CAD在塑料包裝設計中的應用

李 靜，劉 暢，劉 靜

（邯鄲學院，河北 邯鄲 056005）

計算機輔助設計（CAD）用于設計對象的軟件解決方案。CAD系統(tǒng)可以為包裝設計服務。采用CAD技術可以構造多種藝術形象（如圖案、紋飾、包裝造型設計等），同時也可以實現合理的顏色配置，為產品的塑料包裝設計現代化提供了更多、更好、更快的選擇［1-4］。本文對近年來CAD在產品包裝領域的新進展進行了綜述。

1 CAD在生態(tài)設計中的應用

目前，可生物降解材料是合成高分子材料的研究熱點，以聚乳酸為代表的生物高分子材料的生產規(guī)模已經很大。世界上每年產生的一次性塑料包裝垃圾高達上億噸，僅我國每年食品塑料包裝產生的垃圾就達數百萬噸，且呈不斷上升之勢。美國食品藥品監(jiān)督管理局規(guī)定，只有可生物降解塑料和極少數水降解塑料可用于食品包裝材料，光降解塑料或光、生物雙降解塑料都不能作為食品包裝材料［5］。

包裝的綠色化、資源化、減量化、再利用是包裝設計的重要發(fā)展方向，生態(tài)設計是一切包裝設計的出發(fā)點和落腳點，也是CAD的重要發(fā)展方向。鮮果的包裝對鮮果的長期儲存及升值具有重要作用。段華偉［6］提出了鮮果氣調包裝設計理念，將對果蔬氣調包裝設計影響最大的8個關鍵參數組成4對關鍵參數比，采用關鍵參數比例法氣調包裝設計方法及分級設計指導原則，構建了鮮果氣調包裝設計流程；用Matlab軟件開發(fā)了具有氣體濃度動態(tài)模擬功能的CAD軟件，用于番石榴氣調包裝設計，結果顯示，氣調包裝番石榴的保質期為30～35 d，較未包裝的延長了1倍多。王作雨等［7］將CAD/計算機輔助工程、有限元仿真分析等技術用于軍品物流包裝的生態(tài)設計，設計的軍品物流包裝符合減量化、資源化、再利用、循環(huán)經濟及綠色化理念。曹菲［8］利用Matlab GUI軟件開發(fā)了果蔬氣調包裝CAD系統(tǒng)，結果表明，可根據產品的理想氣調環(huán)境參數選擇合適的薄膜材料，計算有利于氣體交換的塑料薄膜面積或厚度，可快速進行常見果蔬產品的氣調包裝設計，極大提高了設計效率和結果可靠度。欒志福［9］采用類似方法建立了果蔬氣調包裝CAD方法，優(yōu)化了設計流程。

對于濕敏性商品（如茶葉），通常采用防潮包裝。防潮包裝、產品及周圍環(huán)境即構成了一個整體。王鵬［10］通過分析三者之間的相互關系，建構了濕敏性產品的包裝儲存期模擬圖。以茶葉的吸濕特性、包裝薄膜透濕率、各種薄膜在不同溫度條件下的K值（K值表示與包裝材料和環(huán)境溫度有關的系數［11］）及包裝內外濕度等因素的運算關系為基礎，采用Matlab軟件擬合茶葉的吸濕特性曲線，得到儲存期間茶葉包裝內的相對濕度、平衡含水量與時間的關系式，進而得到茶葉包裝儲存期預測模型公式。結果表明，該模型得到的結果可信，可提高茶葉儲存期、保證茶葉質量、提高經濟效益。

