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(guò)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(jiǎn)稱為RP 技術(shù)，3D 打印技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中，其工作原理與噴墨打印機(jī)較為類似，均是以數(shù)字化建模為支撐。在完成對(duì)設(shè)計(jì)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(duì)設(shè)計(jì)產(chǎn)品進(jìn)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(duì)材料外形進(jìn)行生成。同時(shí)，該技術(shù)也可以與計(jì)算機(jī)設(shè)備或通信設(shè)備進(jìn)行對(duì)接，在該條件下，可通過(guò)終端設(shè)備的多項(xiàng)操作對(duì)終端生成的產(chǎn)品外形進(jìn)行細(xì)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(jì)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(jì)也能夠使消費(fèi)者更具購(gòu)買欲望。

1 基于3D 打印技術(shù)的卷煙包裝設(shè)計(jì)方法

20世紀(jì)90年代中期是中國(guó)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(shí)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(shí)尚。因此，以卷煙包裝設(shè)計(jì)作為分析研究的對(duì)象，探討其中的制作技術(shù)應(yīng)用與設(shè)計(jì)的關(guān)系，對(duì)其他包裝設(shè)計(jì)具有參考價(jià)值。卷煙包裝設(shè)計(jì)是產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵部分，通過(guò)該設(shè)計(jì)不僅可以向消費(fèi)者傳遞產(chǎn)品信息，而且還可以使消費(fèi)者通過(guò)對(duì)包裝的視覺(jué)檢索掌握其相關(guān)知覺(jué)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(jì)過(guò)程中，通過(guò)該方式，提高卷煙類產(chǎn)品外觀的美學(xué)價(jià)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(jì)卷煙包裝支撐結(jié)構(gòu)

包裝設(shè)計(jì)的最終效果是以視覺(jué)的形式呈現(xiàn)，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)卷煙包裝的有效設(shè)計(jì)與規(guī)劃，在該研究中，需要引進(jìn)3D 打印技術(shù)對(duì)卷煙包裝的支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)明確“層次化制造、分層疊加設(shè)計(jì)”是該技術(shù)的革新點(diǎn)，因此，需要使用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)卷煙包裝外表進(jìn)行掃描，并建立一個(gè)以X-Y-Z坐標(biāo)軸為支撐的方支撐結(jié)構(gòu)，其中X軸與Y軸對(duì)應(yīng)表示為卷煙產(chǎn)品包裝的長(zhǎng)度與寬度，Z軸對(duì)應(yīng)表示為卷煙產(chǎn)品包裝的厚度，在設(shè)計(jì)其支撐結(jié)構(gòu)時(shí)，需要在Z軸上間斷性地進(jìn)行層面厚度位移，以該方式形成1 個(gè)針對(duì)卷煙產(chǎn)品的外部三維制件[3]。在該基礎(chǔ)上，采用多個(gè)截面反復(fù)疊加的方式，使多種原材料形成1 個(gè)實(shí)物制作件，并利用空間結(jié)構(gòu)將多個(gè)堆層疊加在一起，從而形成1 個(gè)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(shí)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(jì)支撐結(jié)構(gòu)時(shí)，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(duì)基于3D打印技術(shù)的卷煙產(chǎn)品包裝支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述，對(duì)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(shí)，融合了CAD 技術(shù)與CAM 技術(shù)，通過(guò)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(shí)，采用構(gòu)建結(jié)構(gòu)分層模型的方式，對(duì)其設(shè)計(jì)路徑進(jìn)行初步規(guī)劃，以完成對(duì)卷煙包裝支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

1.2 設(shè)計(jì)卷煙包裝樣品尺寸與性能參數(shù)

