黃麗婕，王曉彤，周雷，劉明，蔡園園，陳杰，黃崇杏

(廣西大學(xué)輕工與食品工程學(xué)院，南寧 530004)

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3D打印在包裝工業(yè)中的應(yīng)用與前景*

黃麗婕，王曉彤，周雷，劉明，蔡園園，陳杰，黃崇杏

(廣西大學(xué)輕工與食品工程學(xué)院，南寧 530004)

摘要：綜述了3D打印技術(shù)中熔融沉積成型技術(shù)、激光選區(qū)燒結(jié)法技術(shù)、光固化立體成型技術(shù)、分層實(shí)體制造技術(shù)四種方法的特點(diǎn)和應(yīng)用，介紹了應(yīng)用于3D打印技術(shù)中常用的材料以及3D打印技術(shù)在包裝工業(yè)中的應(yīng)用。指出在包裝工業(yè)中采用3D打印技術(shù)具有的優(yōu)勢(shì)是其它同類包裝制造技術(shù)無(wú)法比擬的，3D打印技術(shù)在未來(lái)的包裝工業(yè)中有著十分廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù)；3D打印材料；包裝材料；包裝容器；應(yīng)用與前景

聯(lián)系人：黃麗婕，副研究員，主要從事可再生資源利用及環(huán)境保護(hù)、3D打印材料的制備

3D打印不同于傳統(tǒng)的減材制造方式，采用分層制造、逐層疊加的方法來(lái)成型制件。較傳統(tǒng)制造工藝，3D打印技術(shù)有節(jié)省成本和成型任意復(fù)雜形狀物品的優(yōu)點(diǎn)。原則上，經(jīng)軟件設(shè)計(jì)出的模型，都可由3D打印機(jī)制樣[1–3]。3D打印技術(shù)自20世紀(jì)80年代出現(xiàn)取得了快速發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大[4]。

包裝是為在流通過(guò)程中起到保護(hù)產(chǎn)品、方便貯運(yùn)、促進(jìn)銷售，按一定技術(shù)方法而采用的容器、材料及輔助物等，以及為達(dá)到上述目的而采用的一些技術(shù)措施的總稱。目前，我國(guó)3D打印技術(shù)在包裝工業(yè)中的應(yīng)用剛剛起步，但因其能提高包裝速率、減少用料損失率、減去制模時(shí)間及成本等優(yōu)點(diǎn)，因此有廣泛研究空間[5]。筆者綜述了國(guó)內(nèi)外3D打印技術(shù)方法及其材料種類，讓讀者更好地了解國(guó)內(nèi)外3D打印技術(shù)和材料的研究現(xiàn)狀及其在包裝工業(yè)中的應(yīng)用與前景。

1　打印技術(shù)

目前常用的3D打印技術(shù)：①擠出成型：熔融沉積成型(FDM)技術(shù)；②粒狀物料成型：選擇性激光燒結(jié)(SLS)技術(shù)；③光聚合成型：光固化立體成型(SLA)技術(shù)；④層壓型：分層實(shí)體制造(LOM)技術(shù)。這些3D打印技術(shù)，主要區(qū)別在于打印材料種類、價(jià)格、速度、色彩多樣性等方面。

1.1FDM技術(shù)

FDM技術(shù)的原理是利用電加熱擠壓頭至略高于材料熔點(diǎn)，使絲狀熱熔性聚合物材料融化，控制熔融材料在微噴頭指引下涂覆至已冷卻成型的物樣上，經(jīng)電腦控制層層堆積成型，使樣品的制作完成，再去除支撐材即可[6]。該技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是使用、維護(hù)簡(jiǎn)單、整體成本低、速度快、污染小，材料能夠回收。O. S. Carneiro等[7]以聚丙烯作為3D打印原料，采用熔融沉積成型技術(shù)打印材料，并對(duì)影響材料成型性能的因素進(jìn)行討論。M. Domingo-Espin等[8]采用FDM技術(shù)，以聚碳酸酯為原料來(lái)構(gòu)建模型，設(shè)計(jì)制造出不同方向物理測(cè)試性能的模型。Ning F等[9]展示了FDM熱塑性碳纖維增強(qiáng)塑料的構(gòu)建及測(cè)試了添加不同長(zhǎng)度的碳纖維對(duì)FDM法構(gòu)建的模型的力學(xué)性能的增強(qiáng)情況。