2 CAD在異型包裝設計中的應用

2.1 折疊片設計

塑料包裝以聚氯乙烯，聚對苯二甲酸乙二酯，聚苯乙烯，聚丙烯等為主要組分，依靠注塑、擠出或吹塑成型。包裝盒的壁厚通常不大于2.0 mm，在成型過程中易出現熔接痕、翹曲、缺料、氣孔等缺陷，因此，薄壁塑料包裝模具的設計要求精度更高，成型工藝參數更科學，控制更精確。達索系統(tǒng)公司［12］設計了一種包裝用折疊片：提供由彎折線分離的面板，面板包括形成循環(huán)并且由共點彎折線分離的至少4個相鄰面板，在連續(xù)的彎折線之間具有預定角度，以此確定鏈接循環(huán)的相鄰面板之間角度的控制規(guī)律。這種方法體現了CAD在處理復雜包裝設計圖案中的作用。該公司提供了一種用于固體物體包裝支撐結構的方法［13］，包括多個線性支撐元件，其實現方法為：（1）將固體物體的三維模型輸入程序中；（2）計算固體物體的根據第一軸線的第一累積線性質量密度分布；（3）使用第一累積線性質量密度分布來確定多個線性支撐元件沿著第一軸線的位置，其使固體物體的質量在多個線性支撐元件上均勻分布。該發(fā)明還提供了用于執(zhí)行這種方法的計算機程序、非易失性計算機可讀數據存儲介質和CAD系統(tǒng)，提供了根據計算機實施方法設計的支撐結構及其制造方法。

目前，缺陷檢測系統(tǒng)對半導體塑料包裝缺陷位置的檢測能力較差。為此，Niu Zanyao［14］設計了一種基于機器視覺的半導體塑料包裝缺陷檢測系統(tǒng)。硬件方面，基于機器視覺技術，確定系統(tǒng)框架，選擇攝像機、鏡頭和光源模型，確定檢測目標圖像采集參數。軟件方面，根據機器視覺技術獲取的目標圖像，對圖像進行預處理、分割和特征提取，以識別和檢測目標圖像，檢測半導體塑料包裝缺陷。結果表明，該設計系統(tǒng)能夠準確檢測出半導體塑料包裝中的缺陷以及缺陷的位置。

2.2 異型盒或管設計

對于化妝品、洗滌用品、清潔用品等包裝，普遍采用塑料包裝。為了增加商品的市場競爭力，在包裝的設計上，除了要滿足功能性、安全及衛(wèi)生性、操作便利性以外，還要具有藝術美觀性，因此要開發(fā)異型盒或管式塑料包裝材料。

黃利強等［15-16］基于拼合法實現了對異型盒的參數化設計。采用OpenGL軟件開發(fā)了尺寸自動標注功能，以紙盒平面結構模型為出發(fā)點，應用圖形處理技術構建了三維實體模型，開發(fā)了紙盒三維成型系統(tǒng)。鄭小利［17］將AutoCAD2010與Auto LISP程序結合，采用盒素庫技術與參數化設計結合方案，完成了管式折疊塑料包裝的設計程序開發(fā)，模擬仿真實驗表明，該程序可以滿足管式折疊塑料包裝的設計要求。天津科技大學［18］公開了一種包裝紙盒結構設計系統(tǒng)及其設計方法，設計系統(tǒng)為計算機主機中連接有盒型設計模塊、三維顯示模塊、三維變換模塊以及三維設置模塊。設計方法包括：基于拼合法，采用盒型庫和盒素庫技術的二維結構圖形繪制；根據二維結構圖形，通過三維顯示模塊、三維變換模塊及三維設置模塊進行三維顯示。該發(fā)明進行二維設計時就可檢驗三維效果，及早發(fā)現設計失誤，節(jié)約打樣成本，縮短了設計周期，提高了工作效率，節(jié)約了生產成本。馮嫦［19］建立了可重構和模塊化劃分的四邊封立式袋裝機CAD技術及參數化設計系統(tǒng)，將單個裝置組合為四邊封立式袋裝機，在總體機架、電機和切割輥參數保持不變的情況下，袋裝機具有良好可靠性、較高的效率，完全滿足高質量產品的加工需求。

2.3 緩沖包裝設計

泡沫塑料除了具有良好的緩沖性能和吸振性能，還具有質量輕、易加工、價格低、易回收等優(yōu)點，被廣泛用作緩沖包裝材料，常用的緩沖包裝塑料有發(fā)泡聚苯乙烯、發(fā)泡聚乙烯、聚氨酯泡沫等。由于緩沖材料靜壓試驗獲得的應力-應變曲線具有非線性、分段擬合時不易收斂的特性，因此對于緩沖包裝設計的研究相對較少。徐紹虎等［20］以3次Bezier曲線分段擬合應力-應變曲線的方法，得到了緩沖系數-最大應力參數方程，開發(fā)了基于3次Bezier曲線的緩沖包裝用CAD軟件，利用“已有材料”進行緩沖包裝設計時，只需輸入等效跌落高度、產品脆值、產品質量（或產品表面積）即可獲得緩沖襯墊的面積和厚度，可以高效完成計算機輔助的緩沖包裝設計。

