個(gè)性化物流包裝增材制造技術(shù)研究

周賽琦 ，班 欣 ，王 翔 ，王偉杰 ，鄭 凱

（1.廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，廣西 南寧 530004；2.廣西物資學(xué)校，廣西 南寧 530003）

1 背景分析

增材制造技術(shù)（也稱3D打印技術(shù)）是近年來人們研究的熱點(diǎn)，它是根據(jù)已設(shè)計(jì)好的三維模型，通過3D打印設(shè)備逐層打印的方式來制造實(shí)體模型的技術(shù)[1]。

相較于傳統(tǒng)的制造加工技術(shù)來說，增材制造技術(shù)擁有容易成型，節(jié)省材料等優(yōu)點(diǎn)[2]。個(gè)性化物流包裝是指將增材制造技術(shù)運(yùn)用到物流包裝領(lǐng)域，不僅可以滿足客戶對(duì)包裝外形的個(gè)性化定制的要求，而且能使包裝內(nèi)部具有隨形存放功能，對(duì)商品起到良好的保護(hù)作用[3]。本文研究利用增材制造技術(shù)對(duì)價(jià)值高、易破碎、外形不一等特點(diǎn)的商品的包裝進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造的方法。

2 技術(shù)過程

本文利用三維掃描儀以及3D打印機(jī)等硬件和三維制圖軟件實(shí)現(xiàn)物體包裝結(jié)構(gòu)的個(gè)性化定制。融合包裝技術(shù)、3D打印技術(shù)的工藝過程。首先，對(duì)包裝對(duì)象的外形、結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)進(jìn)行分析，然后利用三維掃描儀和逆向建模軟件將被包裝物品轉(zhuǎn)換為三維模型，再結(jié)合客戶的個(gè)性化定制要求利用三維制圖軟件對(duì)物體的包裝結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行三維設(shè)計(jì)。最后，通過虛擬裝備技術(shù)檢測(cè)包裝是否合理，結(jié)合包裝工藝修改模型外觀、尺寸等。操作完成后，保存為STL格式文件，輸入打印機(jī)進(jìn)行實(shí)體打印，技術(shù)流程如圖1所示。

圖1 技術(shù)流程圖

3 實(shí)例研究

以一個(gè)陶瓷馬的工藝品為包裝的研究對(duì)象，其尾部是一個(gè)易斷裂的結(jié)構(gòu)，整個(gè)陶瓷馬的外形具有復(fù)雜的曲面。該工藝品傳統(tǒng)的包裝方式是運(yùn)用紙箱作為外包裝，里面填充紙片或氣泡膜，雖然具有良好的減震作用，但是在運(yùn)輸中不能很好的固定物體。這個(gè)工藝品很好地呈現(xiàn)那些價(jià)格高昂的工藝品在運(yùn)輸過程中所遇到的包裝固定問題。本文將結(jié)合三維制圖軟件和三維掃描技術(shù)設(shè)計(jì)出滿足存放保護(hù)功能以及客戶個(gè)性化定制功能的陶瓷馬工藝品物流包裝結(jié)構(gòu)。首先，獲取陶瓷馬的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，從而得到陶瓷馬的三維模型；然后，結(jié)合客戶定制要求，設(shè)計(jì)陶瓷馬的物流包裝，并檢測(cè)包裝的合理性；最后，運(yùn)用3D打印設(shè)備對(duì)包裝進(jìn)行打印。

（1）利用3D掃描技術(shù)得到陶瓷馬的點(diǎn)云數(shù)據(jù)

研究使用雙目非接觸式三維掃描儀獲取陶瓷馬三維數(shù)據(jù)。雙目非接觸式三維掃描儀的原理是用具有特殊形狀的光源照射被測(cè)物體，照射中會(huì)產(chǎn)生變形光柵，利用光柵的幾何信息來得到被測(cè)物體的表面三維坐標(biāo)。該儀器由計(jì)算機(jī)、兩架大恒MER-130-30UM工業(yè)相機(jī)、白色結(jié)構(gòu)光柵發(fā)射器、IC高速工業(yè)相機(jī)掃描工作臺(tái)、轉(zhuǎn)臺(tái)電機(jī)以及其它必要配件組成。陶瓷馬尺寸較大且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，通過標(biāo)志點(diǎn)拼接的方法，從多個(gè)角度對(duì)陶瓷馬外形進(jìn)行掃描，確保兩兩拼接面之間至少有四個(gè)公共標(biāo)志點(diǎn)，掃描得到陶瓷馬的完整點(diǎn)云數(shù)據(jù)。雙目非接觸式三維掃描儀原理如圖2所示。

