消費者的綜合需求。因此，在完成卷煙包裝支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上，應(yīng)設(shè)計卷煙包裝樣品的尺寸與性能參數(shù)[4]?？紤]到卷煙產(chǎn)品屬于易燃品，因此在設(shè)計產(chǎn)品包裝時，應(yīng)考慮任意一個可能引起卷煙產(chǎn)品溫度波動的因素，在該設(shè)計理念下，可選擇溫控材料作為構(gòu)成卷煙包裝樣品的主要材料，利用該材料的隔熱性能設(shè)計樣品的包裝。利用該方式完成煙卷產(chǎn)品設(shè)計，使產(chǎn)品更加安全，降低產(chǎn)品由于受熱或受潮引起的變質(zhì)與損壞風(fēng)險。在確定卷煙產(chǎn)品的外包裝設(shè)計材料后，可結(jié)合卷煙產(chǎn)品的長度×寬度×高度，構(gòu)建1 個針對實物的樣品模型。定義長度×寬度×高度表示為L×W×H（其中3 個尺寸參數(shù)的所屬關(guān)系為H>L>W），將卷煙產(chǎn)品近似作為一種圓柱模型，此時可定義圓柱體結(jié)構(gòu)的直徑，將其表示為Y，Y在卷煙包裝中的尺寸分布可以表示為圖2。

按照上述圖2 所示的卷煙包裝尺寸，對樣品各項性能指標參數(shù)進行設(shè)定，如下表1 所示。

表1 卷煙樣品煙包裝性能指標參數(shù)

圖2 卷煙包裝尺寸

在完成卷煙樣品煙包裝性能指標參數(shù)的設(shè)計后，使應(yīng)卷煙產(chǎn)品高度與包裝模型應(yīng)呈現(xiàn)一種對等關(guān)系，多個卷煙產(chǎn)品在包裝外盒中應(yīng)呈現(xiàn)一種緊密排布關(guān)系，按照該設(shè)計理念，可得出下述2 個對等關(guān)系計算公式。

式中：γ表示為卷煙產(chǎn)品圓柱體結(jié)構(gòu)的直徑；γi表示為卷煙產(chǎn)品圓柱體結(jié)構(gòu)在包裝中累加i次后的直徑；x表示為包裝厚度。

由于該文設(shè)計的包裝屬于中空類型結(jié)構(gòu)，為了方便消費者使用，其采用的外層包裹為雙層結(jié)構(gòu)[5]。因此，對包裝中層結(jié)構(gòu)，可采用抽真空的方式，對其進行設(shè)計處理，以該方式，在卷煙產(chǎn)品包裝層形成有效的支撐結(jié)構(gòu)，也通過該設(shè)計，切斷外部對其的物理熱作用，避免卷煙產(chǎn)品與外界進行熱量傳遞，保證設(shè)計的包裝滿足消費者安全使用需求。

1.3 基于LOM 的卷煙包裝分層設(shè)計

在完成上述相關(guān)設(shè)計后，引進LOM 技術(shù)，對卷煙包裝進行分層設(shè)計，其中LOM 技術(shù)又被稱為層次化實體制造技術(shù)，在實際應(yīng)用中，可以根據(jù)終端計算機的三維模型輪廓，對每個包裝產(chǎn)品界面進行輪廓線的加工。并在終端計算機設(shè)備的調(diào)節(jié)與控制下，向終端卷煙包裝發(fā)出一個由激光控制的切割指令，確保在設(shè)計卷煙包裝時，前端的切割頭可以沿著X方向與Y方向進行有序移動。

在上文提出的過程中，材料供應(yīng)設(shè)備可以在供料端，將表層涂有熱熔膠的固體材料進行秩序化輸送。選擇的材料可以是金屬錫箔，也可以是與PLA 材料性能相關(guān)的材料，送料設(shè)備將通過秩序化移動的方式，將包裝材料輸送至生產(chǎn)臺上端[6]。與此同時，激光系統(tǒng)將采用常規(guī)的激光切割方式，對卷煙包裝的截面輪廓進行切割，其中二氧化碳激光束，可在固體壓片上進行初次塑封，當(dāng)前端完成對外部輪廓的封裝設(shè)計后，送料裝置將根據(jù)掃描端獲取的包裝厚度與要求厚度，進行持續(xù)送料，采用逐層累加的方式，使外包裝的厚度與實際要求相匹配，在達到設(shè)計的標準厚度后，液壓機啟動，將根據(jù)此時包裝的需求厚度，對完成多層疊加的厚度進行壓實，確保整體結(jié)構(gòu)具有一定穩(wěn)定性。通過該方式完成對卷煙包裝的分層設(shè)計。

