基于3D打印技术的卷烟包装设计

陈芳锐 杨 玺 田 原

（云南中烟工业有限责任公司技术中心，云南 昆明 650000）

0 引言

3D 打印技术的本质是一种基于原材料模型，通过某种定制材料喷塑成形的快速生成技术，该技术在相关研究领域又被简称为RP 技术，3D 打印技术在实际应用中，其工作原理与喷墨打印机较为类似，均是以数字化建模为支撑。在完成对设计产品的外形与内部结构的构建后，根据需求选择不同的打印材料，按照分层印刷的方式，对设计产品进行构造[1]。与常规的二维平面打印技术相比，该文提出的3D 打印技术集成了CAD 软件绘图功能，在CAM 终端的支撑，对材料外形进行生成。同时，该技术也可以与计算机设备或通信设备进行对接，在该条件下，可通过终端设备的多项操作对终端生成的产品外形进行细化处理，并在增材技术的协同作用下，降低或节约产品设计与打印的成本[2]。基于心理学分析，精美的卷烟产品包装设计也能够使消费者更具购买欲望。

1 基于3D 打印技术的卷烟包装设计方法

20世纪90年代中期是中国卷烟包装新技术、新工艺以及新材料涌现最快、最多且最集中的变革时期。烟草包装业出现了前所未有的繁荣景象，甚至形成“纸类包装看烟包”的时尚。因此，以卷烟包装设计作为分析研究的对象，探讨其中的制作技术应用与设计的关系，对其他包装设计具有参考价值。卷烟包装设计是产品设计中的关键部分，通过该设计不仅可以向消费者传递产品信息，而且还可以使消费者通过对包装的视觉检索掌握其相关知觉信息。在该文的研究中，将3D 打印技术应用到卷烟包装设计过程中，通过该方式，提高卷烟类产品外观的美学价值，这也是提高产品附加值的关键手段。

1.1 基于3D 打印技术设计卷烟包装支撑结构

包装设计的最终效果是以视觉的形式呈现，为了实现对卷烟包装的有效设计与规划，在该研究中，需要引进3D 打印技术对卷烟包装的支撑结构进行设计。在设计过程中，应明确“层次化制造、分层叠加设计”是该技术的革新点，因此，需要使用计算机技术对卷烟包装外表进行扫描，并建立一个以X-Y-Z坐标轴为支撑的方支撑结构，其中X轴与Y轴对应表示为卷烟产品包装的长度与宽度，Z轴对应表示为卷烟产品包装的厚度，在设计其支撑结构时，需要在Z轴上间断性地进行层面厚度位移，以该方式形成1 个针对卷烟产品的外部三维制件[3]。在该基础上，采用多个截面反复叠加的方式，使多种原材料形成1 个实物制作件，并利用空间结构将多个堆层叠加在一起，从而形成1 个卷烟产品外部包装的基础支撑结构。为了确保支撑结构在实际量产与投入使用中具有一定的稳定性，需要在设计支撑结构时，采用自上而下的堆叠方式制作3D 包装截面的空腔区域，只有空间区域具有足够的承载力，才能确保该结构可以为卷烟产品提供应用支撑。因此，该文将对基于3D打印技术的卷烟产品包装支撑结构进行描述，对应的三维立体成像如图1 所示。

图1 卷烟产品包装支撑结构3D 立体成像

图1 为卷烟产品包装支撑结构3D 立体成像多视图，在绘制图像时，融合了CAD 技术与CAM 技术，通过该方式可以初步掌握卷烟包装的支撑部位结构。在了解相关工作需求的同时，采用构建结构分层模型的方式，对其设计路径进行初步规划，以完成对卷烟包装支撑结构的设计。

1.2 设计卷烟包装样品尺寸与性能参数

为了使设计的卷烟包装可以满足产品投入市场的使用需求，需要了解该产品的综合性能与消费者的综合需求。因此，在完成卷烟包装支撑结构设计的基础上，应设计卷烟包装样品的尺寸与性能参数[4]。考虑到卷烟产品属于易燃品，因此在设计产品包装时，应考虑任意一个可能引起卷烟产品温度波动的因素，在该设计理念下，可选择温控材料作为构成卷烟包装样品的主要材料，利用该材料的隔热性能设计样品的包装。利用该方式完成烟卷产品设计，使产品更加安全，降低产品由于受热或受潮引起的变质与损坏风险。在确定卷烟产品的外包装设计材料后，可结合卷烟产品的长度×宽度×高度，构建1 个针对实物的样品模型。定义长度×宽度×高度表示为L×W×H（其中3 个尺寸参数的所属关系为H>L>W），将卷烟产品近似作为一种圆柱模型，此时可定义圆柱体结构的直径，将其表示为Y，Y在卷烟包装中的尺寸分布可以表示为图2。

