文/廣州番禺職業(yè)技術(shù)學(xué)院藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院 肖婕

冰激凌作為一種夏季暢銷冷凍飲品，擁有不斷擴(kuò)大的消費(fèi)市場(chǎng)。但從銷售處（即物流末端）到消費(fèi)者手中“最后一公里”的配送過程[1]，缺乏冷鏈運(yùn)輸環(huán)節(jié)的保溫措施，同時(shí)環(huán)境溫度的升高必然引起冰激凌品質(zhì)的改變。為了保證冰激凌從生產(chǎn)到食用整個(gè)環(huán)節(jié)均保持良好品質(zhì)的溫度范圍內(nèi)，筆者認(rèn)為有必要尋求一種新的成型工藝，結(jié)合材料的保溫阻熱性能和合理的包裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以此形成一種冰激凌溫控包裝系統(tǒng)，確保在儲(chǔ)存運(yùn)輸過程的最后一公里中，冰激凌始終處于合適溫度范圍內(nèi)，防止受溫度影響而質(zhì)變。然而傳統(tǒng)的滾塑成型制備中空包裝容器工藝難以適應(yīng)目前冰激凌配送環(huán)節(jié)“小的”、“精細(xì)的”包裝，造成了資源很大程度上的浪費(fèi)。

一、包裝行業(yè)中空滾塑工藝

滾塑成型技術(shù)的日趨成熟，中空滾塑容器在包裝領(lǐng)域中已獲得廣泛應(yīng)用。滾塑（Rotational Moulding）成型工藝[2]首先在模具中加入塑料原料，其次模具沿兩垂直軸方向旋轉(zhuǎn)，使其內(nèi)壁升溫加熱，在重力和熱能的作用下，模內(nèi)的塑料原料勻速地涂布、熔融粘附于模腔表面，塑造成設(shè)計(jì)好的形狀，冷卻定型后最終成制品。滾塑產(chǎn)品制件都是中空的，其最大特點(diǎn)是無接縫，無注塑口、壁厚平均、一次成型。滾塑工藝的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：適宜模塑超大型、超厚形狀復(fù)雜的中空塑料制品；相對(duì)其它塑料成型加工方式，物料的利用率是相對(duì)比較高的，有利于節(jié)約原材料。

但滾塑工藝的缺點(diǎn)也較明顯，主要表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：能耗太高，能源利用率較低；成型周期較長；智能化程度較低；制品尺寸精度比較差。

二、3D打印技術(shù)原理及特點(diǎn)

（一）3D打印技術(shù)原理

個(gè)性化產(chǎn)品通常被認(rèn)為是3D打印和數(shù)字制造沖擊傳統(tǒng)制造業(yè)最有力的工具。

1.技術(shù)原理

“分層制造、逐層疊加” 是3D打印技術(shù)基本原理核心，即對(duì)一系列增材制造技術(shù)的統(tǒng)稱。由快速成型機(jī)在X-Y軸坐標(biāo)方向生成目標(biāo)物體的截面形狀，其次在Z軸坐標(biāo)間斷地作層面厚度位移，最終形成三維制件的實(shí)物。3D打印機(jī)的原理是在計(jì)算機(jī)分層數(shù)據(jù)信息驅(qū)動(dòng)下，通過層疊截面技術(shù)，使各種原材料形成連續(xù)的薄型層面，同時(shí)利用支撐結(jié)構(gòu)層堆疊起來，這僅僅是試樣，還不是正式的產(chǎn)品模具，必要時(shí)還需要后加工處理，最終得到實(shí)體物品。由于是采用將截面逐自下而上逐層堆疊這一工作方式，在制作模型的空腔和懸臂部分，必須要有支撐結(jié)構(gòu)為模型部分提供支撐（圖1）。制造的終極目標(biāo)是締造實(shí)物。3D打印之所以可以高效、便捷、精確地進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)新的開發(fā)，正是融合了CAD技術(shù)、CAM技術(shù)、材料化學(xué)、激光技術(shù)、機(jī)械工程等多種技術(shù)支持的基礎(chǔ)上才實(shí)現(xiàn)的。

