CAD在塑料包装设计中的应用

李 静，刘 畅，刘 静

（邯郸学院，河北 邯郸 056005）

计算机辅助设计（CAD）用于设计对象的软件解决方案。CAD系统可以为包装设计服务。采用CAD技术可以构造多种艺术形象（如图案、纹饰、包装造型设计等），同时也可以实现合理的颜色配置，为产品的塑料包装设计现代化提供了更多、更好、更快的选择［1-4］。本文对近年来CAD在产品包装领域的新进展进行了综述。

1 CAD在生态设计中的应用

目前，可生物降解材料是合成高分子材料的研究热点，以聚乳酸为代表的生物高分子材料的生产规模已经很大。世界上每年产生的一次性塑料包装垃圾高达上亿吨，仅我国每年食品塑料包装产生的垃圾就达数百万吨，且呈不断上升之势。美国食品药品监督管理局规定，只有可生物降解塑料和极少数水降解塑料可用于食品包装材料，光降解塑料或光、生物双降解塑料都不能作为食品包装材料［5］。

包装的绿色化、资源化、减量化、再利用是包装设计的重要发展方向，生态设计是一切包装设计的出发点和落脚点，也是CAD的重要发展方向。鲜果的包装对鲜果的长期储存及升值具有重要作用。段华伟［6］提出了鲜果气调包装设计理念，将对果蔬气调包装设计影响最大的8个关键参数组成4对关键参数比，采用关键参数比例法气调包装设计方法及分级设计指导原则，构建了鲜果气调包装设计流程；用Matlab软件开发了具有气体浓度动态模拟功能的CAD软件，用于番石榴气调包装设计，结果显示，气调包装番石榴的保质期为30～35 d，较未包装的延长了1倍多。王作雨等［7］将CAD/计算机辅助工程、有限元仿真分析等技术用于军品物流包装的生态设计，设计的军品物流包装符合减量化、资源化、再利用、循环经济及绿色化理念。曹菲［8］利用Matlab GUI软件开发了果蔬气调包装CAD系统，结果表明，可根据产品的理想气调环境参数选择合适的薄膜材料，计算有利于气体交换的塑料薄膜面积或厚度，可快速进行常见果蔬产品的气调包装设计，极大提高了设计效率和结果可靠度。栾志福［9］采用类似方法建立了果蔬气调包装CAD方法，优化了设计流程。

对于湿敏性商品（如茶叶），通常采用防潮包装。防潮包装、产品及周围环境即构成了一个整体。王鹏［10］通过分析三者之间的相互关系，建构了湿敏性产品的包装储存期模拟图。以茶叶的吸湿特性、包装薄膜透湿率、各种薄膜在不同温度条件下的K值（K值表示与包装材料和环境温度有关的系数［11］）及包装内外湿度等因素的运算关系为基础，采用Matlab软件拟合茶叶的吸湿特性曲线，得到储存期间茶叶包装内的相对湿度、平衡含水量与时间的关系式，进而得到茶叶包装储存期预测模型公式。结果表明，该模型得到的结果可信，可提高茶叶储存期、保证茶叶质量、提高经济效益。

2 CAD在异型包装设计中的应用

2.1 折叠片设计

塑料包装以聚氯乙烯，聚对苯二甲酸乙二酯，聚苯乙烯，聚丙烯等为主要组分，依靠注塑、挤出或吹塑成型。包装盒的壁厚通常不大于2.0 mm，在成型过程中易出现熔接痕、翘曲、缺料、气孔等缺陷，因此，薄壁塑料包装模具的设计要求精度更高，成型工艺参数更科学，控制更精确。达索系统公司［12］设计了一种包装用折叠片：提供由弯折线分离的面板，面板包括形成循环并且由共点弯折线分离的至少4个相邻面板，在连续的弯折线之间具有预定角度，以此确定链接循环的相邻面板之间角度的控制规律。这种方法体现了CAD在处理复杂包装设计图案中的作用。该公司提供了一种用于固体物体包装支撑结构的方法［13］，包括多个线性支撑元件，其实现方法为：（1）将固体物体的三维模型输入程序中；（2）计算固体物体的根据第一轴线的第一累积线性质量密度分布；（3）使用第一累积线性质量密度分布来确定多个线性支撑元件沿着第一轴线的位置，其使固体物体的质量在多个线性支撑元件上均匀分布。该发明还提供了用于执行这种方法的计算机程序、非易失性计算机可读数据存储介质和CAD系统，提供了根据计算机实施方法设计的支撑结构及其制造方法。

目前，缺陷检测系统对半导体塑料包装缺陷位置的检测能力较差。为此，Niu Zanyao［14］设计了一种基于机器视觉的半导体塑料包装缺陷检测系统。硬件方面，基于机器视觉技术，确定系统框架，选择摄像机、镜头和光源模型，确定检测目标图像采集参数。软件方面，根据机器视觉技术获取的目标图像，对图像进行预处理、分割和特征提取，以识别和检测目标图像，检测半导体塑料包装缺陷。结果表明，该设计系统能够准确检测出半导体塑料包装中的缺陷以及缺陷的位置。

2.2 异型盒或管设计

对于化妆品、洗涤用品、清洁用品等包装，普遍采用塑料包装。为了增加商品的市场竞争力，在包装的设计上，除了要满足功能性、安全及卫生性、操作便利性以外，还要具有艺术美观性，因此要开发异型盒或管式塑料包装材料。