按照上述图2 所示的卷烟包装尺寸，对样品各项性能指标参数进行设定，如下表1 所示。

表1 卷烟样品烟包装性能指标参数

图2 卷烟包装尺寸

在完成卷烟样品烟包装性能指标参数的设计后，使应卷烟产品高度与包装模型应呈现一种对等关系，多个卷烟产品在包装外盒中应呈现一种紧密排布关系，按照该设计理念，可得出下述2 个对等关系计算公式。

式中：γ表示为卷烟产品圆柱体结构的直径；γi表示为卷烟产品圆柱体结构在包装中累加i次后的直径；x表示为包装厚度。

由于该文设计的包装属于中空类型结构，为了方便消费者使用，其采用的外层包裹为双层结构[5]。因此，对包装中层结构，可采用抽真空的方式，对其进行设计处理，以该方式，在卷烟产品包装层形成有效的支撑结构，也通过该设计，切断外部对其的物理热作用，避免卷烟产品与外界进行热量传递，保证设计的包装满足消费者安全使用需求。

1.3 基于LOM 的卷烟包装分层设计

在完成上述相关设计后，引进LOM 技术，对卷烟包装进行分层设计，其中LOM 技术又被称为层次化实体制造技术，在实际应用中，可以根据终端计算机的三维模型轮廓，对每个包装产品界面进行轮廓线的加工。并在终端计算机设备的调节与控制下，向终端卷烟包装发出一个由激光控制的切割指令，确保在设计卷烟包装时，前端的切割头可以沿着X方向与Y方向进行有序移动。

在上文提出的过程中，材料供应设备可以在供料端，将表层涂有热熔胶的固体材料进行秩序化输送。选择的材料可以是金属锡箔，也可以是与PLA 材料性能相关的材料，送料设备将通过秩序化移动的方式，将包装材料输送至生产台上端[6]。与此同时，激光系统将采用常规的激光切割方式，对卷烟包装的截面轮廓进行切割，其中二氧化碳激光束，可在固体压片上进行初次塑封，当前端完成对外部轮廓的封装设计后，送料装置将根据扫描端获取的包装厚度与要求厚度，进行持续送料，采用逐层累加的方式，使外包装的厚度与实际要求相匹配，在达到设计的标准厚度后，液压机启动，将根据此时包装的需求厚度，对完成多层叠加的厚度进行压实，确保整体结构具有一定稳定性。通过该方式完成对卷烟包装的分层设计。

1.4 卷烟包装成形与精细加工

在上文提出相关工作的基础上，需要对卷烟包装进行成形处理与精细化加工，为了满足该设计要求，在此步骤设计工作中，引进SLA 技术，即立体光学固化成形技术。在设计过程中，使用紫光灯对包装材料进行聚集照射，此时表层的液体流动层将受到光感影响，形成一个表层树脂，此种外层只有在紫光灯下可表现出颜色，因此，通过该方式，也可以确保设计的外包装为正版。

在该基础上，将聚集的树脂层在计算机终端进行图像化处理，即根据设计过程中的美学需求，进行包装图案的设计与规划。在该过程中，可引进CAD 辅助绘图技术，在计算机上进行包装图案的调整（包括旋转、平移、剪切、重叠等），将设计的图案在计算机通信端进行传输，以此完成对卷烟包装单层材料的图形化[7]。为了确保叠加的多层图形可在包装上呈现一种更加直观的视觉效果，需要在塑封与叠加过程中，精准控制边缘的尺寸，避免由于叠加行为实施不到位导致的图形化效果不佳。

按照上文提出的方式，对卷烟包装进行多次处理，直到包装表层成形，此时，需要将设计后成形的包装材料，放置在配置完成的化学试剂或溶液中，清洗表层上多余的树脂材料。完成清洗后，将材料从溶液中取出，再次使用紫光灯对其进行照射，以此确保包装表层图案的二次固化。在该基础上，使用3DP 技术（三维印刷黏贴技术），将不同面层的包装结构进行连接，连接过程如下。