圖1 支撐結(jié)構(gòu)

3D打印如何挑戰(zhàn)傳統(tǒng)制造業(yè)。首先傳統(tǒng)制造業(yè)的弱點(diǎn)（廢舊物資、附加設(shè)備、熟練的勞動(dòng)力）為3D打印進(jìn)入這個(gè)產(chǎn)業(yè)化市場(chǎng)提供了契機(jī)。與傳統(tǒng)制造業(yè)大相徑庭的是3D打印更具融合性，它涵蓋了一系列更廣泛的技術(shù)，可用于塑料、金屬、陶瓷和其他材料，而且材料的形態(tài)多樣化[3]。其次擁有全新的制造理念、原型和產(chǎn)品的3D打印技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)制造業(yè)最大影響可能是它打破了進(jìn)入這個(gè)產(chǎn)業(yè)化市場(chǎng)壁壘的方式。許多3D打印設(shè)備比如桌面型3D打印機(jī)無需特定的、大型的場(chǎng)所，比如辦公室或者家庭都可以較容易設(shè)置，數(shù)字化，自動(dòng)化操作，允許不同類型的企業(yè)進(jìn)入。小型企業(yè)無需專門的制造商協(xié)作，可以打印“試樣”產(chǎn)品，與此同時(shí)，大型企業(yè)可拓展高端3D打印生產(chǎn)線，完成精確原型和專用部件的制造[3]。

3D打印流程一般遵循三步驟，即前處理、成型制作和后處理（圖2）。

圖2 3D打印的流程圖

2.3D打印技術(shù)主流的成型工藝

目前，3D打印主流的工藝流程，包括熔融沉積成型（FDM）、光固化快速成型（SLA）、選擇性激光燒結(jié)（SLS）、分層實(shí)體制造（LOW）和三維印刷工藝（3DP）。其中應(yīng)用最廣泛的是熔融沉積成型（FDM）

FDM其打印原理[4]為采用熱塑性高分子聚合物，并將其制備成為絲狀耗材。然后步進(jìn)電機(jī)將材料擠出到噴頭內(nèi)，同時(shí)設(shè)置好的一定溫度加熱將材料熔化。隨之噴頭的運(yùn)動(dòng)軌跡是不斷沿著打印件的截面輪廓和填充方向，并將熔化的耗材擠出，耗材凝固并以逐層堆積方式固定形狀。FDM工藝的缺點(diǎn)是需要支撐材料，剝除支撐后，成型后原型可能會(huì)出現(xiàn)變形現(xiàn)象，比如明顯的條紋、凸起、凹坑、抽絲等，造成打印產(chǎn)品的表面精度相對(duì)較“差”。FDM工藝的最大優(yōu)點(diǎn)是尺寸和儲(chǔ)存穩(wěn)定性好。通常，采用ABS、PLA等熱塑性材料作為成型材料，對(duì)光照、濕度、暴曬等環(huán)境因素均表現(xiàn)較好的穩(wěn)定性，并且可以長期穩(wěn)定存儲(chǔ)；對(duì)環(huán)境造成污染較?。辉谡麄€(gè)打印過程中不涉及高溫，高壓，無毒排放。設(shè)備、材料體積較小，便于適用家庭、辦公室等場(chǎng)所作為消費(fèi)級(jí)打印機(jī)。較高的耗材利用率；成型材料不僅沒有造成浪費(fèi)，甚至可以回收支撐材料二次利用。實(shí)現(xiàn)復(fù)雜程度較高的零件成型，尤其具有復(fù)雜內(nèi)腔、中空等結(jié)構(gòu)特征的零件。

（二）3D打印技術(shù)特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)