為了使設(shè)計(jì)的卷煙包裝可以滿足產(chǎn)品投入市場(chǎng)的使用需求，需要了解該產(chǎn)品的綜合性能與消費(fèi)者的綜合需求。因此，在完成卷煙包裝支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，應(yīng)設(shè)計(jì)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(jì)產(chǎn)品包裝時(shí)，應(yīng)考慮任意一個(gè)可能引起卷煙產(chǎn)品溫度波動(dòng)的因素，在該設(shè)計(jì)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(jì)樣品的包裝。利用該方式完成煙卷產(chǎn)品設(shè)計(jì)，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(xiǎn)。在確定卷煙產(chǎn)品的外包裝設(shè)計(jì)材料后，可結(jié)合卷煙產(chǎn)品的長(zhǎng)度×寬度×高度，構(gòu)建1 個(gè)針對(duì)實(shí)物的樣品模型。定義長(zhǎng)度×寬度×高度表示為L(zhǎng)×W×H（其中3 個(gè)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(shí)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(duì)樣品各項(xiàng)性能指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，如下表1 所示。

表1 卷煙樣品煙包裝性能指標(biāo)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(biāo)參數(shù)的設(shè)計(jì)后，使應(yīng)卷煙產(chǎn)品高度與包裝模型應(yīng)呈現(xiàn)一種對(duì)等關(guān)系，多個(gè)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(jì)理念，可得出下述2 個(gè)對(duì)等關(guān)系計(jì)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(jì)的包裝屬于中空類型結(jié)構(gòu)，為了方便消費(fèi)者使用，其采用的外層包裹為雙層結(jié)構(gòu)[5]。因此，對(duì)包裝中層結(jié)構(gòu)，可采用抽真空的方式，對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)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(guò)該設(shè)計(jì)，切斷外部對(duì)其的物理熱作用，避免卷煙產(chǎn)品與外界進(jìn)行熱量傳遞，保證設(shè)計(jì)的包裝滿足消費(fèi)者安全使用需求。

1.3 基于LOM 的卷煙包裝分層設(shè)計(jì)

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

在上文提出的過(guò)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(jìn)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(guò)秩序化移動(dòng)的方式，將包裝材料輸送至生產(chǎn)臺(tái)上端[6]。與此同時(shí)，激光系統(tǒng)將采用常規(guī)的激光切割方式，對(duì)卷煙包裝的截面輪廓進(jìn)行切割，其中二氧化碳激光束，可在固體壓片上進(jìn)行初次塑封，當(dāng)前端完成對(duì)外部輪廓的封裝設(shè)計(jì)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(jìn)行持續(xù)送料，采用逐層累加的方式，使外包裝的厚度與實(shí)際要求相匹配，在達(dá)到設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)厚度后，液壓機(jī)啟動(dòng)，將根據(jù)此時(shí)包裝的需求厚度，對(duì)完成多層疊加的厚度進(jìn)行壓實(shí)，確保整體結(jié)構(gòu)具有一定穩(wěn)定性。通過(guò)該方式完成對(duì)卷煙包裝的分層設(shè)計(jì)。

1.4 卷煙包裝成形與精細(xì)加工

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

在該基礎(chǔ)上，將聚集的樹(shù)脂層在計(jì)算機(jī)終端進(jìn)行圖像化處理，即根據(jù)設(shè)計(jì)過(guò)程中的美學(xué)需求，進(jìn)行包裝圖案的設(shè)計(jì)與規(guī)劃。在該過(guò)程中，可引進(jìn)CAD 輔助繪圖技術(shù)，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)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(jì)的圖案在計(jì)算機(jī)通信端進(jìn)行傳輸，以此完成對(duì)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(jué)效果，需要在塑封與疊加過(guò)程中，精準(zhǔn)控制邊緣的尺寸，避免由于疊加行為實(shí)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(duì)卷煙包裝進(jìn)行多次處理，直到包裝表層成形，此時(shí)，需要將設(shè)計(jì)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(shù)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(duì)其進(jìn)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(jìn)行連接，連接過(guò)程如下。