3 CAD在特色產品設計中的應用

農產品包裝普遍采用發(fā)泡塑料盒或塑料袋包裝，民族特色產品通常采用具有民族傳統(tǒng)特色圖案的塑料包裝。

曹宙［21］從色彩的民族特色和CAD色彩設計的表現手法兩方面研究農產品包裝的色彩設計。制定了農產品包裝CAD色彩設計的表現手法，搭建具有民族特色和地方特色的農產品包裝色彩設計的理論框架，制作了“樂于種”種子系列包裝和櫻桃包裝。嚴葉聃睿［22］針對民族產品的織繡圖案特點，采用CAD技術設計了系列民族產品刀版圖，運用參數化設計技術、元素裝飾技術、色彩提取技術為具有民族特色產品設計開辟了新的途徑。

4 CAD在提高包裝效率中的應用

無論是軟包裝（包裝膜厚度小于0.25 mm）還是硬包裝，塑料包裝在食品、化妝品、潤滑油、防凍液等行業(yè)具有廣泛應用。包裝設計固然重要，在實施包裝過程中，提高包裝效率也十分重要。在食品包裝中，為杜絕食品安全問題并提高包裝效率，在糕點等全自動包裝線上包裝盒的取盒比較關鍵，在通常情況下，包裝盒都處于未打開且相互疊置狀態(tài)，因此，需要專門的取盒裝置將包裝盒逐個取出再打開，才能保證產線連續(xù)運行。

余斌等［23］在構思開盒流程和機械原理的基礎上，將開盒流程分為上取盒、下接盒機構和盒體輸送機構三部分。利用CAD技術確定接盒初始角為17°，開盒對接角度為30°，最終完成了開盒機的總體結構設計，可以通過各種網絡通訊協議使開盒設備的可編程邏輯控制器和制造執(zhí)行系統(tǒng)建立連接，達到智能化生產的目的，極大提高了食品包裝效率。珠海格力電器股份有限公司［24］提供了一種待包裝對象的包裝方法及裝置。根據待包裝對象的特征信息生成三維模型，獲取三維對象模型所對應的包裝物料模板，生成三維包裝物料模型，進行可行性評估，在評估結果通過的情況下，確定三維包裝物料模型為目標三維包裝物料模型，用于指示待包裝對象的包裝信息。該方法可以解決產品包裝效率較低的問題。焦作大學［25］提供了基于人工智能的包裝設計方法及裝置，包括：獲取包裝需求信息、獲取包裝材料信息。將二者通過包裝設計模型，生成包裝設計信息，根據包裝設計信息執(zhí)行設計操作。該發(fā)明大幅降低了包裝設計的人力成本，提高了包裝設計效率。劉雪飛［26］以Solid Edge三維實體造型CAD軟件為二次開發(fā)平臺，結合Visual Basic編程語言和Microsoft Access數據管理工具，提出了CAD軟件二次開發(fā)設計及其關鍵技術。基于模塊化設計思想，結合參數化設計方法，建立了三維實體模具零件庫。在復合塑料包裝制品共擠出機頭CAD系統(tǒng)的運行實踐表明，該系統(tǒng)具有可行性。

5 結語

計算機及軟件技術的迅猛發(fā)展，為包裝設計專業(yè)CAD技術的進步提供了更多可能。就軟件開發(fā)而言，不同的軟件各有優(yōu)勢和不足，在CAD設計時，需要將不同的軟件組合起來，整合不同軟件與包裝設計相關的功能，才能構建更加科學、合理、完整的包裝設計理論體系；就軟件使用而言，為了滿足不同行業(yè)、不同領域、不同產品的包裝需求，在包裝設計時，既要貫徹生態(tài)設計理念，又要滿足人們對包裝形式美和內容美的追求；就包裝效率而言，要根據包裝對象的不同，在追求包裝美的同時，還要追求包裝過程的高效、低碳和環(huán)保。