CN109677778A - 基于分形几何的可持续包装设计的方法和包装材料 - Google Patents

基于分形几何的可持续包装设计的方法和包装材料 Download PDF

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姚惠
陈璐
任钟鸣
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Abstract

本发明涉及一种包装设计方法和包装材料，属于包装设计领域。一种基于分形几何的可持续包装设计的方法和包装材料，以需要包装的产品的包装要求选择二维原形进行分形几何计算，迭代形成被包装产品的三维模块化材料，然后按照包装的形状要求，做成符合产品要求的立体包装形式，直接以一体成型实体输出或者采用模块化材料进行组合或拆解输出为立体包装。本发明的方法，可以通过计算机设计，依照产品包装的需求直接进行包装设计和生产，且利用分形几何数理模型的无限放大与自相似的模块化特性，从而在包装设计时就能具备可持续利用的特性，实现包装的实时设计，实时生产且可以持续循环利用，大大延长包装的使用寿命。

Description

基于分形几何的可持续包装设计的方法和包装材料
技术领域
本发明涉及包装设计，尤其涉及基于分形几何的可持续包装设计的方法和一种包装材料。
背景技术
在1987年世界环境与发展委员会上，布伦特兰将可持续发展定义为：满足当代人的需求，而又不损害后代人满足其需求的能力的发展。这一观点的提出，迅速将设计作为连接科学、社会、经济的重要纽带，提到了一种新的高度，将设计中涉及到产品生命周期、对环境影响、人的需求等元素提前考虑进设计环节中去，从而达到协调整个产品使用循环利用，达到无害排放，能源再生，产品使用生命周期闭环再循环的目标。
在经过大量设计实践与总结，人们将可持续设计具体的方法进行归纳整理，目前诸如浓缩少量设计法则、折叠式设计法则、模块化设计法则及可替换设计法则等都是相对成熟的可持续设计法则。
然而在传统的包装设计中，包装的维度一直被设计师控制在二维(结构)到三维(包装空间)的系统中，大部分包装结构会牺牲空间，利用几何造型来保护产品，将包装的对象装入规整的空间，从而进行运输与销售，在拆除包装后丢弃(压扁二维)或者再利用(循环再利用三维)，由于材质与人为的关系，循环利用的生命周期也有一定限度，造成大量能耗过重与环境污染，阻碍了包装生命周期闭环，不符合可持续发展的要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供基于分形几何的可持续包装设计的方法和包装材料，针对以上问题，基于有规分形的几何运算法则，通过对可持续包装设计前端的思维调整，为包装设计提供全新的设计思路，设计出符合可持续发展要求的包装及材料。
技术方案
一种基于分形几何的可持续包装设计的方法，其特征在于：以需要包装的产品的包装要求选择二维原形进行分形几何计算，迭代形成被包装产品的三维模块化材料，然后按照包装的形状要求，做成符合产品要求的立体包装形式。
进一步，所述二维原形为根据产品受力规律分布疏密的多孔分形结构。
进一步，所述二维原形采用以六边形为基础的蜂窝结构。
进一步，所述二维原形采用如下步骤进行分形几何计算:
步骤一，建立二维原形图案的单元；
步骤二，根据产品包装要求，以步骤一的单元确定模块化材料的结构；
步骤三，基于二维原形图案的单元的基础进行空间上的衍生增量，按照模块化材料的结构要求进行迭代增加结构复杂度，通过复杂结构网络向多个方向分散受力以此抵抗包装受到的外力；
步骤四，取适当数字控制结构粗细以保留结构的孔隙，形成类海绵多孔生物结构，从而形成三维模块化材料。
进一步，对于二维原形是以六边形为基础的蜂窝结构，根据所述步骤二计算的结构形式，选取一定的尺寸作为模块化材料的第一平面基础；然后在所述第一平面基础上，取适当高度为分形结构复杂化提供空间并建立第二平面基础；再后取适当高度进行空间上的衍生增量进行迭代。
进一步，所述三维模块化材料采用3D打印建立实体。
进一步，依照步骤二至四的方式，以三维模块化材料为单元进行迭代递归，形成立体的包装，并整体成型。
或者采用所述三维模块化材料进行组合或拆解，根据产品立体外观，包裹形成立体的包装。
一种采用上述的方法设计的包装材料，其特征在于：所述包装材料为类海绵多孔生物结构组成，且由相同的有孔单元结合空间分量进行分形迭代形成，具有一定尺寸和高度的平板材料，用于产品包装的模块化单元。
所述相同的有孔单元为以六边形为基础的蜂窝结构。
有益效果
本发明的基于分形几何的可持续包装设计的方法，可以通过计算机设计，依照产品包装的需求直接进行包装设计和生产，且利用分形几何数理模型对二维原形经过3～4次迭代递归后都具备无限放大与自相似的模块化特性，采用本发明的方法设计出的包装甚至能通过折叠成为一个三维立体包装，从而在包装设计时即一个包装产品的生命周期的初期时就能具备可持续利用的特性，从而使包装产品能够实现实时设计，实时生产且可以持续循环利用；本发明的包装材料可以通过组合或拆解即能够成为产品的包装，大大延长包装的使用寿命。