首先，将卷烟包装通过水平压辊的方式，平铺在打印处理台上，选择与包装颜色相同的对接墨水，从终端通过加压的方式，将其传输到前端打印黏贴台上，在竖直方向上，在包装的边缘有序涂抹胶水。其次，由计算机控制的输送台，对包装边缘进行对接，完成对接后，通过激光熔融的方式，将包装边缘进行黏结。最后，将设计的样品传送到人工处理区域，由专业的质检人员，对完成设计的卷烟包装成品进行质量校验，通过检验的包装盒便可以被作为生产模具，投入生产线对其进行量产[8]。总之，在设计卷烟包装时，需要结合多项技术的应用原理与美学认知，对包装进行设计，只有满足消费群体需求的卷烟包装，才能在投入市场后，被消费者接纳。

2 实例应用分析

该文对3D 打印技术的卷烟包装设计方法进行了研究，并从理论层面验证了提出的包装方法，在实际应用中具有一定的可靠性。但在该过程中，考虑到市场卷烟产品消费群体对包装的需求是随机的，因此，要检验设计的包装方法是否合理，还需要在完成设计后，通过实验论证分析的方式，对该文设计的方法进行实践验证。为了确保该实验的真实有效，随机选择某地区烟草生产单位作为实验的试点单位，在与生产单位签订合作协议后，对烟草企业内现有的卷烟生产线进行抽查。通过该方式，确保选定的烟草企业具有参与实验的资质。

在完成上述相关工作后，调派实验人员与烟草企业生产人员进行现场沟通，由生产人员的反馈可知，生产线内存在4 种卷烟产品的市场销量较差，4 种卷烟产品分别对应卷烟产品A、卷烟产品B、卷烟产品C、卷烟产品D。而通过实验人员的现场研究后，4 种卷烟产品的外包装仍沿用十年前的包装纹样，并没有设计单位对其包装纹样进行创新，而消费者对该卷烟包装已存在一定的厌倦心理，甚至部分卷烟产品的外包装过于简陋，已无法给予消费者更加良好的视觉体验，更无法刺激需求群体的消费。针对该问题，在此次实验中，将采用基于3D 打印技术的卷烟包装设计方法，结合市场销量较差的4 种卷烟产品特点，对其进行包装设计与规划。设计过程如下图3 所示。

图3 卷烟产品包装设计流程

按照上述图中表述流程，设计4 种不同的卷烟产品包装，并在完成对其的包装设计后，将设计成果与包装生产车间工作进行对接，按照设计的模板，对此包装进行量产。量产后分批次发放到烟草市场。此时，需要调派市场调研人员，对卷烟产品发放厂家进行数据调查，获取卷烟产品在经过外包装重新设计后的销售额度。将调研人员反馈的数据，作为此次实验的结果，统计实验结果，将其绘制成表格，如下表2 所示。

表2 烟草市场销售数据反馈结果

结合烟草市场销售数据反馈结果可知，卷烟产品包装发生设计变更后，批次产品的销售额相比早期销售额呈现一种翻倍增长的趋势，并且随着产品的持续投入市场，产品销售额持续增加。综合上述分析，得出此次实例应用分析的最终结论：该文提出的基于3D 打印技术的卷烟包装设计方法，在实际应用中，可满足消费者对卷烟产品外包装的需求，从而促进群体消费。因此，设计与生产后期的卷烟产品时，加大对该文提出方法的应用，以该方式，使设计的产品对接消费者需求，推进我国烟草行业在经济市场内发展，为相关包装生产企业的建设指示方向。

3 结语

为了进一步满足消费者的需求，该文引进3D打印技术，对卷烟包装设计方法展开研究，此次研究分别从卷烟包装支撑结构、卷烟包装样品尺寸与性能参数、卷烟包装分层设计、卷烟包装成形与精细加工4 个方面入手，在完成该文方法的设计后，采用实例应用的方式，对该方法的实用性与市场价值进行实践分析。经过市场调研，根据实践反馈数据可知，通过卷烟产品的包装设计变更，促进消费者群体的购买欲望，从而达到一种刺激消费与提高产业收益的目的。因此，可在后期的深入研究中，尝试将该文设计的方法，应用到相关包装生产行业中，以此证明该方法具有更广的市场应用范围。