3D打印與傳統(tǒng)的成型工藝或CNC加工有著根本的不同，主要區(qū)別在于產(chǎn)品的成型過程上。因?yàn)樗罱咏凇白韵露稀钡闹圃旆绞剑谶@個(gè)過程中，基于離散-疊加原理將結(jié)構(gòu)建成其設(shè)計(jì)原型，而不是通過開模具、鑄造或鍛造、切割、部件組裝等機(jī)械加工的技術(shù)形成的。這里所說的原型是指能代表一切性質(zhì)和功能的實(shí)驗(yàn)件，也可稱之為打印試樣，一般較少的數(shù)量，常用來在新產(chǎn)品試制時(shí)作評(píng)價(jià)之用。而成型的零件是指已經(jīng)通過快速模具制造出來的最終產(chǎn)品，具備最佳的特性，功能性和經(jīng)濟(jì)性。3D打印技術(shù)的基本原理特點(diǎn)，決定了它擁有眾多技術(shù)優(yōu)勢(shì)。主要表現(xiàn)在以下三方面：數(shù)字化、一體化、減量化[5]。

三、3D打印材料的種類及性能

3D打印材料種類繁多，分類方式各有不同。常見的按照材料的物理狀態(tài)、化學(xué)性能可分為金屬材料、高分子材料和無機(jī)非金屬材料三大類[6]。其中高分子材料因其具備很多優(yōu)異的性能，如可塑性大，易加工成型，易進(jìn)行改性研究等，在3D打印耗材領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，并且用量最大。理論上，隔熱保溫包裝方案如何選擇高分子材料的標(biāo)準(zhǔn)，是通過引入一項(xiàng)高分子材料的物理性能“導(dǎo)熱系數(shù)”來判定的。因?yàn)楦叻肿硬牧洗蠖嗍菬岬牟涣紝?dǎo)體（見表1）[7]。與具有高導(dǎo)熱性的金屬相比較，高分子材料是金屬的1/500-1/600倍關(guān)系。0.02-0.046W/m.K一般為泡沫塑料的導(dǎo)熱系數(shù), 約為金屬的1/1500,普通粘土磚的1/20，水泥混凝土的1/40[8]，可作為保溫方案中材料的備選。要真正發(fā)揮其作用在保溫領(lǐng)域，不是單一的某種高分子材料，而是各種不同的復(fù)合材料。因此必須根據(jù)需要對(duì)高分子材料進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其具備復(fù)合功能，耐受高溫，在寬溫度范圍內(nèi)具有耐久性，符合其他行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。以PLA、ABS樹脂、光敏樹脂三種常用的打印材料介紹如下[12]。

表1 常見高分子材料的導(dǎo)熱系數(shù)[6]

（一）PLA

PLA（Poly lactic Acid）即聚乳酸可能是在3D打印領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛最具發(fā)展前景的原材料。PLA主要來源于可再生的植物資源（如玉米和甘蔗）所萃取的淀粉原料制成，是一種環(huán)境友好型塑料，可降解為活性堆肥。除了良好的生物可降解性，PLA材料還具備自己獨(dú)特的特性。

1.良好的光澤性和透明度。進(jìn)行了改性的3D打印級(jí)的聚乳酸一般用于消費(fèi)級(jí)、低端的3D打印機(jī)，具有多種顏色還有半透明色及全透明的可選擇，這是其它生物可降解材料無法媲美的。經(jīng)過電腦模型調(diào)色做出來的產(chǎn)品效果豐富多彩，光澤性優(yōu)異。

2.機(jī)械性能及物理性能良好。材料剛度好，打印出來的模型硬度好，強(qiáng)度好，作為結(jié)構(gòu)件經(jīng)久耐用，具有較低的收縮率，常被用于 DIY 3D 打印機(jī)的結(jié)構(gòu)件[8]。

3.良好的相容性。PLA作為一種可再生的聚合物，可用于食品包裝行業(yè)，廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥領(lǐng)域。

4.盡管PLA被用作生物可降解型的塑料，但它的主要缺陷是加工時(shí)，對(duì)溫度和濕度很敏感，沒有相變過程，不能抵抗溫度的變化，作為打印耗材使用時(shí)，必須添加劑制成PLA混合物。

5.PLA的熱學(xué)性能。鄭彩平[9]等采用綜合同步熱分析法（STS）對(duì)進(jìn)口與國產(chǎn)聚乳酸（3D打印級(jí)）熱學(xué)性能比對(duì)研究表明存在一定的差異如表2所示。