附图说明
图1为传统包装示意图。
图2为采用本发明设计的分形包装示意图。
图3为本发明实施例的蜂窝单元示意图。
图4为本发明实施例的蜂窝单元形成的模块化材料示意图。
图5为蜂窝单元的模块化材料形成的立体包装示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图，进一步阐述本发明。
可持续设计的核心在于产品本身的生命周期模式，原材料价格与相关生产污染排放三者间的关系，如果我们可以有效控制包装原材料的使用量和回收再利用的输出问题，那么就能有效提升包装产品的使用生命周期，达到可持续的目的。
从设计上来说，如果能够在设计时就能使包装节能，或者设计将包装的使用与材料的生命周期无限衍生，那么就能达到可持续设计。
在数理模型中，有规分形的演算法则能够产生与自然进化的结构几乎相同的结构，且可以顺向或逆向往返演算，将局部和整体有机组合，形成自相似性，本发明提出一种基于分形几何的可持续包装设计的方法和包装材料，利用这种自相似性，以需要包装的产品的包装要求选择二维原形进行分形几何计算，迭代形成被包装产品的三维模块化材料，然后按照包装的形状要求，做成符合产品要求的立体包装形式，然后直接以3D打印实体输出或者采用模块化材料进行组合或拆解输出，如此设计输出的包装由于具有模块化的特性，包装的使用与材料的使用都能够多次重复和利用，因此能够大大延长包装的使用寿命。
如定义公式为“整体”K与“相似缩小”Fi：K→K满足：
K＝∪iFi(K)
若设Fi：K→K使得每一个迭代Fi n都有一个唯一的不动点，设α为一个实数，如果0＜α＜1，那么存在K上的一个完备度量空间(X，ρ)，使得Fi是压缩映射，且α是压缩常数，即这个分形存在压缩映射。其数学表达式为：
ρ(Fi(x)，Fi(y))≤αρ(x，y) x，y∈X
此时若ρ(Fi(x)，Fi(y))＝αρ(x，y)x，y∈X存在，0＜α＜1不变，则Fi在(X，ρ)上同时存在相似变换和相似缩小，α是Fi相似率及缩小率。
从中可以看出若能求得分形函数缩小率及相似率，便能确定其压缩映射，在研究中取为三维形式的分形元，从而确定分形包装的几何原型。
可以根据有规分形建立分形包装设计数学模型，我们需要找到一种既能满足分解力而保护产品的包装功能需求，又同时符合可持续设计理念的分形元，从直观上表现为根据产品受力规律分布疏密的多孔分形结构。根据所保护的产品不同，可以通过模拟分析运输途中产品的受力情况，计算受力大及易破损的位置，并针对这样的位置进行着重保护，表现为多孔分形分布密集，同时为节省材料，一部分不易受力及不易破损的位置则减少多孔分形分布，分散产品在运输中的受力。
三维蜂巢结构是自然界中非常稳固的结构，自然蜂巢的结构由正六边形通过迭代递归后而成，且具有一定的相似性。同时蜂巢结构构成的边界总长是所有几何结构中最短的，因此十分节省材料，结构强度也较强。我们参考模仿这种结构，将正六边形进行拓扑运算。
一般可通过公式计算出分形分维数，D为豪斯多夫维数，N为自然数，r为度量，关系式如下：
由于蜂窝的六边形结构能有效抵抗压力，因此以六边形为基础向中心聚拢的形态能加强结构坚固性，因此以蜂窝作为二维原形为例来说明本发明的设计方法。
1.首先，以蜂窝为原形建立单元：
1.1在Rhino中，建立边长为10mm四边形。
1.2以四边形边为底边，建立边长为10mm六边形。
1.3将六边形沿z轴向上旋转35度。
1.4以四边形所在平面为面将六边形水平翻转。
得到如附图3所示意的蜂窝单元。
2.根据产品包装受力情况，以蜂窝单元确定模块化材料的结构，将建好的单元进行模块化材料的结构计算。
3.建立150x150mm平面为第一平面，作为第一平面基础。
4.复制第一平面Z方向10个单位，得第二平面，即取适当高度为分形结构复杂化提供空间并建立第二平面基础。
5.在上述第一平面和第二平面内将蜂窝单元进行迭代，根据模块化材料的结构计算的要求，确定X轴，Y轴和Z轴的迭代次数，增加结构复杂度，通过复杂结构网络向多个方向分散受力从而分散包装受到的外力。
6.取适当数字控制结构粗细以保留结构的孔隙，形成类海绵多孔生物结构，从而形成三维模块化材料。
依照上述从单元到模块化材料的迭代的方式，以三维模块化材料为单元进行迭代递归，形成立体的包装，并一次整体成型。
或者采用所述三维模块化材料进行组合或拆解，根据产品立体外观，包裹形成立体的包装。
本发明的基于分形几何的可持续包装设计的方法，可以通过计算机设计，依照产品包装的需求直接进行包装设计和生产，且二维原形在经过3～4次迭代递归后都具备无限放大与自相似的模块化特性，采用本发明的方法设计出的包装甚至能通过折叠成为一个三维立体包装，从而在包装设计时即一个包装产品的生命周期的初期时就能具备可持续利用的特性，从而使包装产品能够实现实时设计，实时生产且可以持续循环利用；本发明的包装材料可以通过组合或拆解即能够成为产品的包装，大大延长包装的使用寿命。

