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基于RP技术的创新包装设计
2012-11-15 20:05:34 作者：来源：评论：0 点击：

　　一、引言
　　时代的发展要求包装设计在满足特定功能的前提下标新立异，不断创新，而成本效益是衡量一种创新是否具有生命力的标准之一，是开发一切产品的基本要求，因为没有成本效益就没有产品在商业上的成功。包装产品当然也不例外。我们知道，在设计行为中，产品成型初始阶段的概念设计是产品设计极为重要的阶段，它所消耗的时间和费用约占60%～70%。因此，如何提高该阶段的设计质量，将直接影响产品设计周期和成本效益。
　　传统的CAD手段不但要求设计者具有专家的知识，并且要通晓产品设计细节，产品设计一开始就试图进入详细产品设计阶段。这种详细产品设计的方式往往在整个设计方案出台前要经多次修改，花费很长时间，且用户也只能在产品彻底成型后才能了解产品的各方面性能。这样显然不利于产品设计周期长和成本高。再者当前CAD环境中人机界面大多采用图形用户界面、二维鼠标和键盘的形式，不把人的参与真正考虑进去，这就从某个角度上抑制了人的积极性和创造性，影响创新。因此人们需要不断地寻求更佳手段去完善现有的设计与加工过程，确保产品创新设计的活力。
　　二、快速成型技术的原理及特点
　　快速成型技术RP（Rapid Prototyping）是20世纪90年代迅速发展起来的一种高新技术，它基于逐层材料添加的原理，由CAD数据直接驱动生成实体模型或零件。RP技术本质在于被加工对象的几何拓补关系，通过CAD模型加以描述和确定，高散处理得到驱动工具和材料的数控指令，利用RP技术的设备完成成型制造。该技术具有鲜明特点是：可快速生产模型或制件，周期短，成本低；对制件的复杂性几乎无任何限制；制作过程中不用模具、夹具、刀具，不需任何机械加工。下面就目前比较成熟可用于工业领域的RP技术原理做一介绍。
　　1.立体平版印刷SL（Stero-lithography）或光固化成型立体平版印刷技术原理即由软件对CAD创建的三维数据进行平面分层，得到每一层的截面形状，用一定波长的紫外线激光束按每个切层的二维截面形状对液态光固化树脂进行扫描，从而形成一层特定形状的固化层。由于存在一定的固化深度，每层固化后粘在以前的固化层上（最初的一层粘在升降平台上表面），然后升降台下沉一个分层厚度（0.01～0.02mm），再进行新一层成形。这样激光束照射一层，固化一层，粘结一层，下沉一层，最终堆砌起来的固化物即为根据CAD数据所设计的三维模型实体。其成型材料为光固化树脂。若用热固化树脂代替，用激光束扫描液面，在激光点的热作用下产生热聚合固化，也可得到据CAD所设计的三维模型实体。两种树脂固化前为液体，均有流动、可塑、易涂布的特点，但光固化树脂能在常温下操作、保存时稳定、固化时间短且搭接性能好，因此光固化技术必将迅速发展。产品作为实用样品使用时，由于现有树脂的机械性能所限，不能用于制造承受负荷大、有交变应力以及磨擦力大的产品。为提高材料的机械性能，目前采取使用硅酮橡胶材料及高性能的聚氨脂系材料的方法。
　　成型精度是RP技术在工业应用上的关键问题之一。在SL过程中，树脂固化收缩特性、固化深度、涂层质量、激光扫描线宽、扫描误差及CAD模型网络化等因素均影响成型精度。
　　2.分层物体制造LOM（Lominated Object Manufacturing）分层物体制造技术是采用激光束和薄层材料（纸片、塑料薄膜或复合材料等）生成任意形状三维物体的方法。即工作开始时，上料卷筒把原料平铺在工作台的基面上，热压滚筒将料压平并粘在底层上，二维数控激光切割头的激光束，按计算机数据系统给出的信息指令，切出工件的截面形状，并把周围多余材料切碎。然后工作台下降一个层厚的高度，上料卷筒再铺新层。如此反复逐层粘切，直到工件制造出来为止。
　　3.熔融淀积成型FDM（Fused Deposition Modeling）熔融淀积成型是采用电加热和热塑材料在计算机控制下快速成型的方法，其系统由数控喷头、可升降工作台和供料装置组成，以半流体状或线状熔融的热塑材料为成型原料（如：ABS塑料、铸造蜡、橡胶等）。即工作开始，工作台处于高位，原料通过喷头加热熔融后，按计算机的控制指令连续挤喷在选定的区域（即工件的截面）上，随之冷却固化成型。工作台下降一个层厚的高度，再挤喷第二层，如此反复直到工件全部成型。