黄利强等［15-16］基于拼合法实现了对异型盒的参数化设计。采用OpenGL软件开发了尺寸自动标注功能，以纸盒平面结构模型为出发点，应用图形处理技术构建了三维实体模型，开发了纸盒三维成型系统。郑小利［17］将AutoCAD2010与Auto LISP程序结合，采用盒素库技术与参数化设计结合方案，完成了管式折叠塑料包装的设计程序开发，模拟仿真实验表明，该程序可以满足管式折叠塑料包装的设计要求。天津科技大学［18］公开了一种包装纸盒结构设计系统及其设计方法，设计系统为计算机主机中连接有盒型设计模块、三维显示模块、三维变换模块以及三维设置模块。设计方法包括：基于拼合法，采用盒型库和盒素库技术的二维结构图形绘制；根据二维结构图形，通过三维显示模块、三维变换模块及三维设置模块进行三维显示。该发明进行二维设计时就可检验三维效果，及早发现设计失误，节约打样成本，缩短了设计周期，提高了工作效率，节约了生产成本。冯嫦［19］建立了可重构和模块化划分的四边封立式袋装机CAD技术及参数化设计系统，将单个装置组合为四边封立式袋装机，在总体机架、电机和切割辊参数保持不变的情况下，袋装机具有良好可靠性、较高的效率，完全满足高质量产品的加工需求。

2.3 缓冲包装设计

泡沫塑料除了具有良好的缓冲性能和吸振性能，还具有质量轻、易加工、价格低、易回收等优点，被广泛用作缓冲包装材料，常用的缓冲包装塑料有发泡聚苯乙烯、发泡聚乙烯、聚氨酯泡沫等。由于缓冲材料静压试验获得的应力-应变曲线具有非线性、分段拟合时不易收敛的特性，因此对于缓冲包装设计的研究相对较少。徐绍虎等［20］以3次Bezier曲线分段拟合应力-应变曲线的方法，得到了缓冲系数-最大应力参数方程，开发了基于3次Bezier曲线的缓冲包装用CAD软件，利用“已有材料”进行缓冲包装设计时，只需输入等效跌落高度、产品脆值、产品质量（或产品表面积）即可获得缓冲衬垫的面积和厚度，可以高效完成计算机辅助的缓冲包装设计。

3 CAD在特色产品设计中的应用

农产品包装普遍采用发泡塑料盒或塑料袋包装，民族特色产品通常采用具有民族传统特色图案的塑料包装。

曹宙［21］从色彩的民族特色和CAD色彩设计的表现手法两方面研究农产品包装的色彩设计。制定了农产品包装CAD色彩设计的表现手法，搭建具有民族特色和地方特色的农产品包装色彩设计的理论框架，制作了“乐于种”种子系列包装和樱桃包装。严叶聃睿［22］针对民族产品的织绣图案特点，采用CAD技术设计了系列民族产品刀版图，运用参数化设计技术、元素装饰技术、色彩提取技术为具有民族特色产品设计开辟了新的途径。

4 CAD在提高包装效率中的应用

无论是软包装（包装膜厚度小于0.25 mm）还是硬包装，塑料包装在食品、化妆品、润滑油、防冻液等行业具有广泛应用。包装设计固然重要，在实施包装过程中，提高包装效率也十分重要。在食品包装中，为杜绝食品安全问题并提高包装效率，在糕点等全自动包装线上包装盒的取盒比较关键，在通常情况下，包装盒都处于未打开且相互叠置状态，因此，需要专门的取盒装置将包装盒逐个取出再打开，才能保证产线连续运行。

余斌等［23］在构思开盒流程和机械原理的基础上，将开盒流程分为上取盒、下接盒机构和盒体输送机构三部分。利用CAD技术确定接盒初始角为17°，开盒对接角度为30°，最终完成了开盒机的总体结构设计，可以通过各种网络通讯协议使开盒设备的可编程逻辑控制器和制造执行系统建立连接，达到智能化生产的目的，极大提高了食品包装效率。珠海格力电器股份有限公司［24］提供了一种待包装对象的包装方法及装置。根据待包装对象的特征信息生成三维模型，获取三维对象模型所对应的包装物料模板，生成三维包装物料模型，进行可行性评估，在评估结果通过的情况下，确定三维包装物料模型为目标三维包装物料模型，用于指示待包装对象的包装信息。该方法可以解决产品包装效率较低的问题。焦作大学［25］提供了基于人工智能的包装设计方法及装置，包括：获取包装需求信息、获取包装材料信息。将二者通过包装设计模型，生成包装设计信息，根据包装设计信息执行设计操作。该发明大幅降低了包装设计的人力成本，提高了包装设计效率。刘雪飞［26］以Solid Edge三维实体造型CAD软件为二次开发平台，结合Visual Basic编程语言和Microsoft Access数据管理工具，提出了CAD软件二次开发设计及其关键技术。基于模块化设计思想，结合参数化设计方法，建立了三维实体模具零件库。在复合塑料包装制品共挤出机头CAD系统的运行实践表明，该系统具有可行性。

5 结语

计算机及软件技术的迅猛发展，为包装设计专业CAD技术的进步提供了更多可能。就软件开发而言，不同的软件各有优势和不足，在CAD设计时，需要将不同的软件组合起来，整合不同软件与包装设计相关的功能，才能构建更加科学、合理、完整的包装设计理论体系；就软件使用而言，为了满足不同行业、不同领域、不同产品的包装需求，在包装设计时，既要贯彻生态设计理念，又要满足人们对包装形式美和内容美的追求；就包装效率而言，要根据包装对象的不同，在追求包装美的同时，还要追求包装过程的高效、低碳和环保。