新時代下的包裝設計系統開發

■ 文/彭國勛、王作雨、姜文劍

（1、陜西科技大學；2、青島科力特信息技術有限公司；3、北京策運包裝科技有限公司）

進入新時代的包裝設計系統開發，企業當前急需解決的最迫切問題可歸納為六個字：成本、質量、綠色。《中國制造2025》中對示范企業提出的成本、質量、和綠色具體要求是：在2020年時，運營成本要比2015年降低30%；2050年時，運營成本要降低50%。制造業質量競爭力指數12項指標要比2015年，提升1至2個百分點。綠色發展各項指標要大幅度改善。大數據、先進算法、和云計算為解決這些問題創造了條件。要實現這些指標絕非易事，需要在包裝系統設計的各個環節充分采用最先進的仿真分析技術、三維二維優化技術、智能數據庫和柔性計算技術等等，進行大量計算和綜合評價，找到更合理的解決方案。

《緩沖包裝動力學》、《物流運輸包裝設計》、《瓦楞包裝設計》、《機電產品木包裝系統設計》等參考文獻已經從理論基礎上對包裝的成本、質量、和綠色等的數據與算法等問題做了系統闡述，但現場包裝技術人員更加迫切希望有能解決包裝系統設計的成熟軟件，可以快速而高水平的解決企業目前最急需解決的問題。

筆者在為多家包裝企業（涉及紙箱、泡沫制品、塑料制品及木制品）及物流企業擔任顧問期間，根據企業眾多產品的需求，陸續合作開發出由多個獨立模塊組成的《整體包裝設計系統》，如圖1所示。目前已經相繼開發出的模塊已經有15個，并且在一些企業得到成功應用。

圖1 整體包裝設計系統

圖2 標準三維包裝圖樣

軟件的平臺選用帶有限元分析模塊的Solidedge或UG的先進三維造型軟件，可輸出按《GB/T 13385-2008 包裝圖樣要求》的三維裝配圖樣，如圖2所示。便于判別組成包裝系統的內裝物、內包裝、包裝容器、和捆扎帶等是否相互干涉或間隙過大，實現尺寸優化；三維圖形又為后續的有限元強度與剛度分析提供了前提，滿足包裝系統最大程度降低運營成本、符合客戶貨損、以及評估綠色環保指標等的定量分析要求。目前市場上常用的繪制二維圖的CAD軟件，難以滿足上述全部要求。

《整體包裝設計系統》中的外包裝，包括托盤、圍板箱、常用木箱、快裝箱、和卡扣箱等5個模塊，是根據無錫前程工業包裝有限公司現有產品的需求聯合開發的，并申請了知識產權。該系統只需輸入產品的外形尺寸要求與構件尺寸，便可以快速生成客戶與生產所需的木包裝系統的三維圖、二維工程圖、BOM表、工藝單、下料單、和核價單等。例如，圖3(a)表示當輸入快裝箱的基本參數后，馬上便可便可自動按標準要求生成包含舌片位置與鋼邊尺寸等在內的三維圖與工程圖，大大節約了設計時間，同時為生產線提供了數據，保證設計的準確無誤與高質量。需要時也可進行有限元分析，獲得成本最低的設計。圖3(b)是一個快裝箱的堆碼、起吊、叉舉等有限元分析案例。

中國包裝聯合會曾在北戴河舉辦過中日韓共同制定的《包裝用框架木箱亞洲統一標準：2007》的培訓班。該標準內裝物的質量可達60噸。亞洲標準基本參考日本標準《JIS Z1403-2012 枠組箱の構造》，共計79頁，約40萬字，利用梁彎曲與壓桿穩定性歐拉公式等結構力學公式和長期的工程經驗數據，給出了木板封閉箱1A、膠合板封閉箱2A、花格箱3A等三種類型的全部構件的尺寸計算方法、數據、和圖表。經培訓后的包裝技術人員，可以在幾天內完成一種工況框架木箱的構件尺寸計算、框架木箱的工程圖繪制與BOM表編制等工作。該標準的算法基本滿足一般工程設計需要，具有較大實用意義。最近參考亞洲標準修改的《GB/T 7284-2016 框架木箱》內裝物的質量是40噸。但是，這些標準的堆碼載荷假定為3種均布載荷，枕木均勻分布，不能進行起吊分析計算，有些構件仍然是經驗數據，計算與繪圖時間較長，難以進行優化分析等等。《整體包裝設計系統》中的框架木箱模塊圖4（a），給出了嚴格按《包裝用框架木箱亞洲統一標準：2007》開發的框架木箱設計軟件和算法與數據庫，解決了框架木箱設計能在幾秒鐘即可完成計算與設計問題，而且不會出錯。某物流企業前不久曾接到煙臺的一家企業的任務，要求在一周之內把335臺大型設備框架木箱設計出來，并給出報價。這一看似在如此短時間內無法完成的任務，某物流企業利用圖4（a）所示框架木箱設計軟件模塊，不到兩天就向客戶提交了幾百套框架木箱圖紙及報價，贏得數百萬的訂單。框架木箱設計軟件模塊輸出的三維模型，也可以完成各種有限元分析，彌補了亞洲標準的上述不足。圖4(b)就是框架木箱多層堆碼的一個分析案例，該軟件為進一步優化設計創造了條件。

