基于3D打印技術的卷煙包裝設計

陳芳銳 楊 璽 田 原

（云南中煙工業有限責任公司技術中心，云南 昆明 650000）

0 引言

3D 打印技術的本質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，該技術在相關研究領域又被簡稱為RP 技術，3D 打印技術在實際應用中，其工作原理與噴墨打印機較為類似，均是以數字化建模為支撐。在完成對設計產品的外形與內部結構的構建后，根據需求選擇不同的打印材料，按照分層印刷的方式，對設計產品進行構造[1]。與常規的二維平面打印技術相比，該文提出的3D 打印技術集成了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，該技術也可以與計算機設備或通信設備進行對接，在該條件下，可通過終端設備的多項操作對終端生成的產品外形進行細化處理，并在增材技術的協同作用下，降低或節約產品設計與打印的成本[2]。基于心理學分析，精美的卷煙產品包裝設計也能夠使消費者更具購買欲望。

1 基于3D 打印技術的卷煙包裝設計方法

20世紀90年代中期是中國卷煙包裝新技術、新工藝以及新材料涌現最快、最多且最集中的變革時期。煙草包裝業出現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，以卷煙包裝設計作為分析研究的對象，探討其中的制作技術應用與設計的關系，對其他包裝設計具有參考價值。卷煙包裝設計是產品設計中的關鍵部分，通過該設計不僅可以向消費者傳遞產品信息，而且還可以使消費者通過對包裝的視覺檢索掌握其相關知覺信息。在該文的研究中，將3D 打印技術應用到卷煙包裝設計過程中，通過該方式，提高卷煙類產品外觀的美學價值，這也是提高產品附加值的關鍵手段。

1.1 基于3D 打印技術設計卷煙包裝支撐結構

包裝設計的最終效果是以視覺的形式呈現，為了實現對卷煙包裝的有效設計與規劃，在該研究中，需要引進3D 打印技術對卷煙包裝的支撐結構進行設計。在設計過程中，應明確“層次化制造、分層疊加設計”是該技術的革新點，因此，需要使用計算機技術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構，其中X軸與Y軸對應表示為卷煙產品包裝的長度與寬度，Z軸對應表示為卷煙產品包裝的厚度，在設計其支撐結構時，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 個針對卷煙產品的外部三維制件[3]。在該基礎上，采用多個截面反復疊加的方式，使多種原材料形成1 個實物制作件，并利用空間結構將多個堆層疊加在一起，從而形成1 個卷煙產品外部包裝的基礎支撐結構。為了確保支撐結構在實際量產與投入使用中具有一定的穩定性，需要在設計支撐結構時，采用自上而下的堆疊方式制作3D 包裝截面的空腔區域，只有空間區域具有足夠的承載力，才能確保該結構可以為卷煙產品提供應用支撐。因此，該文將對基于3D打印技術的卷煙產品包裝支撐結構進行描述，對應的三維立體成像如圖1 所示。

圖1 卷煙產品包裝支撐結構3D 立體成像

圖1 為卷煙產品包裝支撐結構3D 立體成像多視圖，在繪制圖像時，融合了CAD 技術與CAM 技術，通過該方式可以初步掌握卷煙包裝的支撐部位結構。在了解相關工作需求的同時，采用構建結構分層模型的方式，對其設計路徑進行初步規劃，以完成對卷煙包裝支撐結構的設計。

1.2 設計卷煙包裝樣品尺寸與性能參數

為了使設計的卷煙包裝可以滿足產品投入市場的使用需求，需要了解該產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構設計的基礎上，應設計卷煙包裝樣品的尺寸與性能參數[4]。考慮到卷煙產品屬于易燃品，因此在設計產品包裝時，應考慮任意一個可能引起卷煙產品溫度波動的因素，在該設計理念下，可選擇溫控材料作為構成卷煙包裝樣品的主要材料，利用該材料的隔熱性能設計樣品的包裝。利用該方式完成煙卷產品設計，使產品更加安全，降低產品由于受熱或受潮引起的變質與損壞風險。在確定卷煙產品的外包裝設計材料后，可結合卷煙產品的長度×寬度×高度，構建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 個尺寸參數的所屬關系為H>L>W），將卷煙產品近似作為一種圓柱模型，此時可定義圓柱體結構的直徑，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進行設定，如下表1 所示。

表1 卷煙樣品煙包裝性能指標參數

圖2 卷煙包裝尺寸

在完成卷煙樣品煙包裝性能指標參數的設計后，使應卷煙產品高度與包裝模型應呈現一種對等關系，多個卷煙產品在包裝外盒中應呈現一種緊密排布關系，按照該設計理念，可得出下述2 個對等關系計算公式。