1.2SLS技術(shù)

SLS技術(shù)是將軟件控制的的高功率二氧化碳激光對(duì)預(yù)先鋪好的固體微粒粉末材料進(jìn)行燒結(jié)，加工時(shí)被燒結(jié)部分固化成型，形成零件的一個(gè)層面，未燒結(jié)的材料作支撐材，省去了其他支撐材料的需求，循環(huán)疊加至整個(gè)模型成型，最后去掉未反應(yīng)的粉末，再進(jìn)行后處理獲得精細(xì)件[10]。

該技術(shù)特點(diǎn)是成品精度好、強(qiáng)度高，最主要的優(yōu)勢(shì)在于金屬成品的制作。SLS技術(shù)可制造出直接用于設(shè)備零部件的高強(qiáng)度尼龍塑料零件和代替金屬工具的強(qiáng)韌碳纖維復(fù)合塑料樹脂零件[11]。魯中良等[12]發(fā)現(xiàn)采用等靜壓技術(shù)與微量Si的液相燒結(jié)可以提高SLS成形的AISI316L制品的致密度。史玉升等[13]采用深冷粉碎法制得的聚丙烯粉末材料具有優(yōu)良的燒結(jié)性能，其制得的SLS成形件具有較高的力學(xué)性能及尺寸精度。

1.3SLA技術(shù)

SLA技術(shù)是應(yīng)用最早的，目前研究最深入、使用最廣泛的快速成型技術(shù)之一[14]。其原理是用紫外激光聚焦到液體感光樹脂層表面，使其由點(diǎn)及面快速固化，從而完成單層材料的圖形化，層層疊加至整個(gè)樣件成型。將成型件沒入配好的化學(xué)藥液中，洗掉多余的樹脂，再在帶紫外線的烘箱內(nèi)完成產(chǎn)品的進(jìn)一步固化[1]。

SLA技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是原材料的利用率將近100%，尺寸精度高，表面質(zhì)量?jī)?yōu)良，成形速度較快，自動(dòng)化程度高，可以制作結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜的模型，是目前加工精度最高的技術(shù)，但需要后處理。席駿等[15–16]認(rèn)為，使用光固化立體成型技術(shù)將一套面具圖像投影到樹脂表面，其成型速度快、成本低。SLA可采用的原料種類多，因此有廣闊的應(yīng)用前景。

1.4LOM技術(shù)

LOM技術(shù)是以固體片材為原料，將激光切割熱壓輥預(yù)先加熱的、事先在背面涂有熱熔膠的薄材，完成一層材料內(nèi)外輪廓的切割后，將經(jīng)送料機(jī)構(gòu)送上的一層新紙疊加上去，已切割層經(jīng)粘壓裝置粘合在一起，如此重復(fù)，制得樣件[6]。各層金屬板之間的結(jié)合，常用焊接和螺栓連接來(lái)實(shí)現(xiàn)[15]。LOM技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是工作可靠，模型支撐性好，成本低，效率高[17]。Zhong，H等[18]發(fā)現(xiàn)LOM適合碳化硅產(chǎn)品的制造，尤其是小批量制造具有復(fù)雜形狀的陶瓷部件。

2　打印材料

3D打印材料的形態(tài)一般有粉末狀、絲狀、層片狀、液體狀等[19]。當(dāng)今，進(jìn)口原料仍占我國(guó)的主要市場(chǎng)，成本高，換句話說(shuō)，3D 打印原材料技術(shù)的發(fā)展，決定了3D打印技術(shù)的發(fā)展邊界[20]。

