个性化物流包装增材制造技术研究

周赛琦 ，班 欣 ，王 翔 ，王伟杰 ，郑 凯

（1.广西大学 机械工程学院，广西 南宁 530004；2.广西物资学校，广西 南宁 530003）

1 背景分析

增材制造技术（也称3D打印技术）是近年来人们研究的热点，它是根据已设计好的三维模型，通过3D打印设备逐层打印的方式来制造实体模型的技术[1]。

相较于传统的制造加工技术来说，增材制造技术拥有容易成型，节省材料等优点[2]。个性化物流包装是指将增材制造技术运用到物流包装领域，不仅可以满足客户对包装外形的个性化定制的要求，而且能使包装内部具有随形存放功能，对商品起到良好的保护作用[3]。本文研究利用增材制造技术对价值高、易破碎、外形不一等特点的商品的包装进行设计和制造的方法。

2 技术过程

本文利用三维扫描仪以及3D打印机等硬件和三维制图软件实现物体包装结构的个性化定制。融合包装技术、3D打印技术的工艺过程。首先，对包装对象的外形、结构等特点进行分析，然后利用三维扫描仪和逆向建模软件将被包装物品转换为三维模型，再结合客户的个性化定制要求利用三维制图软件对物体的包装结构模型进行三维设计。最后，通过虚拟装备技术检测包装是否合理，结合包装工艺修改模型外观、尺寸等。操作完成后，保存为STL格式文件，输入打印机进行实体打印，技术流程如图1所示。

图1 技术流程图

3 实例研究

以一个陶瓷马的工艺品为包装的研究对象，其尾部是一个易断裂的结构，整个陶瓷马的外形具有复杂的曲面。该工艺品传统的包装方式是运用纸箱作为外包装，里面填充纸片或气泡膜，虽然具有良好的减震作用，但是在运输中不能很好的固定物体。这个工艺品很好地呈现那些价格高昂的工艺品在运输过程中所遇到的包装固定问题。本文将结合三维制图软件和三维扫描技术设计出满足存放保护功能以及客户个性化定制功能的陶瓷马工艺品物流包装结构。首先，获取陶瓷马的点云数据，从而得到陶瓷马的三维模型；然后，结合客户定制要求，设计陶瓷马的物流包装，并检测包装的合理性；最后，运用3D打印设备对包装进行打印。

（1）利用3D扫描技术得到陶瓷马的点云数据

研究使用双目非接触式三维扫描仪获取陶瓷马三维数据。双目非接触式三维扫描仪的原理是用具有特殊形状的光源照射被测物体，照射中会产生变形光栅，利用光栅的几何信息来得到被测物体的表面三维坐标。该仪器由计算机、两架大恒MER-130-30UM工业相机、白色结构光栅发射器、IC高速工业相机扫描工作台、转台电机以及其它必要配件组成。陶瓷马尺寸较大且结构复杂，通过标志点拼接的方法，从多个角度对陶瓷马外形进行扫描，确保两两拼接面之间至少有四个公共标志点，扫描得到陶瓷马的完整点云数据。双目非接触式三维扫描仪原理如图2所示。

图2 双目非接触式三维扫描仪原理图

（2）运用逆向建模软件得到陶瓷马的三维模型

通过三维扫描仪扫描陶瓷马得到原始的点云数据后，利用Geomagic Studio软件进行逆向建模，得到陶瓷马的三维模型。首先，对点云数据进行一系列处理，包括合并点对象、删除点云数据中的非连接项和体外孤点、减少噪声和统一采样[4]。点云处理后，工艺品陶瓷马的外形如图3所示。

图3 陶瓷马外形图

然后，对陶瓷马点云数据进行封装，将点云对象转为多边形对象。通过填充孔操作补全数据处理过程中因数据丢失造成的点状空洞[5]。最后，经过曲面处理，得到工艺品的NURBS曲面模型，并将模型输出为IGES/STEP的文件。

（3）运用三维建模软件设计物体的物流包装

根据该工艺品的形状，确定陶瓷马的最终包装方案。外壳结合客户要求设计个性化图案或结构加以美化。内部缓冲盒有一空腔，空腔两侧曲面形状与陶瓷马侧面包络面一致，跟工艺品随形贴合，轮廓曲线与陶瓷马侧视轮廓线一致，保证工艺品能够稳定放入包装容器中。该设计过程由客户参与，体现物流包装的个性化功能。该包装分为外壳和内部缓冲盒两部分，如图4所示。

图4 包装外形效果图

（4）运用虚拟装配技术检测包装的合理性

利用UG软件的仿真功能进行陶瓷马模型与陶瓷马外包装模型的虚拟装配，验证包装的可行性，并进行结构优化。通过虚拟装配，检查物体随形存放的契合度以及存取物品是否方便等实际应用效果[6]。在实际生产过程中通过装配效果图与客户进行交互，满足客户的个性化要求。这种客户参与商品设计的过程已成为一种新的生产经营模式。

（5）运用3D打印设备对包装进行打印

将包装转为STL格式，利用cura软件进行分层处理。将文件导入打印机，调整好设备，设置打印参数：层高0.2 mm；壁厚1.2 mm；打印速度40 mm/s；填充速度30 mm/s；空走速度90 mm/s。研究所用的打印材料是PLA和TPU。PLA材质比TPU硬度大，并且强度高，用于包装的外部结构。TPU质软，用于包装的内部结构，对内部物品也有一定减震能力，保护包装物体不易损坏。打印完成后，取出模型，对模型进行去支撑处理。使用抛光液对模型进行抛光处理，使模型表面更加光滑平整，包装实物图如图5所示。

图5 包装实物图

4 结语

本研究利用增材制造技术实现对物体物流包装的制造，设计出满足物体存放保护功能以及客户个性化定制功能的物流包装结构。首先，使用3D扫描仪和逆向建模软件创建不同物品的三维模型；然后，通过UG软件设计个性化的包装结构；最后，利用3D打印机打印出包装结构，制造出满足个性化定制要求、物流运输要求和包装工艺要求的包装结构。设计包装的操作均在计算机上进行，使用三维建模技术和虚拟装配技术能对包装模型进行反复修改和再设计，充分实现包装适应物品，同时满足客户个性化定制要求。