表2 進(jìn)口與國產(chǎn)聚乳酸熱擴(kuò)散系數(shù)、導(dǎo)熱、比熱測(cè)試結(jié)果[10]

（二）ABS樹脂

ABS樹脂是FDM打印技術(shù)用得最多的熱塑性高分子材料，可選擇多種顏色，可以廣泛應(yīng)用在家用電器、玩具工業(yè)、汽車工業(yè)等領(lǐng)域。Quill[11]等發(fā)明在ABS基體中由氮化硼（BN）填料制備的聚合物復(fù)合材料，3D打印樣品的熱導(dǎo)率達(dá)到最大值0.93W/(m·K)。

（三）光敏樹脂

光敏樹脂即UV樹脂，是由紫外光引發(fā)劑、單體聚合物與預(yù)聚體組成的混合物，在特定波長紫外光照射下引發(fā)聚合反應(yīng)，完成固化。光敏樹脂材料是一種常用的3D打印材料，并且專門用于3D打印中立體光固化技術(shù)（SLA）成型機(jī)。光敏樹脂一般是液化狀態(tài)，打印的成品精度高。

光敏樹脂材料的導(dǎo)熱系數(shù)較低，如廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域的環(huán)氧樹脂（EP）的導(dǎo)熱率0.2 W/(m·K)，保溫性能好，屬于熱固性保溫材料，可達(dá)到復(fù)合A級(jí)的阻燃性能，引入建筑行業(yè)保溫標(biāo)準(zhǔn)，已成為我國建筑保溫材料的重要組成部分。據(jù)測(cè)算，4厘米厚的光敏樹脂保溫材料的隔熱效果相當(dāng)于1.7米厚的普通紅磚，保溫效果是傳統(tǒng)巖棉的2～3倍，是聚苯板的2倍[27]。因而能夠有效地節(jié)約自然能源，也被稱為第三代新型保溫材料。

四、中空包裝容器結(jié)構(gòu)保溫機(jī)理與特點(diǎn)

對(duì)于任何溫度波動(dòng)敏感的產(chǎn)品，影響其品質(zhì)舉足輕重的因素是溫度。溫控包裝是指采用保溫材料、有利于蓄熱的包裝容器設(shè)計(jì)、創(chuàng)新的成型工藝等多種措施使溫度敏感產(chǎn)品從倉儲(chǔ)運(yùn)輸?shù)较M(fèi)者拆封整個(gè)環(huán)節(jié)始終保持穩(wěn)定的溫度，降低產(chǎn)品因熱襲而產(chǎn)生變質(zhì)的速率，從而保證產(chǎn)品質(zhì)量的一種綜合的、特殊的包裝形式[12]。

假定實(shí)際溫控包裝箱內(nèi)尺寸的長×寬×高分別為L×W×H(W＜L＜H)，厚度為△x，轉(zhuǎn)化成圓柱模型時(shí)，定義圓柱體的外徑為，內(nèi)尺寸的高與原溫控包裝箱內(nèi)的高H相等，見圖3[13]。，內(nèi)徑為

圖3 實(shí)際長方體溫控包裝箱轉(zhuǎn)化為圓柱體模型示意圖

趙艷冰等[13]的研究結(jié)果表明， 溫控包裝解決方案中最優(yōu)圓柱體轉(zhuǎn)化模型是：采用的圓柱體模型與原長方體溫控包裝箱內(nèi)體積、厚度分別相等，即

因此本課題選用中空?qǐng)A柱模型為溫控包裝容器設(shè)計(jì)原型，見圖4，冰激凌在容器中的擺放位置如圖5所示。其保溫的原理為，容器采用雙層結(jié)構(gòu)，杯體外層和杯體內(nèi)層之間的中空層，通過抽真空技術(shù)，形成真空層。抽真空的目的是為了切斷熱傳導(dǎo)介質(zhì)，阻斷熱力的傳遞，使盛裝在內(nèi)部的冰激凌等冷凍飲品延緩散熱，以達(dá)到保溫的目的。真空度越高保溫效果越好。容器的頂部有杯蓋封片，杯蓋設(shè)計(jì)螺紋，與杯體擰緊時(shí)通過螺紋旋轉(zhuǎn)增加其密封性。密封性越好，容器內(nèi)部就越難與外界進(jìn)行熱量傳遞，從而使得隔熱效果越好[14]。