2.1高分子復(fù)合材料

管國(guó)虎等[21]發(fā)明了一種3D打印芳香族聚酯材料及其制備的方法，該法采用芳族聚酯、熱塑性彈性體等，進(jìn)行共混改性，提高了材料的抗沖擊性能。史玉升等[22]制備了SLS 3D打印用高分子復(fù)合材料，通過(guò)添加微/納米填料或者后處理浸滲等方法制備復(fù)合材料，來(lái)提高SLS成形件的某些性能。郭艷玲等[23]提出了激光燒結(jié)3D制造技術(shù)用石塑復(fù)合粉末的制備方法，用粉末狀的尼龍12和石灰石為原料，解決了激光燒結(jié)用材料現(xiàn)有的問(wèn)題。美國(guó)硅谷Arevo實(shí)驗(yàn)室3D打印出了能嚴(yán)格設(shè)定其綜合性能的高強(qiáng)度碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，通過(guò)精確控制打印時(shí)碳纖維的取向，優(yōu)化特定電、力學(xué)和熱性能[24]。

2.2光敏樹脂

由加有紫外光引發(fā)劑的聚合物單體與預(yù)聚體組成的液態(tài)光敏樹脂，在紫外光照下能立刻反應(yīng)完成固化，制成耐高溫、高強(qiáng)度、防水材料。牛一帆等[6，25]以二縮水甘油醚和丙烯酸為主要原料，合成了一系列預(yù)聚物，將合成的產(chǎn)物作為光敏預(yù)聚物制成體積收縮率低的3D打印光固化樹脂。楊桂生等[26]發(fā)明了一種成型速度快、力學(xué)強(qiáng)度高、尺寸穩(wěn)定性好的3D打印聚苯乙烯微球改性光敏樹脂。黃筆武等[27]報(bào)道了一種應(yīng)用于3D打印立體光刻快速成型的3DPSL–1型光敏樹脂制備方法，結(jié)果表明該樹脂黏度適中，光敏性較好，其固化物體積收縮率小，且具有較好力學(xué)性能和熱性能。

2.3綠色環(huán)保型材料

(1)含植物纖維的材料。

詹德威[28]提出了一種植物纖維復(fù)合材料的制備方法，以絲狀的竹子、椰子或甘蔗等植物為原料，使用該復(fù)合材料制得的成品，具有高抗彎強(qiáng)度、質(zhì)輕、不易熱變形、熱收縮性小等特性。曾偉梁等[29]提出了SLS用稻殼熱熔膠復(fù)合粉的制備方法，以稻殼粉為主要原料，在制備過(guò)程中不必對(duì)稻殼粉進(jìn)行大量的改性，在保證復(fù)合材料各項(xiàng)性能的同時(shí)，簡(jiǎn)化了工藝，降低了生產(chǎn)成本。覃宇奔等[30]采用熱壓成型技術(shù)制備聚氯乙烯/酒糟木塑復(fù)合材料，通過(guò)添加鈣鋅復(fù)合熱穩(wěn)定劑和馬來(lái)酸酐，有效提高木塑復(fù)合材料的力學(xué)性能。殷正福等[31]以天然植物纖維制備了一種3D打印木塑復(fù)合材料，其具備木質(zhì)品的外觀和木塑材料的加工特性。

(2)聚乳酸類材料。

聚乳酸(PLA)[32]是以乳酸為主要原料聚合而得的一種環(huán)境友好型聚合物。PLA具有光澤度高、透明性好且可生物降解、熱穩(wěn)定性好、抗溶劑性好、加工方式種類多的優(yōu)點(diǎn)。PLA收縮比小，不易起翹，材料的穩(wěn)定性更高。原料來(lái)源廣且可再生，主要以玉米、木薯等為原料。余冬梅等[24，33]通過(guò)熔融共混法制備了通用注塑級(jí)PLA材料，發(fā)現(xiàn)協(xié)同增韌劑對(duì)PLA的增韌效果較單一增韌劑好。湯一文等[34]研究發(fā)現(xiàn)，無(wú)機(jī)增韌劑可以同時(shí)提高PLA的韌性和剛性。陳慶等[35]提出了一種3D打印改性PLA材料的制備方法，利用低溫粉碎混合法，制得改性PLA，極大提高了其熱變形溫度、韌性和沖擊強(qiáng)度。