　　4.选择性激光烧结SLS（Selective Laser Sintering）选择性激光烧结技术与SL技术相似，也用激光束扫描各层材料，但用粉末（塑料粉、金属粉、陶瓷粉）代替液体聚合物。粉末被预热到稍低于其熔点的温度，然后采用激光扫描加热粉末至其烧结温度，从而把它和基体材料连结一起，未被激光扫描的粉末仍留在原处。烧结好一层后将工作台下降一层高度，再烧结长二层，直到制造出整个制件。由于未烧结的粉末围绕未烧结好的零件，对它有一支撑作用，所以制作中不需复杂的支撑系统。
　　选择性激光烧结系统中，激光器种类、激光扫描形式、计算机切片薄层厚度、激光扫描器的计算机控制以及粉末材料的选择均影响工件的成型精度和性能。大多数粉末在烧结时会发生收缩，结果是引起内部残余应力并发生应变变形，影响精度。粉末颗粒的粗细也会影响制件的表面质量。陶瓷粉经激光烧结成型后，为提高其机械性能和耐热性能，必须进行后置处理，即烧结好的陶瓷坯体放入温控炉，在较高的温度下进行烧制。
　　三、RP技术用于创新包装设计与加工
　　包装设计包括结构设计、造型设计与装潢设计。其中结构设计主要解决科学性和技术性的问题，体现了容装性、�；ば院头奖阈�；造型设计是运用美学法则（点、线、面、体等各种形态要素的规律）对包装的立体外观所进行的艺术设计，主要解决艺术性和心理性的问题，体现显示性与陈列性。二者相辅相成但又相对独立。包装结构设计是包装造型设计的基础，不同的结构设计对包装的外观有直接的影响，每一创新结构设计同时也要求有一创新的造型与之配合。同一结构设计可以配合不同的外观设计，但不能以外观设计为基础来改变结构设计。造型的表现手法灵活多样，可促进结构设计适度调整。尤其对于包装制品中的异形化妆品瓶、异形调味品瓶可以是除普通圆形瓶以外的各种形状的多面体、椭圆柱体、多种旋转体的组合以及其它艺术造型。这类容器外观各异，更新换代迅速，在设计时更要非常注重结构与造型的创新。同时应考虑到其结构复杂、受力不佳、瓶壁厚、模具设计制造特殊、生产效率低、不适合于自动化生产，生产及运输成本均比较高等问题。传统包装CAD三维模型并不能给这类设计与加工以充分的空间及便利，而RP技术以其鲜明的特点在此方面有显著优势，现就将RP技术用于创新包装设计与制造的模式做如下探讨。
　　1.创新包装设计
　　在新产品开发阶段，设计者借助于图纸或计算机模拟的手段对包装产品的结构、造型进行表达和展示是不够直观的，不利于做出正确的判断与修改，有碍于及时获得市场反馈信息。若采用RP技术与设备，其制�；恍璐罅康陌沧胺延煤透呱畹闹圃旃ひ罩叮谏杓剖夷诰涂裳杆倭鄣靥峁┤堤迥Ｐ汀⒅谱餮罚┥杓普咧惫鄄饬俊⒔邮苡没У闹苯悠兰�，同时可迅速做出结构造型上的反复修改，成本不高。即使设计符合预期结构、造型和功能要求，又大大缩短了新产品设计周期和市场评估周期，因而能使产品更易快速投产，提前占领市场。据统计，快速成型制品有43%用于确认设计。
　　2.包装制品加工
　　由于RP技术不受容器结构复杂程度的限制，加工速度快，可直接实现塑料、陶瓷包装容器的单件生产。也可用于制造模具，供塑料、陶瓷容器成型使用。模具制造分为间接制模与直接制模两种方法。间接制模即先用RP技术制造产品母模，然后据母模生产塑料或金属件的模具。如：可据母模复制硅橡胶模生产金属件、塑料件或注射模，或据母模复制硬环氧树脂靠模，制造注射模。也可用母模代替木模制造砂模，生产注射模或金属件。或用RP模进行熔模铸造等。直接制模中主要采用选择性激光烧结（SLS）直接制作金属模具。将金属粉末用易消失性聚合物包覆，通过选择性激光烧结得到金属粘结实体，再将树脂在一定温度下分解消失，然后使成型的金属粉末在高温下烧结而得到金属的烧结件。这种烧结往往是低密度的多孔状结构，可以渗入第二相熔点较低的金属后直接形成金属模具。用这种方法制作的钢铜合金注射模，寿命可达5万件以上。
　　四、结束语
　　包装设计是一种动态的设计活动，其生命力在于不断创新。特别是在商品竞争激烈的形势下，包装设计的时间性问题尤为突出。RP技术正因其鲜明的特点及优势能满足迅速变化的市场需要，成为实现创新设计的有效手段，其前景相当广阔。当然由于RP技术尚处于发展阶段，产品的成型精度和机械性能均有待于进一步提高。目前世界上美国应用RP技术及设备最多，其次是欧共体、日本。我国1996年统计已进口各类成型机12台，1997年在中国国际机床展览会上，国产的AFS-300型SL成型机及F-260型FDM成型机展出。这标志我国RP技术与设备已进入实用化阶段并将形成产业。因此，研究探讨将快速成型技术用于创新包装设计与制造是很有现实意义的。

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