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摘要：温控包装在冷冻食品行业中应用领域前景广泛，其包装模型整体化设计时的参数不易筛选优化。本文选取和路雪（中国）有限公司生产的迷你可爱多冰激凌为保温对象，基于3D打印技术制作成型的保温杯为研究对象。通过正交试验方法，对其影响保温效果的各参数进行了数据处理和研究，从而得出参数组合最优化的温控包装模型，有效解决了在“最后一公里”的配送过程中，冷冻食品因这段时间温度过高而变质的问题。
关键词：温控包装;3D打印技术;温变速度;冰激凌
中图分类号：TS206.6 文献标识码：A 文章编号：1400 （2019） 05-0064-06
温控包装是指采用阻热性的材料、隔热结构设计、改进成型工艺等多种措施使温度敏感产品从运输销售到消费者拆封产品整个流通环节始终保持在产品可接受的温度范围内，减慢产品因热袭而产生变质的速率，从而延长产品货架保质期的一种综合的、特殊的包装形式[3]。
食品领域温控包装的快速增长是由于包装温度敏感的食品大量使用，对储运食物的温度要求增加，如2℃～ -7℃为冷鲜肉和酸奶等食品的保存温度区间[1]。根据冷冻饮品（冰激凌）国家标准GB/T31114-2014[2]规定，长途运输冷藏冰激凌的车厢温度须低于-15℃，贮存冰激凌的专用冷库温度须低于-18℃，在低温陈列柜销售时的温度不高于-15℃。如果储藏时达不到-22℃，奶油量较高的冰淇淋就达不到应有的硬度和保质期。冷链运输时，为了避免融化二次冰冻的危险，冰淇淋需达到-18℃以下。
对于温度敏感的产品，温度是影响质量最重要的因素之一。影响温控包装保温性能的因素主要有包装材料的选择、包装容器的壁厚、产品的几何尺寸、铝箔的影响、包装尺寸，包装的密封性，蓄冷剂的种类和用量、外界环境条件等。完全符合要求的保温包装模型并不存在，选用时应根据各因素的具体情况进行全面分析、比较，然后做出优化选择[4]。
本文以某品牌公司生产的迷你可爱多组合蛋筒冰淇淋为保温对象，其保温包装为研究对象，应用3D打印技术实现温控包装设计模型的实体转化，并通过正交试验方法，对其影响保温效果的各因素进行分析和研究，从而筛选出最优化的参数组合，有效解决了从销售处到消费者手中“最后一公里”的配送过程，没有冷链设备的配备，冰激凌可能会由于这段时间温度过高而变质的问题[5]，为研究冷冻食品保温领域的工程技术人员提供参考价值。
1材料与方法
以3D打印技术为代表的数字化制造技术，正影响着新的工业革命的变革，给这个性化与社会化创造的时代注入新的活力[6]。
1.1 3D打印技术原理
3D打印与传统打印的区别主要表现在打印材料和原理。3D打印的原材料来源广泛，包括金属、塑料、陶瓷、复合材料以及生物材料，包括固态、液态、粉末等形式。每一种材料适应一种或多种打印原理。对于终端设备用户而言，3D打印与传统打印的最大区别在于必须设计或通过扫描逆向反求一个三维的数字模型，然后再进行打印输出[7]。因此，3D打印可以使用传统打印无法使用的材料制造出其无法完成的形状，其复杂程度不逊于传统打印工艺。传统打印与3D打印对比如表1所示。
3D打印流程一般包括前处理、成型制作和后处理。第一个步骤主要涉及计算机应用技术、逆向工程和光学成像技术。第二个步骤涉及材料科学、机械工程和电子信息技术。这两个步骤互相配合，任何一个步骤有问题，都会影响到最终产品打印的质量。后处理的步骤采用传统加工方式对模型进行修缮，使其更加美观。
1.2 3D打印材料
3D打印材料种类繁多，分类方式各有不同。常见的按照材料的物理状态、化学性能可分为金属材料、高分子材料和无机非金属材料三大类[8]。其中应用范围宽，用量最大、成型方式最多，最容易加工成型的材料为高分子材料。理论上，高分子材料是否具有隔热保温的性能，是通过“导热系数”这项物理性能测定反映的[9]。因为高分子材料大多是热的不良导体（见表2）[10]。与具有高导热性的金属相比较，高分子材料是金属的1/500-1/600倍关系。0.02-0.046W/m.K一般为泡沫塑料的导热系数，约为金属的1/1500，普通粘土砖的1/20，水泥混凝土的1/40[11]，可作為保温材料的选择之一，要拓展其在保温领域的应用，使其耐高温，隔热性能优异，必须根据需要对高分子材料进行改良设计。选用PLA、ABS、PE三种常用的3D打印材料为本文的试验用材料。
1.3方法
1.3.1试验目的和试验指标的确定