Claims (10)

1.一种基于分形几何的可持续包装设计的方法，其特征在于：以需要包装的产品的包装要求选择二维原形进行分形几何计算，迭代形成被包装产品的三维模块化材料，然后按照包装的形状要求，做成符合产品要求的立体包装形式。
2.如权利要求1所述的基于分形几何的可持续包装设计的方法，其特征在于：所述二维原形为根据产品受力规律分布疏密的多孔分形结构。
3.如权利要求1或2所述的基于分形几何的可持续包装设计的方法，其特征在于：所述二维原形采用以六边形为基础的蜂窝结构。
4.如权利要求1所述的基于分形几何的可持续包装设计的方法，其特征在于：所述二维原形采用如下步骤进行分形几何计算:
步骤一，建立二维原形图案的单元；
步骤二，根据产品包装要求，以步骤一的单元确定模块化材料的结构；
步骤三，基于二维原形图案的单元的基础进行空间上的衍生增量，按照模块化材料的结构要求进行迭代增加结构复杂度，通过复杂结构网络向多个方向分散受力以此抵抗包装受到的外力；
步骤四，取适当数字控制结构粗细以保留结构的孔隙，形成类海绵多孔生物结构，从而形成三维模块化材料。
5.如权利要求4所述的基于分形几何的可持续包装设计的方法，其特征在于：对于二维原形是以六边形为基础的蜂窝结构，根据所述步骤二计算的结构形式，选取一定的尺寸作为模块化材料的第一平面基础；然后在所述第一平面基础上，取适当高度为分形结构复杂化提供空间并建立第二平面基础；再后取适当高度进行空间上的衍生增量进行迭代。
6.如权利要求4所述的基于分形几何的可持续包装设计的方法，其特征在于：所述三维模块化材料采用3D打印建立实体。
7.如权利要求4所述的基于分形几何的可持续包装设计的方法，其特征在于：依照步骤二至四的方式，以三维模块化材料为单元进行迭代递归，形成立体的包装，并整体成型。
8.如权利要求4所述的基于分形几何的可持续包装设计的方法，其特征在于：采用所述三维模块化材料进行组合或拆解，根据产品立体外观，包裹形成立体的包装。
9.一种采用如权利要求1所述的方法设计的包装材料，其特征在于：所述包装材料为类海绵多孔生物结构组成，且由相同的有孔单元结合空间分量进行分形迭代形成，具有一定尺寸和高度的平板材料，用于产品包装的模块化单元。
10.如权利要求9所述的包装材料，其特征在于：所述相同的有孔单元为以六边形为基础的蜂窝结构。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114197264A (zh) * 2021-12-20 2022-03-18 无锡荷清数字建筑科技有限公司 一种3d打印透水型地砖及其制备方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1932883A (zh) * 2006-10-12 2007-03-21 上海交通大学 基于分形的体绘制可视化方法
CN106485568A (zh) * 2016-09-19 2017-03-08 深圳云创文化科技有限公司 一种包装解决装置、方法和服务器

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1932883A (zh) * 2006-10-12 2007-03-21 上海交通大学 基于分形的体绘制可视化方法
CN106485568A (zh) * 2016-09-19 2017-03-08 深圳云创文化科技有限公司 一种包装解决装置、方法和服务器

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
姚惠 等: ""有规分形几何下的可持续包装设计"", 《包装工程》 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114197264A (zh) * 2021-12-20 2022-03-18 无锡荷清数字建筑科技有限公司 一种3d打印透水型地砖及其制备方法

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