2.4金屬材料

以金屬為原材料的3D打印技術(shù)通常都非常昂貴，3D打印對(duì)金屬粉末材料的純凈度、球形度、粒度分布、松裝密度、氧含量、流動(dòng)性等性能的要求很高[36]。不銹鋼以其價(jià)廉、耐化學(xué)腐蝕而得到廣泛應(yīng)用，是金屬3D打印經(jīng)常使用的一類性價(jià)比較高的金屬粉末材料，其模型具有較高的強(qiáng)度，且適合打印尺寸較大的物品[19]。

程靈鈺等[37]研究了激光選區(qū)熔化成形不銹鋼與納米羥基磷灰石(nHA)復(fù)合材料的組織及力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)當(dāng)nHA的含量為5%時(shí)，材料的致密度和抗拉強(qiáng)度與純不銹鋼的相近。王基維等[38]采用熱等靜壓方法對(duì)氣霧化316L奧氏體不銹鋼粉末致密化，其密度接近理論全致密，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、硬度均較高，延伸率也較優(yōu)。

2.5陶瓷材料

3D打印用的陶瓷粉末是陶瓷粉末和某一種粘結(jié)劑粉末所組成的混合物[19]。粘結(jié)劑粘結(jié)對(duì)陶瓷粉末性能是一種轉(zhuǎn)變性的過(guò)程，使它具有類似于僅使用金屬粉末時(shí)的性能[39]。硅酸鋁陶瓷粉末能夠用于3D打印陶瓷產(chǎn)品，制得的制品氣密性好、耐高溫、可回收、無(wú)毒[24]。

朱江等[40]以AlN粉為原料，TiN粉為調(diào)節(jié)劑，添加稀土金屬燒結(jié)助劑在N2氣氛下，采用放電等離子燒結(jié)技術(shù)制備了相對(duì)密度高于98%的AlN陶瓷，其燒結(jié)致密，電性能降低。史玉升等[41]采用激光選區(qū)燒結(jié)/冷等靜壓復(fù)合成形技術(shù)制造氧化鋯陶瓷零件，雖然最終燒結(jié)件密度和硬度仍有待提高，但是提出了一種制造高性能復(fù)雜形狀陶瓷零件極具潛力的氧化鋯零件近凈成形工藝方法。

3　3D打印在包裝工業(yè)中的應(yīng)用

3.1在包裝容器成型中的應(yīng)用

包裝容器的發(fā)展與人類社會(huì)的進(jìn)步息息相關(guān)，如今發(fā)展成兼具功能與審美的產(chǎn)品，正在成為商品重要的一部分。包裝容器種類繁多，因其所使用材料不同，其性質(zhì)也不同。傳統(tǒng)的包裝容器成型往往需先制造模具再制件成型，費(fèi)時(shí)費(fèi)力且不便于修改。3D打印技術(shù)通過(guò)三維軟件進(jìn)行實(shí)物模擬，方便修改，同時(shí)提高了技術(shù)的精準(zhǔn)性，節(jié)省了原材料，節(jié)約了成本[42]。

3D打印成型技術(shù)可用于直接制模和間接制模，將3D打印制得的樣件經(jīng)處理后作為母模，將聚亞胺酯復(fù)合物澆注于真空澆注機(jī)中，可復(fù)制出一定批量的零件和容器[43]。這使得3D打印技術(shù)在包裝容器成型工藝之中有著廣闊的應(yīng)用前景。余冬梅等[24]研發(fā)出一項(xiàng)新技術(shù)可將秸稈用于制造3D打印材料，該材料打印出的產(chǎn)品有木質(zhì)感。使用此種材料打印包裝盒、包裝箱，提高了包裝速率、降低了成本，為包裝行業(yè)今后的發(fā)展開辟了新的發(fā)展空間。趙晨飛[44]提出了利用3D 打印技術(shù)將植物纖維等原料按設(shè)計(jì)進(jìn)行打印，獲得印刷精美的紙盒的方法。解決了現(xiàn)有包裝紙盒生產(chǎn)周期長(zhǎng)、材料浪費(fèi)大、污染環(huán)境的問(wèn)題。

