一、引言
　　時代的發(fā)展要求包裝設(shè)計在滿足特定功能的前提下標(biāo)新立異，不斷創(chuàng)新，而成本效益是衡量一種創(chuàng)新是否具有生命力的標(biāo)準(zhǔn)之一，是開發(fā)一切產(chǎn)品的基本要求，因為沒有成本效益就沒有產(chǎn)品在商業(yè)上的成功。包裝產(chǎn)品當(dāng)然也不例外。我們知道，在設(shè)計行為中，產(chǎn)品成型初始階段的概念設(shè)計是產(chǎn)品設(shè)計極為重要的階段，它所消耗的時間和費用約占60%～70%。因此，如何提高該階段的設(shè)計質(zhì)量，將直接影響產(chǎn)品設(shè)計周期和成本效益。
　　傳統(tǒng)的CAD手段不但要求設(shè)計者具有專家的知識，并且要通曉產(chǎn)品設(shè)計細(xì)節(jié)，產(chǎn)品設(shè)計一開始就試圖進(jìn)入詳細(xì)產(chǎn)品設(shè)計階段。這種詳細(xì)產(chǎn)品設(shè)計的方式往往在整個設(shè)計方案出臺前要經(jīng)多次修改，花費很長時間，且用戶也只能在產(chǎn)品徹底成型后才能了解產(chǎn)品的各方面性能。這樣顯然不利于產(chǎn)品設(shè)計周期長和成本高。再者當(dāng)前CAD環(huán)境中人機界面大多采用圖形用戶界面、二維鼠標(biāo)和鍵盤的形式，不把人的參與真正考慮進(jìn)去，這就從某個角度上抑制了人的積極性和創(chuàng)造性，影響創(chuàng)新。因此人們需要不斷地尋求更佳手段去完善現(xiàn)有的設(shè)計與加工過程，確保產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計的活力。
　　二、快速成型技術(shù)的原理及特點
　　快速成型技術(shù)RP（Rapid Prototyping）是20世紀(jì)90年代迅速發(fā)展起來的一種高新技術(shù)，它基于逐層材料添加的原理，由CAD數(shù)據(jù)直接驅(qū)動生成實體模型或零件。RP技術(shù)本質(zhì)在于被加工對象的幾何拓補關(guān)系，通過CAD模型加以描述和確定，高散處理得到驅(qū)動工具和材料的數(shù)控指令，利用RP技術(shù)的設(shè)備完成成型制造。該技術(shù)具有鮮明特點是：可快速生產(chǎn)模型或制件，周期短，成本低；對制件的復(fù)雜性幾乎無任何限制；制作過程中不用模具、夾具、刀具，不需任何機械加工。下面就目前比較成熟可用于工業(yè)領(lǐng)域的RP技術(shù)原理做一介紹。
　　1.立體平版印刷SL（Stero-lithography）或光固化成型立體平版印刷技術(shù)原理即由軟件對CAD創(chuàng)建的三維數(shù)據(jù)進(jìn)行平面分層，得到每一層的截面形狀，用一定波長的紫外線激光束按每個切層的二維截面形狀對液態(tài)光固化樹脂進(jìn)行掃描，從而形成一層特定形狀的固化層。由于存在一定的固化深度，每層固化后粘在以前的固化層上（最初的一層粘在升降平臺上表面），然后升降臺下沉一個分層厚度（0.01～0.02mm），再進(jìn)行新一層成形。這樣激光束照射一層，固化一層，粘結(jié)一層，下沉一層，最終堆砌起來的固化物即為根據(jù)CAD數(shù)據(jù)所設(shè)計的三維模型實體。其成型材料為光固化樹脂。若用熱固化樹脂代替，用激光束掃描液面，在激光點的熱作用下產(chǎn)生熱聚合固化，也可得到據(jù)CAD所設(shè)計的三維模型實體。兩種樹脂固化前為液體，均有流動、可塑、易涂布的特點，但光固化樹脂能在常溫下操作、保存時穩(wěn)定、固化時間短且搭接性能好，因此光固化技術(shù)必將迅速發(fā)展。產(chǎn)品作為實用樣品使用時，由于現(xiàn)有樹脂的機械性能所限，不能用于制造承受負(fù)荷大、有交變應(yīng)力以及磨擦力大的產(chǎn)品。為提高材料的機械性能，目前采取使用硅酮橡膠材料及高性能的聚氨脂系材料的方法。
　　成型精度是RP技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用上的關(guān)鍵問題之一。在SL過程中，樹脂固化收縮特性、固化深度、涂層質(zhì)量、激光掃描線寬、掃描誤差及CAD模型網(wǎng)絡(luò)化等因素均影響成型精度。