圖3 快裝箱的設計模塊界面

圖4 按《包裝用框架木箱亞洲統一標準：2007》開發的框架木箱設計軟件

國內曾引進了Artios、Kasemake等紙箱設計軟件，主要用于電腦打樣，均不具備進行強度設計等優化降本等功能。《整體包裝設計系統》中的紙箱FEFCO設計模塊不僅能完成一般軟件的繪圖等功能，如圖5(a)所示，還能根據物流環境條件按圖5 (b)所示進行強度分析，解決了經常出現的紙箱多層堆碼踏垛等貨損問題，可以做到成本最低。利用這一軟件，解決降低運營成本10%～20%的問題不難，經過進一步努力和其它方案優化，有望解決解決降低運營成本30%～50%的問題。

異型包裝結構和鐵箱兩個模塊具備一些企業的特殊產品要求，通用化的開發還有待進一步與企業合作研究開發。

根據所顧問的企業的產品需求，《整體包裝設計系統》中的內包裝設計只開發了緩沖包裝、防潮包裝、和防銹包裝等三個模塊。

圖5 紙箱FEFCO設計模塊

圖6 緩沖包裝設計模塊

緩沖包裝對于家電包裝系統的降本格外重要。圖6給出了《緩沖包裝》模塊的界面，只需輸入緩沖墊型式、厚度、跌落高度、緩沖材料動態緩沖性、產品尺寸、重量、和脆值等原始數據，便可自動算出6個跌落方向的沖擊加速度。如果沖擊加速度小于或等于脆值，緩沖墊尺寸即符合自由跌落要求。否則就需調整緩沖墊尺寸，進行反復計算。一般只需花幾秒鐘，即可反復計算幾次，即能獲得最佳緩沖墊尺寸。緩沖包裝算法的核心是需要把緩沖材料動態緩沖性按能量法進行處理。

《防潮包裝》模塊界面如圖7所示，其算法采用了《GB/T 5048-2017 防潮包裝》中參考德國標準中的公式。軟件使得防潮包裝設計既快捷而又十分準確，可以大大節約包裝成本。

圖7 防潮包裝模塊界面

圖8 防銹包裝模塊界面

圖9 6種不同尺寸貨物裝COSCO 40集裝箱時的結果

《防銹包裝》模塊界面如圖8所示，其算法參考美國等有技術數據的防銹材料生產商的數據和準則。對于一個產品的不同被防銹表面，一般最好采用具有不同功能的不同的防銹材料。

包裝企業下料損耗在運營成本中占有一定比例，因此，《整體包裝設計系統》中專門開發了原材料《下料優化》模塊。

為了與包裝尺寸優化相配合，專門開發了《裝柜（裝車）優化》模塊。圖9表示多種不同尺寸貨物裝在COSCO 40集裝箱內時的結果，體積利用率可達93.8%，可見采用軟件可以大大減少運輸成本。裝車優化也是一樣的計算，只是把貨柜尺寸換成卡車尺寸即可。

《集合包裝》模塊是《裝柜（裝車）優化》的發展，貨物尺寸不止矩形，還把圓柱形和袋形等；集裝箱尺寸換成單元包裝的尺寸。

當今世界，人們需要大量的計算能力和大量的數據，只有掌握了數據的企業，才能在競爭中贏得高效成長。數據是關鍵的企業資產。過去，我們用實物資產衡量企業的價值。現在，隨著我們進入信息時代，大多數企業都意識到企業數據也是一項重要的資產。如果企業能夠了解、信任并能夠及時獲取所需數據，就可以利用其數據資產進行更快、更好、更聰明地運營，從而在競爭中脫穎而出。能夠實時把握企業產品生命周期所有環節的可視化數據的企業，就可以稱之為數據驅動型企業。《整體包裝設計系統》的開發，給包裝行業注入了大量新的理念，但這只不過是萬里長征邁出的一小步，任重道遠。隨著大數據與互聯網+等技術的深入，軟件系統將有長足的發展，任重道遠，期待著與更多企業的合作。

[1]彭國勛等編，《緩沖包裝動力學》。，湖南大學出版社出版，1989版

[2]彭國勛主編. 物流運輸包裝設計.全國包裝工程專業統編教材，北京：印刷工業出版社,2006第一版，文化發展出版社，2012第二版.

[3]彭國勛編著.瓦楞包裝設計. 北京：印刷工業出版社,2007第一版，2013第二版。彭國勛主編. 機電產品木包裝系統設計.北京：印刷工業出版社

[4]彭國勛主編. 機電產品木包裝系統設計.北京：印刷工業出版社,2014第一版