圖4 中空?qǐng)A柱模型

圖5 冰激凌的擺放位置

五、3D打印中空包裝容器的過程

（一）選用材料

本課題選取的3D打印材料為國產(chǎn)聚乳酸PLA（3D打印級(jí)），通過查閱資料和市場(chǎng)調(diào)研，熱學(xué)性能參數(shù)見表3，本實(shí)驗(yàn)根據(jù)實(shí)際情況，選取了適合實(shí)驗(yàn)所用的FDM 3D打印機(jī)（如圖6所示）的打印材料，其密度及規(guī)格尺寸見表3。

圖6 FDM 3D打印機(jī)

表3 PLA樣品尺寸及各項(xiàng)性能指標(biāo)

（二）打印過程

首先利用三維繪圖、設(shè)計(jì)軟件Geomagic Design X 2016和UG NX 10配合使用，在專業(yè)圖形工作站中制作出保溫杯的虛擬模型如圖7所示，與傳統(tǒng)包裝容器設(shè)計(jì)制作技術(shù)相比較，縮短了包裝研發(fā)周期如圖8所示，快速且簡化地制作完成三維模型后， FDM 3D打印機(jī)通過掃描的方式獲取將三維虛擬的模型得截面數(shù)據(jù)信息，選擇PLA打印材質(zhì)快速打印實(shí)物進(jìn)行模擬比對(duì)。對(duì)于保溫杯的杯體、杯蓋分別進(jìn)行調(diào)整、修正，并且與基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)建立的 CAD 模型進(jìn)行比較，多次修改后得到整體產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造方案，打印出實(shí)物，成為快速模具的原型。

圖7 保溫杯的三維模型

圖8 3D打印包裝容器設(shè)計(jì)流程圖與傳統(tǒng)包裝容器設(shè)計(jì)流程圖 [15]

（三）打印結(jié)果

本課題中所選用中空?qǐng)A柱模型，PLA線材同一密度3D打印的塑料保溫杯，圖9為PLA保溫杯的實(shí)物圖。

圖9 PLA保溫杯的實(shí)物圖

六、結(jié)語

一場(chǎng)革命性的技術(shù)變革可以帶來質(zhì)的飛躍，正如3D打印技術(shù)在包裝行業(yè)引起的改變。3D打印技術(shù)是多功能性的，靈活的，高度的個(gè)性化定制，因此可以適應(yīng)大多數(shù)包裝工業(yè)生產(chǎn)部門。制造這些零件、物品的材料可以是廣泛變化的類型。這些材料包括陶瓷、金屬粉末、復(fù)合材料、無機(jī)材料粉末、生物高分子材料、高分子聚合物等[6]。然后挑戰(zhàn)仍是通過材料將這種“制造”形狀和結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為獲得功能性的零件或物品。

（1）耗材成本高原因：材料選擇局限性較大，種類少、供應(yīng)商少、高性能材料嚴(yán)重依賴進(jìn)口的現(xiàn)狀，在國內(nèi)沒有形成一定的聚集優(yōu)勢(shì)，無法形成規(guī)模經(jīng)濟(jì)，因此生產(chǎn)成本仍然具有競(jìng)爭力。

（2）現(xiàn)階段3D打印出來的東西，沒有經(jīng)過“快速模具”，還不能稱之為“產(chǎn)品”，只能稱為 “打印試樣”，因?yàn)楫a(chǎn)品是具有一定的商業(yè)價(jià)值。因此3D打印要想獲得商業(yè)上的成功，勢(shì)必引入符合某些公認(rèn)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，研發(fā)新的，功能型，適合市場(chǎng)化推廣的打印材料是未來的發(fā)展方向。

（3）FDM 3D打印技術(shù)創(chuàng)建中空容器可以在打印時(shí)減少材料使用和材料重量，這種打印模式為標(biāo)準(zhǔn)的FDM創(chuàng)建中空部件，提供了具有實(shí)際意義的參考價(jià)值。