圖2 雙目非接觸式三維掃描儀原理圖

（2）運(yùn)用逆向建模軟件得到陶瓷馬的三維模型

通過三維掃描儀掃描陶瓷馬得到原始的點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，利用Geomagic Studio軟件進(jìn)行逆向建模，得到陶瓷馬的三維模型。首先，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列處理，包括合并點(diǎn)對(duì)象、刪除點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的非連接項(xiàng)和體外孤點(diǎn)、減少噪聲和統(tǒng)一采樣[4]。點(diǎn)云處理后，工藝品陶瓷馬的外形如圖3所示。

圖3 陶瓷馬外形圖

然后，對(duì)陶瓷馬點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，將點(diǎn)云對(duì)象轉(zhuǎn)為多邊形對(duì)象。通過填充孔操作補(bǔ)全數(shù)據(jù)處理過程中因數(shù)據(jù)丟失造成的點(diǎn)狀空洞[5]。最后，經(jīng)過曲面處理，得到工藝品的NURBS曲面模型，并將模型輸出為IGES/STEP的文件。

（3）運(yùn)用三維建模軟件設(shè)計(jì)物體的物流包裝

根據(jù)該工藝品的形狀，確定陶瓷馬的最終包裝方案。外殼結(jié)合客戶要求設(shè)計(jì)個(gè)性化圖案或結(jié)構(gòu)加以美化。內(nèi)部緩沖盒有一空腔，空腔兩側(cè)曲面形狀與陶瓷馬側(cè)面包絡(luò)面一致，跟工藝品隨形貼合，輪廓曲線與陶瓷馬側(cè)視輪廓線一致，保證工藝品能夠穩(wěn)定放入包裝容器中。該設(shè)計(jì)過程由客戶參與，體現(xiàn)物流包裝的個(gè)性化功能。該包裝分為外殼和內(nèi)部緩沖盒兩部分，如圖4所示。

圖4 包裝外形效果圖

（4）運(yùn)用虛擬裝配技術(shù)檢測(cè)包裝的合理性

利用UG軟件的仿真功能進(jìn)行陶瓷馬模型與陶瓷馬外包裝模型的虛擬裝配，驗(yàn)證包裝的可行性，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。通過虛擬裝配，檢查物體隨形存放的契合度以及存取物品是否方便等實(shí)際應(yīng)用效果[6]。在實(shí)際生產(chǎn)過程中通過裝配效果圖與客戶進(jìn)行交互，滿足客戶的個(gè)性化要求。這種客戶參與商品設(shè)計(jì)的過程已成為一種新的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)模式。

（5）運(yùn)用3D打印設(shè)備對(duì)包裝進(jìn)行打印

將包裝轉(zhuǎn)為STL格式，利用cura軟件進(jìn)行分層處理。將文件導(dǎo)入打印機(jī)，調(diào)整好設(shè)備，設(shè)置打印參數(shù)：層高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材質(zhì)比TPU硬度大，并且強(qiáng)度高，用于包裝的外部結(jié)構(gòu)。TPU質(zhì)軟，用于包裝的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，對(duì)內(nèi)部物品也有一定減震能力，保護(hù)包裝物體不易損壞。打印完成后，取出模型，對(duì)模型進(jìn)行去支撐處理。使用拋光液對(duì)模型進(jìn)行拋光處理，使模型表面更加光滑平整，包裝實(shí)物圖如圖5所示。

圖5 包裝實(shí)物圖

4 結(jié)語(yǔ)

本研究利用增材制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)物體物流包裝的制造，設(shè)計(jì)出滿足物體存放保護(hù)功能以及客戶個(gè)性化定制功能的物流包裝結(jié)構(gòu)。首先，使用3D掃描儀和逆向建模軟件創(chuàng)建不同物品的三維模型；然后，通過UG軟件設(shè)計(jì)個(gè)性化的包裝結(jié)構(gòu)；最后，利用3D打印機(jī)打印出包裝結(jié)構(gòu)，制造出滿足個(gè)性化定制要求、物流運(yùn)輸要求和包裝工藝要求的包裝結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)包裝的操作均在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行，使用三維建模技術(shù)和虛擬裝配技術(shù)能對(duì)包裝模型進(jìn)行反復(fù)修改和再設(shè)計(jì)，充分實(shí)現(xiàn)包裝適應(yīng)物品，同時(shí)滿足客戶個(gè)性化定制要求。