一、引言
　　時(shí)代的發(fā)展要求包裝設(shè)計(jì)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(kāi)發(fā)一切產(chǎn)品的基本要求，因?yàn)闆](méi)有成本效益就沒(méi)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(jì)行為中，產(chǎn)品成型初始階段的概念設(shè)計(jì)是產(chǎn)品設(shè)計(jì)極為重要的階段，它所消耗的時(shí)間和費(fèi)用約占60%～70%。因此，如何提高該階段的設(shè)計(jì)質(zhì)量，將直接影響產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期和成本效益。
　　傳統(tǒng)的CAD手段不但要求設(shè)計(jì)者具有專家的知識(shí)，并且要通曉產(chǎn)品設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)一開(kāi)始就試圖進(jìn)入詳細(xì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段。這種詳細(xì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的方式往往在整個(gè)設(shè)計(jì)方案出臺(tái)前要經(jīng)多次修改，花費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)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(jì)周期長(zhǎng)和成本高。再者當(dāng)前CAD環(huán)境中人機(jī)界面大多采用圖形用戶界面、二維鼠標(biāo)和鍵盤(pán)的形式，不把人的參與真正考慮進(jìn)去，這就從某個(gè)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(jì)與加工過(guò)程，確保產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)的活力。
　　二、快速成型技術(shù)的原理及特點(diǎn)
　　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(lái)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(dòng)生成實(shí)體模型或零件。RP技術(shù)本質(zhì)在于被加工對(duì)象的幾何拓補(bǔ)關(guān)系，通過(guò)CAD模型加以描述和確定，高散處理得到驅(qū)動(dòng)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(diǎn)是：可快速生產(chǎn)模型或制件，周期短，成本低；對(duì)制件的復(fù)雜性幾乎無(wú)任何限制；制作過(guò)程中不用模具、夾具、刀具，不需任何機(jī)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(duì)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(zhǎng)的紫外線激光束按每個(gè)切層的二維截面形狀對(duì)液態(tài)光固化樹(shù)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(tái)上表面），然后升降臺(tái)下沉一個(gè)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(lái)的固化物即為根據(jù)CAD數(shù)據(jù)所設(shè)計(jì)的三維模型實(shí)體。其成型材料為光固化樹(shù)脂。若用熱固化樹(shù)脂代替，用激光束掃描液面，在激光點(diǎn)的熱作用下產(chǎn)生熱聚合固化，也可得到據(jù)CAD所設(shè)計(jì)的三維模型實(shí)體。兩種樹(shù)脂固化前為液體，均有流動(dòng)、可塑、易涂布的特點(diǎn)，但光固化樹(shù)脂能在常溫下操作、保存時(shí)穩(wěn)定、固化時(shí)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(shí)用樣品使用時(shí)，由于現(xiàn)有樹(shù)脂的機(jī)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(jī)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(wèn)題之一。在SL過(guò)程中，樹(shù)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(kāi)始時(shí)，上料卷筒把原料平鋪在工作臺(tái)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(jì)算機(jī)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?chē)�多余材料切碎。然后工作臺(tái)下降一個(gè)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(lái)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(jì)算機(jī)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(tái)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(kāi)始，工作臺(tái)處于高位，原料通過(guò)噴頭加熱熔融后，按計(jì)算機(jī)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(tái)下降一個(gè)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(diǎn)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(tái)下降一層高度，再燒結(jié)長(zhǎng)二層，直到制造出整個(gè)制件。由于未燒結(jié)的粉末圍繞未燒結(jié)好的零件，對(duì)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(jì)算機(jī)切片薄層厚度、激光掃描器的計(jì)算機(jī)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(shí)會(huì)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(huì)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(jī)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(jì)與加工
　　包裝設(shè)計(jì)包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、造型設(shè)計(jì)與裝潢設(shè)計(jì)。其中結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要解決科學(xué)性和技術(shù)性的問(wèn)題，體現(xiàn)了容裝性、保護(hù)性和方便性；造型設(shè)計(jì)是運(yùn)用美學(xué)法則（點(diǎn)、線、面、體等各種形態(tài)要素的規(guī)律）對(duì)包裝的立體外觀所進(jìn)行的藝術(shù)設(shè)計(jì)，主要解決藝術(shù)性和心理性的問(wèn)題，體現(xiàn)顯示性與陳列性。二者相輔相成但又相對(duì)獨(dú)立。包裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是包裝造型設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)包裝的外觀有直接的影響，每一創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)同時(shí)也要求有一創(chuàng)新的造型與之配合。同一結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以配合不同的外觀設(shè)計(jì)，但不能以外觀設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)來(lái)改變結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。造型的表現(xiàn)手法靈活多樣，可促進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)適度調(diào)整。尤其對(duì)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(jì)時(shí)更要非常注重結(jié)構(gòu)與造型的創(chuàng)新。同時(shí)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(jì)制造特殊、生產(chǎn)效率低、不適合于自動(dòng)化生產(chǎn)，生產(chǎn)及運(yùn)輸成本均比較高等問(wèn)題。傳統(tǒng)包裝CAD三維模型并不能給這類設(shè)計(jì)與加工以充分的空間及便利，而RP技術(shù)以其鮮明的特點(diǎn)在此方面有顯著優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)就將RP技術(shù)用于創(chuàng)新包裝設(shè)計(jì)與制造的模式做如下探討。
　　1.創(chuàng)新包裝設(shè)計(jì)
　　在新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)階段，設(shè)計(jì)者借助于圖紙或計(jì)算機(jī)模擬的手段對(duì)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(shí)獲得市場(chǎng)反饋信息。若采用RP技術(shù)與設(shè)備，其制模機(jī)不需大量的安裝費(fèi)用和高深的制造工藝知識(shí)，在設(shè)計(jì)室內(nèi)就可迅速廉價(jià)地提供三維實(shí)體模型、制作樣品，供設(shè)計(jì)者直觀測(cè)量、接受用戶的直接評(píng)價(jià)，同時(shí)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(jì)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(jì)周期和市場(chǎng)評(píng)估周期，因而能使產(chǎn)品更易快速投產(chǎn)，提前占領(lǐng)市場(chǎng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，快速成型制品有43%用于確認(rèn)設(shè)計(jì)。
　　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(shí)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(shù)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(guò)選擇性激光燒結(jié)得到金屬粘結(jié)實(shí)體，再將樹(shù)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(diǎn)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(wàn)件以上。
　　四、結(jié)束語(yǔ)
　　包裝設(shè)計(jì)是一種動(dòng)態(tài)的設(shè)計(jì)活動(dòng)，其生命力在于不斷創(chuàng)新。特別是在商品競(jìng)爭(zhēng)激烈的形勢(shì)下，包裝設(shè)計(jì)的時(shí)間性問(wèn)題尤為突出。RP技術(shù)正因其鮮明的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)能滿足迅速變化的市場(chǎng)需要，成為實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)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(jī)械性能均有待于進(jìn)一步提高。目前世界上美國(guó)應(yīng)用RP技術(shù)及設(shè)備最多，其次是歐共體、日本。我國(guó)1996年統(tǒng)計(jì)已進(jìn)口各類成型機(jī)12臺(tái)，1997年在中國(guó)國(guó)際機(jī)床展覽會(huì)上，國(guó)產(chǎn)的AFS-300型SL成型機(jī)及F-260型FDM成型機(jī)展出。這標(biāo)志我國(guó)RP技術(shù)與設(shè)備已進(jìn)入實(shí)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(jì)與制造是很有現(xiàn)實(shí)意義的。