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

2 實(shí)例應(yīng)用分析

該文對(duì)3D 打印技術(shù)的卷煙包裝設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了研究，并從理論層面驗(yàn)證了提出的包裝方法，在實(shí)際應(yīng)用中具有一定的可靠性。但在該過(guò)程中，考慮到市場(chǎng)卷煙產(chǎn)品消費(fèi)群體對(duì)包裝的需求是隨機(jī)的，因此，要檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的包裝方法是否合理，還需要在完成設(shè)計(jì)后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)論證分析的方式，對(duì)該文設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行實(shí)踐驗(yàn)證。為了確保該實(shí)驗(yàn)的真實(shí)有效，隨機(jī)選擇某地區(qū)煙草生產(chǎn)單位作為實(shí)驗(yàn)的試點(diǎn)單位，在與生產(chǎn)單位簽訂合作協(xié)議后，對(duì)煙草企業(yè)內(nèi)現(xiàn)有的卷煙生產(chǎn)線進(jìn)行抽查。通過(guò)該方式，確保選定的煙草企業(yè)具有參與實(shí)驗(yàn)的資質(zhì)。

在完成上述相關(guān)工作后，調(diào)派實(shí)驗(yàn)人員與煙草企業(yè)生產(chǎn)人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)銷量較差，4 種卷煙產(chǎn)品分別對(duì)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(guò)實(shí)驗(yàn)人員的現(xiàn)場(chǎng)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(méi)有設(shè)計(jì)單位對(duì)其包裝紋樣進(jìn)行創(chuàng)新，而消費(fèi)者對(duì)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(guò)于簡(jiǎn)陋，已無(wú)法給予消費(fèi)者更加良好的視覺(jué)體驗(yàn)，更無(wú)法刺激需求群體的消費(fèi)。針對(duì)該問(wèn)題，在此次實(shí)驗(yàn)中，將采用基于3D 打印技術(shù)的卷煙包裝設(shè)計(jì)方法，結(jié)合市場(chǎng)銷量較差的4 種卷煙產(chǎn)品特點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行包裝設(shè)計(jì)與規(guī)劃。設(shè)計(jì)過(guò)程如下圖3 所示。

圖3 卷煙產(chǎn)品包裝設(shè)計(jì)流程

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

表2 煙草市場(chǎng)銷售數(shù)據(jù)反饋結(jié)果

結(jié)合煙草市場(chǎng)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(jì)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(zhǎng)的趨勢(shì)，并且隨著產(chǎn)品的持續(xù)投入市場(chǎng)，產(chǎn)品銷售額持續(xù)增加。綜合上述分析，得出此次實(shí)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(jì)方法，在實(shí)際應(yīng)用中，可滿足消費(fèi)者對(duì)卷煙產(chǎn)品外包裝的需求，從而促進(jìn)群體消費(fèi)。因此，設(shè)計(jì)與生產(chǎn)后期的卷煙產(chǎn)品時(shí)，加大對(duì)該文提出方法的應(yīng)用，以該方式，使設(shè)計(jì)的產(chǎn)品對(duì)接消費(fèi)者需求，推進(jìn)我國(guó)煙草行業(yè)在經(jīng)濟(jì)市場(chǎng)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(yǔ)

為了進(jìn)一步滿足消費(fèi)者的需求，該文引進(jìn)3D打印技術(shù)，對(duì)卷煙包裝設(shè)計(jì)方法展開(kāi)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(jì)、卷煙包裝成形與精細(xì)加工4 個(gè)方面入手，在完成該文方法的設(shè)計(jì)后，采用實(shí)例應(yīng)用的方式，對(duì)該方法的實(shí)用性與市場(chǎng)價(jià)值進(jìn)行實(shí)踐分析。經(jīng)過(guò)市場(chǎng)調(diào)研，根據(jù)實(shí)踐反饋數(shù)據(jù)可知，通過(guò)卷煙產(chǎn)品的包裝設(shè)計(jì)變更，促進(jìn)消費(fèi)者群體的購(gòu)買欲望，從而達(dá)到一種刺激消費(fèi)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(jì)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(chǎng)應(yīng)用范圍。