　　2.分層物體制造LOM（Lominated Object Manufacturing）分層物體制造技術(shù)是采用激光束和薄層材料（紙片、塑料薄膜或復(fù)合材料等）生成任意形狀三維物體的方法。即工作開始時，上料卷筒把原料平鋪在工作臺的基面上，熱壓滾筒將料壓平并粘在底層上，二維數(shù)控激光切割頭的激光束，按計算機數(shù)據(jù)系統(tǒng)給出的信息指令，切出工件的截面形狀，并把周圍多余材料切碎。然后工作臺下降一個層厚的高度，上料卷筒再鋪新層。如此反復(fù)逐層粘切，直到工件制造出來為止。
　　3.熔融淀積成型FDM（Fused Deposition Modeling）熔融淀積成型是采用電加熱和熱塑材料在計算機控制下快速成型的方法，其系統(tǒng)由數(shù)控噴頭、可升降工作臺和供料裝置組成，以半流體狀或線狀熔融的熱塑材料為成型原料（如：ABS塑料、鑄造蠟、橡膠等）。即工作開始，工作臺處于高位，原料通過噴頭加熱熔融后，按計算機的控制指令連續(xù)擠噴在選定的區(qū)域（即工件的截面）上，隨之冷卻固化成型。工作臺下降一個層厚的高度，再擠噴第二層，如此反復(fù)直到工件全部成型。
　　4.選擇性激光燒結(jié)SLS（Selective Laser Sintering）選擇性激光燒結(jié)技術(shù)與SL技術(shù)相似，也用激光束掃描各層材料，但用粉末（塑料粉、金屬粉、陶瓷粉）代替液體聚合物。粉末被預(yù)熱到稍低于其熔點的溫度，然后采用激光掃描加熱粉末至其燒結(jié)溫度，從而把它和基體材料連結(jié)一起，未被激光掃描的粉末仍留在原處。燒結(jié)好一層后將工作臺下降一層高度，再燒結(jié)長二層，直到制造出整個制件。由于未燒結(jié)的粉末圍繞未燒結(jié)好的零件，對它有一支撐作用，所以制作中不需復(fù)雜的支撐系統(tǒng)。
　　選擇性激光燒結(jié)系統(tǒng)中，激光器種類、激光掃描形式、計算機切片薄層厚度、激光掃描器的計算機控制以及粉末材料的選擇均影響工件的成型精度和性能。大多數(shù)粉末在燒結(jié)時會發(fā)生收縮，結(jié)果是引起內(nèi)部殘余應(yīng)力并發(fā)生應(yīng)變變形，影響精度。粉末顆粒的粗細(xì)也會影響制件的表面質(zhì)量。陶瓷粉經(jīng)激光燒結(jié)成型后，為提高其機械性能和耐熱性能，必須進(jìn)行后置處理，即燒結(jié)好的陶瓷坯體放入溫控爐，在較高的溫度下進(jìn)行燒制。
　　三、RP技術(shù)用于創(chuàng)新包裝設(shè)計與加工
　　包裝設(shè)計包括結(jié)構(gòu)設(shè)計、造型設(shè)計與裝潢設(shè)計。其中結(jié)構(gòu)設(shè)計主要解決科學(xué)性和技術(shù)性的問題，體現(xiàn)了容裝性、保護(hù)性和方便性；造型設(shè)計是運用美學(xué)法則（點、線、面、體等各種形態(tài)要素的規(guī)律）對包裝的立體外觀所進(jìn)行的藝術(shù)設(shè)計，主要解決藝術(shù)性和心理性的問題，體現(xiàn)顯示性與陳列性。二者相輔相成但又相對獨立。包裝結(jié)構(gòu)設(shè)計是包裝造型設(shè)計的基礎(chǔ)，不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計對包裝的外觀有直接的影響，每一創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計同時也要求有一創(chuàng)新的造型與之配合。同一結(jié)構(gòu)設(shè)計可以配合不同的外觀設(shè)計，但不能以外觀設(shè)計為基礎(chǔ)來改變結(jié)構(gòu)設(shè)計。造型的表現(xiàn)手法靈活多樣，可促進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計適度調(diào)整。尤其對于包裝制品中的異形化妝品瓶、異形調(diào)味品瓶可以是除普通圓形瓶以外的各種形狀的多面體、橢圓柱體、多種旋轉(zhuǎn)體的組合以及其它藝術(shù)造型。