对本试验而言，试验的目的是为了提高冷冻食品温控包装的保温性能，所以温升速度指单位时间内的温度变化量，单位为℃/min。平均温升速度（℃/min）=终止温度（℃）一初始温度/保温时间（min）
（1）
假定冰激凌保存的最高温度超过O℃时，认为该保温包装已经失去了应有的保温效果，即终止温度设定为O℃。平均温升速度为试验指标，作为温控包装的评价标准，温升速度越慢，就表明包装模型的保温效果越好。
1.3.2选因素，定水平，列因素水平表
影响冷冻食品温控包装保温效果的因素主要有包装材料、包装结构、包装容器的厚度和外界环境的温湿度等。选取的包装结构如图2所示，本试验的保温对象摆放位置图3所示，通过查阅相关文献，并结合本试验研究对象的尺寸、体积和对称性，选取几何中心点为本试验的测试点，测试点的温度为测试冰激凌的温度。
本实验选取温控包装的尺寸规格如表3所示。
影响温控包装保温性能的因素很多，经综合考虑，本试验的试验因素最后确定为材料、结构、厚度和温湿度四种。依序标记为A、B、C和D，并且每个因素同等地取三个水平，以上试验方法简称为四因素三水平正交试验，因素水平表见表4所示。
1.3.3选择正交表
本试验为4因素3水平试验，仅考虑四个因素对温变速度的影响，不考虑因素间的相互作用。四因素共占4列，选用L9 （34）正交表[12]。
1.3.4表头设计
本试验不考虑各因素间相互作用，可将材料（A）、结构（B）、厚度（C）、温湿度（D）依次安排在L9（34）的第1、2、3、4列[13]，见表5所示
1.3.5编制试验方案，依照方案进行试验，试验结果记录与处理
将表5中列号的每个水平数字，对应地替换成该因素的实际水平值，由此构成试验方案见表6。
2结果与讨论
2.1 Ki值的计算，同一水平指标之和为Ki。举例：第一列A因素的Ki计算如下：
Ki= 0.1768+ 0.1502+ 0.2162= 0.5432
K2= 0.2339+ 0.1697+ 0.2035= 0.6111
K3= 0.2246+ 0.2584+ 0.2197= 0.7027
2.2 Ki平均值的计算，各因素同一水平指标的均分为Ki
k1= K1= 0.1810，K2=K2= 0.2037，k3= K3= 0.2342
2.3 R极差的计算
R的意义在于表明各因素在其取值范围（离散或者连续性）内平均温变速度这个试验指标产生变化的波动幅度。
R= max（ki） - min（ki）（2）
RA= k3 - k1= 0.2342 - 0.1810= 0.0532
RB= k3 -k2=0.2144 - 0.1927= 0.0217
Rc=k1- k2= 0.2142 - 0.2012= 0.0130
RD= k3 - k1= 0.2361 - 0.1874= 0.0487
2.4依据极差R值的大小排列，确定因素的主要和次要的影响顺序。
R值越大，说明对温变速度而言，该因素的水平变化的影响作用越大，在温控包装模型整体设计时越需首要考虑该因素。从表6分析可见，影响温变速度的因素主次顺序为A>D>B>C，主要因素为A（材料），影响作用最大，D（厚度）因素的作用没那么主要。
2.5制作因子指标图
从因子指标图（图7所示），可以直观地分析影响温变速度试验指标与各因素水平的变化趋势关系。
2.6优选组合
根据各因素的指标平均值大小选取优水平为A1B2C2D1，即材料选取PLA;以中空圆柱体作为包装结构;温湿度23℃/50% RH的条件形成的组合参数，构成最优化的冷冻食品温控包装模型。而次要考虑的因素为包装容器的壁厚，选取厚度20 mm - 40 mm即可满足保温要求。
2.7优化后不同材料下的对比分析
将正交试验优化后的温控包装模型的材料更换为ABS、PE，在其他条件相同的情况下进行中心测试点保温时间实验，得到结果，如表7，可以看出，选择ABS条件下的温变速度比PLA条件下增加了26%，选择PE条件下的温变速度比PLA条件下增加了54%。说明材料对冷冻食品温控包装的保温性能影响较大。
3结论
采用正交试验方法对冷冻食品温控包装保温性能的各主要影响因素进行了综合比较，通过对试验结果的分析，找到最优的水平组合，最后通过单因素实验与优选结果的对比，说明该优选的包装模型具有一定的借鉴意义。本文仅研究了温控包装模型一种筛选因素的优化过程，后续的研究可从试验结果的分析以及考虑更多的影响因素来增加模型的可靠性。
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