1.4 卷煙包裝成形與精細加工

在上文提出相關(guān)工作的基礎(chǔ)上，需要對卷煙包裝進行成形處理與精細化加工，為了滿足該設(shè)計要求，在此步驟設(shè)計工作中，引進SLA 技術(shù)，即立體光學(xué)固化成形技術(shù)。在設(shè)計過程中，使用紫光燈對包裝材料進行聚集照射，此時表層的液體流動層將受到光感影響，形成一個表層樹脂，此種外層只有在紫光燈下可表現(xiàn)出顏色，因此，通過該方式，也可以確保設(shè)計的外包裝為正版。

在該基礎(chǔ)上，將聚集的樹脂層在計算機終端進行圖像化處理，即根據(jù)設(shè)計過程中的美學(xué)需求，進行包裝圖案的設(shè)計與規(guī)劃。在該過程中，可引進CAD 輔助繪圖技術(shù)，在計算機上進行包裝圖案的調(diào)整（包括旋轉(zhuǎn)、平移、剪切、重疊等），將設(shè)計的圖案在計算機通信端進行傳輸，以此完成對卷煙包裝單層材料的圖形化[7]。為了確保疊加的多層圖形可在包裝上呈現(xiàn)一種更加直觀的視覺效果，需要在塑封與疊加過程中，精準控制邊緣的尺寸，避免由于疊加行為實施不到位導(dǎo)致的圖形化效果不佳。

按照上文提出的方式，對卷煙包裝進行多次處理，直到包裝表層成形，此時，需要將設(shè)計后成形的包裝材料，放置在配置完成的化學(xué)試劑或溶液中，清洗表層上多余的樹脂材料。完成清洗后，將材料從溶液中取出，再次使用紫光燈對其進行照射，以此確保包裝表層圖案的二次固化。在該基礎(chǔ)上，使用3DP 技術(shù)（三維印刷黏貼技術(shù)），將不同面層的包裝結(jié)構(gòu)進行連接，連接過程如下。

首先，將卷煙包裝通過水平壓輥的方式，平鋪在打印處理臺上，選擇與包裝顏色相同的對接墨水，從終端通過加壓的方式，將其傳輸?shù)角岸舜蛴○べN臺上，在豎直方向上，在包裝的邊緣有序涂抹膠水。其次，由計算機控制的輸送臺，對包裝邊緣進行對接，完成對接后，通過激光熔融的方式，將包裝邊緣進行黏結(jié)。最后，將設(shè)計的樣品傳送到人工處理區(qū)域，由專業(yè)的質(zhì)檢人員，對完成設(shè)計的卷煙包裝成品進行質(zhì)量校驗，通過檢驗的包裝盒便可以被作為生產(chǎn)模具，投入生產(chǎn)線對其進行量產(chǎn)[8]?？傊?，在設(shè)計卷煙包裝時，需要結(jié)合多項技術(shù)的應(yīng)用原理與美學(xué)認知，對包裝進行設(shè)計，只有滿足消費群體需求的卷煙包裝，才能在投入市場后，被消費者接納。

2 實例應(yīng)用分析

該文對3D 打印技術(shù)的卷煙包裝設(shè)計方法進行了研究，并從理論層面驗證了提出的包裝方法，在實際應(yīng)用中具有一定的可靠性。但在該過程中，考慮到市場卷煙產(chǎn)品消費群體對包裝的需求是隨機的，因此，要檢驗設(shè)計的包裝方法是否合理，還需要在完成設(shè)計后，通過實驗論證分析的方式，對該文設(shè)計的方法進行實踐驗證。為了確保該實驗的真實有效，隨機選擇某地區(qū)煙草生產(chǎn)單位作為實驗的試點單位，在與生產(chǎn)單位簽訂合作協(xié)議后，對煙草企業(yè)內(nèi)現(xiàn)有的卷煙生產(chǎn)線進行抽查。通過該方式，確保選定的煙草企業(yè)具有參與實驗的資質(zhì)。