3.2在包裝材料制造中的應(yīng)用

現(xiàn)如今包裝材料種類繁多，有紙質(zhì)、塑料類、金屬類、陶瓷類、可生物降解類等等，我們主要討論以下幾種。

(1)高分子復(fù)合材料。

謝勁能等[45]提出一種用于3D打印的聚丙烯和聚乙烯復(fù)合耗材的制備方法，使用該耗材打印的制品不吸水、不受潮，同時(shí)制品表面光澤好，易于著色。劉可武[46]采用基礎(chǔ)半水硫酸鈣、聚乙烯醇等制得一種工業(yè)級(jí)3D打印機(jī)復(fù)合粉末材料。謝勁能等[47]提出一種軟彈性3D打印橡膠耗材的制備方法，打印出來(lái)的立體模型有極低的收縮性、良好的尺寸穩(wěn)定性和粘性。李志揚(yáng)等[48]發(fā)明了一種基于3D打印新型丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(ABS)的制備方法，該制備方法采用連續(xù)本體法，聚合后得到ABS樹脂。

(2)綠色環(huán)保型材料。

王紅[49]提出了一種基于食用蠟的3D打印材料的制備方法，將原料經(jīng)加熱、攪拌、反應(yīng)完全分散、冷卻后，將混合料粉碎，即可用于擠絲，擠出的蠟絲可直接用于3D打印。謝勁能等[50]提出一種木質(zhì)3D打印耗材的制備方法，該耗材制得的成型件具有天然木材的質(zhì)感，接近實(shí)木的效果，其綜合理化性能得到很好的優(yōu)化。黃旭輝等[51]采用兩步法制備了一種3D打印機(jī)用改性PLA材料，該法克服了由于小分子交聯(lián)劑直接添加造成偏移、效果較差的缺陷。

(3)金屬類材料。

美國(guó)Extrude Hone公司采用金屬和樹脂黏接劑粉末材料在紫外光下進(jìn)行固化制金屬件的方法，其優(yōu)點(diǎn)是可使用的金屬粉末材料的范圍廣。美國(guó)Pro Metal公司使用向金屬合金粉末中噴射粘合劑逐層粘結(jié)的方法，將成型后的樣件進(jìn)行燒結(jié)，直接生產(chǎn)出金屬零件[43]。

4　結(jié)語(yǔ)

3D打印技術(shù)有效地提高了包裝的速度和效率。一定程度上改善包裝產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，使包裝工業(yè)向多極化發(fā)展。并且，節(jié)省了原材料的使用量，便于回收利用，利于環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展。這樣既減輕了環(huán)保部門的負(fù)擔(dān)，也提高了資源能源利用率。

3D打印技術(shù)在包裝材料的制備、包裝容器的成型以及在整個(gè)包裝工業(yè)中發(fā)揮著巨大的作用。隨著3D打印技術(shù)的日益成熟，結(jié)合一定創(chuàng)新性的包裝材料及容器，以多樣化、多元化、多功能化的進(jìn)程發(fā)展，并且產(chǎn)品更加節(jié)能環(huán)保。在包裝工業(yè)中采用3D打印技術(shù)具有的優(yōu)勢(shì)是其它同類包裝制造技術(shù)無(wú)法比擬的，3D打印技術(shù)在未來(lái)的包裝工業(yè)中有著十分廣闊的應(yīng)用前景。

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Application and Prospect of 3D Printing in Packaging Industry

Huang Lijie， Wang Xiaotong， Zhou Lei， Liu Ming， Cai Yuanyuan， Chen Jie， Huang Chongxing
(Guangxi University Institute of Light Industry and Food Engineering， Nanning 530004， China)

Abstract：The characteristics and application of four methods of 3D printing technology was reviewed，which are fused deposition modeling technique，selected laser sintering technique，stereo lithography appearance technique，laminated object manufacturing technique. 3D printing materials were introduced. 3D printing technology used in packing engineering was also introduced. It is pointed out that the advantages of 3D printing technology in packaging industry are unmatched by other similar packaging manufacturing technologies，3D printing technology has a very broad application prospects in the future packaging industry.

Keywords：3D printing technology；3D printing materials；packing materials；packing container；application and prospect

中圖分類號(hào)：TB48

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-3539(2016)04-0122-05

doi:10.3969/j.issn.1001-3539.2016.04.027

收稿日期：2016-01-30

*南寧市科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(20155349)