這類容器外觀各異，更新?lián)Q代迅速，在設(shè)計時更要非常注重結(jié)構(gòu)與造型的創(chuàng)新。同時應(yīng)考慮到其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、受力不佳、瓶壁厚、模具設(shè)計制造特殊、生產(chǎn)效率低、不適合于自動化生產(chǎn)，生產(chǎn)及運輸成本均比較高等問題。傳統(tǒng)包裝CAD三維模型并不能給這類設(shè)計與加工以充分的空間及便利，而RP技術(shù)以其鮮明的特點在此方面有顯著優(yōu)勢，現(xiàn)就將RP技術(shù)用于創(chuàng)新包裝設(shè)計與制造的模式做如下探討。
　　1.創(chuàng)新包裝設(shè)計
　　在新產(chǎn)品開發(fā)階段，設(shè)計者借助于圖紙或計算機模擬的手段對包裝產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、造型進(jìn)行表達(dá)和展示是不夠直觀的，不利于做出正確的判斷與修改，有礙于及時獲得市場反饋信息。若采用RP技術(shù)與設(shè)備，其制模機不需大量的安裝費用和高深的制造工藝知識，在設(shè)計室內(nèi)就可迅速廉價地提供三維實體模型、制作樣品，供設(shè)計者直觀測量、接受用戶的直接評價，同時可迅速做出結(jié)構(gòu)造型上的反復(fù)修改，成本不高。即使設(shè)計符合預(yù)期結(jié)構(gòu)、造型和功能要求，又大大縮短了新產(chǎn)品設(shè)計周期和市場評估周期，因而能使產(chǎn)品更易快速投產(chǎn)，提前占領(lǐng)市場。據(jù)統(tǒng)計，快速成型制品有43%用于確認(rèn)設(shè)計。
　　2.包裝制品加工
　　由于RP技術(shù)不受容器結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的限制，加工速度快，可直接實現(xiàn)塑料、陶瓷包裝容器的單件生產(chǎn)。也可用于制造模具，供塑料、陶瓷容器成型使用。模具制造分為間接制模與直接制模兩種方法。間接制模即先用RP技術(shù)制造產(chǎn)品母模，然后據(jù)母模生產(chǎn)塑料或金屬件的模具。如：可據(jù)母模復(fù)制硅橡膠模生產(chǎn)金屬件、塑料件或注射模，或據(jù)母模復(fù)制硬環(huán)氧樹脂靠模，制造注射模。也可用母模代替木模制造砂模，生產(chǎn)注射模或金屬件。或用RP模進(jìn)行熔模鑄造等。直接制模中主要采用選擇性激光燒結(jié)（SLS）直接制作金屬模具。將金屬粉末用易消失性聚合物包覆，通過選擇性激光燒結(jié)得到金屬粘結(jié)實體，再將樹脂在一定溫度下分解消失，然后使成型的金屬粉末在高溫下燒結(jié)而得到金屬的燒結(jié)件。這種燒結(jié)往往是低密度的多孔狀結(jié)構(gòu)，可以滲入第二相熔點較低的金屬后直接形成金屬模具。用這種方法制作的鋼銅合金注射模，壽命可達(dá)5萬件以上。
　　四、結(jié)束語
　　包裝設(shè)計是一種動態(tài)的設(shè)計活動，其生命力在于不斷創(chuàng)新。特別是在商品競爭激烈的形勢下，包裝設(shè)計的時間性問題尤為突出。RP技術(shù)正因其鮮明的特點及優(yōu)勢能滿足迅速變化的市場需要，成為實現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計的有效手段，其前景相當(dāng)廣闊。當(dāng)然由于RP技術(shù)尚處于發(fā)展階段，產(chǎn)品的成型精度和機械性能均有待于進(jìn)一步提高。目前世界上美國應(yīng)用RP技術(shù)及設(shè)備最多，其次是歐共體、日本。我國1996年統(tǒng)計已進(jìn)口各類成型機12臺，1997年在中國國際機床展覽會上，國產(chǎn)的AFS-300型SL成型機及F-260型FDM成型機展出。這標(biāo)志我國RP技術(shù)與設(shè)備已進(jìn)入實用化階段并將形成產(chǎn)業(yè)。因此，研究探討將快速成型技術(shù)用于創(chuàng)新包裝設(shè)計與制造是很有現(xiàn)實意義的。