在完成上述相關(guān)工作后，調(diào)派實驗人員與煙草企業(yè)生產(chǎn)人員進行現(xiàn)場溝通，由生產(chǎn)人員的反饋可知，生產(chǎn)線內(nèi)存在4 種卷煙產(chǎn)品的市場銷量較差，4 種卷煙產(chǎn)品分別對應(yīng)卷煙產(chǎn)品A、卷煙產(chǎn)品B、卷煙產(chǎn)品C、卷煙產(chǎn)品D。而通過實驗人員的現(xiàn)場研究后，4 種卷煙產(chǎn)品的外包裝仍沿用十年前的包裝紋樣，并沒有設(shè)計單位對其包裝紋樣進行創(chuàng)新，而消費者對該卷煙包裝已存在一定的厭倦心理，甚至部分卷煙產(chǎn)品的外包裝過于簡陋，已無法給予消費者更加良好的視覺體驗，更無法刺激需求群體的消費。針對該問題，在此次實驗中，將采用基于3D 打印技術(shù)的卷煙包裝設(shè)計方法，結(jié)合市場銷量較差的4 種卷煙產(chǎn)品特點，對其進行包裝設(shè)計與規(guī)劃。設(shè)計過程如下圖3 所示。

圖3 卷煙產(chǎn)品包裝設(shè)計流程

按照上述圖中表述流程，設(shè)計4 種不同的卷煙產(chǎn)品包裝，并在完成對其的包裝設(shè)計后，將設(shè)計成果與包裝生產(chǎn)車間工作進行對接，按照設(shè)計的模板，對此包裝進行量產(chǎn)。量產(chǎn)后分批次發(fā)放到煙草市場。此時，需要調(diào)派市場調(diào)研人員，對卷煙產(chǎn)品發(fā)放廠家進行數(shù)據(jù)調(diào)查，獲取卷煙產(chǎn)品在經(jīng)過外包裝重新設(shè)計后的銷售額度。將調(diào)研人員反饋的數(shù)據(jù)，作為此次實驗的結(jié)果，統(tǒng)計實驗結(jié)果，將其繪制成表格，如下表2 所示。

表2 煙草市場銷售數(shù)據(jù)反饋結(jié)果

結(jié)合煙草市場銷售數(shù)據(jù)反饋結(jié)果可知，卷煙產(chǎn)品包裝發(fā)生設(shè)計變更后，批次產(chǎn)品的銷售額相比早期銷售額呈現(xiàn)一種翻倍增長的趨勢，并且隨著產(chǎn)品的持續(xù)投入市場，產(chǎn)品銷售額持續(xù)增加。綜合上述分析，得出此次實例應(yīng)用分析的最終結(jié)論：該文提出的基于3D 打印技術(shù)的卷煙包裝設(shè)計方法，在實際應(yīng)用中，可滿足消費者對卷煙產(chǎn)品外包裝的需求，從而促進群體消費。因此，設(shè)計與生產(chǎn)后期的卷煙產(chǎn)品時，加大對該文提出方法的應(yīng)用，以該方式，使設(shè)計的產(chǎn)品對接消費者需求，推進我國煙草行業(yè)在經(jīng)濟市場內(nèi)發(fā)展，為相關(guān)包裝生產(chǎn)企業(yè)的建設(shè)指示方向。

3 結(jié)語

為了進一步滿足消費者的需求，該文引進3D打印技術(shù)，對卷煙包裝設(shè)計方法展開研究，此次研究分別從卷煙包裝支撐結(jié)構(gòu)、卷煙包裝樣品尺寸與性能參數(shù)、卷煙包裝分層設(shè)計、卷煙包裝成形與精細加工4 個方面入手，在完成該文方法的設(shè)計后，采用實例應(yīng)用的方式，對該方法的實用性與市場價值進行實踐分析。經(jīng)過市場調(diào)研，根據(jù)實踐反饋數(shù)據(jù)可知，通過卷煙產(chǎn)品的包裝設(shè)計變更，促進消費者群體的購買欲望，從而達到一種刺激消費與提高產(chǎn)業(yè)收益的目的。因此，可在后期的深入研究中，嘗試將該文設(shè)計的方法，應(yīng)用到相關(guān)包裝生產(chǎn)行業(yè)中，以此證明該方法具有更廣的市場應(yīng)用范圍。