式中：γ表示為卷煙產品圓柱體結構的直徑；γi表示為卷煙產品圓柱體結構在包裝中累加i次后的直徑；x表示為包裝厚度。

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

1.3 基于LOM 的卷煙包裝分層設計

在完成上述相關設計后，引進LOM 技術，對卷煙包裝進行分層設計，其中LOM 技術又被稱為層次化實體制造技術，在實際應用中，可以根據終端計算機的三維模型輪廓，對每個包裝產品界面進行輪廓線的加工。并在終端計算機設備的調節與控制下，向終端卷煙包裝發出一個由激光控制的切割指令，確保在設計卷煙包裝時，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，材料供應設備可以在供料端，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 材料性能相關的材料，送料設備將通過秩序化移動的方式，將包裝材料輸送至生產臺上端[6]。與此同時，激光系統將采用常規的激光切割方式，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，當前端完成對外部輪廓的封裝設計后，送料裝置將根據掃描端獲取的包裝厚度與要求厚度，進行持續送料，采用逐層累加的方式，使外包裝的厚度與實際要求相匹配，在達到設計的標準厚度后，液壓機啟動，將根據此時包裝的需求厚度，對完成多層疊加的厚度進行壓實，確保整體結構具有一定穩定性。通過該方式完成對卷煙包裝的分層設計。

1.4 卷煙包裝成形與精細加工

在上文提出相關工作的基礎上，需要對卷煙包裝進行成形處理與精細化加工，為了滿足該設計要求，在此步驟設計工作中，引進SLA 技術，即立體光學固化成形技術。在設計過程中，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出顏色，因此，通過該方式，也可以確保設計的外包裝為正版。

在該基礎上，將聚集的樹脂層在計算機終端進行圖像化處理，即根據設計過程中的美學需求，進行包裝圖案的設計與規劃。在該過程中，可引進CAD 輔助繪圖技術，在計算機上進行包裝圖案的調整（包括旋轉、平移、剪切、重疊等），將設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，需要將設計后成形的包裝材料，放置在配置完成的化學試劑或溶液中，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。在該基礎上，使用3DP 技術（三維印刷黏貼技術），將不同面層的包裝結構進行連接，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，將其傳輸到前端打印黏貼臺上，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。最后，將設計的樣品傳送到人工處理區域，由專業的質檢人員，對完成設計的卷煙包裝成品進行質量校驗，通過檢驗的包裝盒便可以被作為生產模具，投入生產線對其進行量產[8]。總之，在設計卷煙包裝時，需要結合多項技術的應用原理與美學認知，對包裝進行設計，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 實例應用分析

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

在完成上述相關工作后，調派實驗人員與煙草企業生產人員進行現場溝通，由生產人員的反饋可知，生產線內存在4 種卷煙產品的市場銷量較差，4 種卷煙產品分別對應卷煙產品A、卷煙產品B、卷煙產品C、卷煙產品D。而通過實驗人員的現場研究后，4 種卷煙產品的外包裝仍沿用十年前的包裝紋樣，并沒有設計單位對其包裝紋樣進行創新，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 打印技術的卷煙包裝設計方法，結合市場銷量較差的4 種卷煙產品特點，對其進行包裝設計與規劃。設計過程如下圖3 所示。

圖3 卷煙產品包裝設計流程

按照上述圖中表述流程，設計4 種不同的卷煙產品包裝，并在完成對其的包裝設計后，將設計成果與包裝生產車間工作進行對接，按照設計的模板，對此包裝進行量產。量產后分批次發放到煙草市場。此時，需要調派市場調研人員，對卷煙產品發放廠家進行數據調查，獲取卷煙產品在經過外包裝重新設計后的銷售額度。將調研人員反饋的數據，作為此次實驗的結果，統計實驗結果，將其繪制成表格，如下表2 所示。

表2 煙草市場銷售數據反饋結果

結合煙草市場銷售數據反饋結果可知，卷煙產品包裝發生設計變更后，批次產品的銷售額相比早期銷售額呈現一種翻倍增長的趨勢，并且隨著產品的持續投入市場，產品銷售額持續增加。綜合上述分析，得出此次實例應用分析的最終結論：該文提出的基于3D 打印技術的卷煙包裝設計方法，在實際應用中，可滿足消費者對卷煙產品外包裝的需求，從而促進群體消費。因此，設計與生產后期的卷煙產品時，加大對該文提出方法的應用，以該方式，使設計的產品對接消費者需求，推進我國煙草行業在經濟市場內發展，為相關包裝生產企業的建設指示方向。

3 結語

為了進一步滿足消費者的需求，該文引進3D打印技術，對卷煙包裝設計方法展開研究，此次研究分別從卷煙包裝支撐結構、卷煙包裝樣品尺寸與性能參數、卷煙包裝分層設計、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計后，采用實例應用的方式，對該方法的實用性與市場價值進行實踐分析。經過市場調研，根據實踐反饋數據可知，通過卷煙產品的包裝設計變更，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業收益的目的。因此，可在后期的深入研究中，嘗試將該文設計的方法，應用到相關包裝生產行業中，以此證明該方法具有更廣的市場應用范圍。