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紙箱內部EPE泡沫緩沖包裝設計及其G值控制探析(上)

作者:魏風軍 侯珍河 陸秋杏 葛瑞紅 姜明杰   來源:華凝文化紙包裝工業網   關注:4987   時間:2015-09-10  
  理論性的緩沖包裝設計方法為Lansmont公司提出的“五步法”,在Lansmont設備測試數據配合下,來調整跌落沖擊的G是非常有效的。
  
  EPE泡沫對于保護產品是比較好的一種選擇。保證產品的破損率對于產品保護包裝的強度而言有一個最小的要求,就是緩沖材料的回彈性可以保證多次沖擊。換言之,我們所關心的被選擇的緩沖材料不是在第一次沖擊時保證產品不被損壞,而是關心產品在多次重復沖擊時能夠提供持續性的保護性能。如ETHAFOAM品牌產品有自然的回彈性,它們自有的顯著回彈性能能夠在多次重復沖擊時提供很好的緩沖保護性能;并且它擁有多種強度性能的材料,使其適用的產品重量范圍小到幾磅,大到幾百磅。本文以ETHAFOAM品牌的EPE泡沫為例,來說明緩沖結構雛形的確定步驟。
  
  EPE泡沫緩沖包裝設計步驟與方法
  
  第一步,確定產品的脆值
  
  脆值,又稱易損度,是產品適應流通需要而規定的一種強度概念。包裝件在流通過程中,由于包裝不良而造成的產品價值損失,都稱為破損。破損的形式很多,如薄壁產品的變形,易碎產品的破裂,儀器的失靈,容器泄漏等。破損是一種流通事故,它一方面受產品的固有屬性(材質、密度、結構)的支配,另一方面又受外部流通環境的影響。將這種破損用量值來描述,即為脆值。從量值上講,脆值定義為產品不發生物理的或功能的損傷所能承受的最大加速度值,一般用重力加速度的倍數G表示。使用沖擊試驗機可以測定產品機械沖擊的脆值,但要注意產品的沖擊姿態不同,可以測出不同方向的G值。
  
  第二步,確定流通環境
  
  從流通環境中,可以分析出產品可能遭遇到的機械沖擊的情況,從而得到產品可能的跌落高度。產品可能的跌落高度主要受包裝件的重量和搬運方式(同時包裝件的重量也會影響到搬運方式)的影響,其值可以通過相關手冊或經驗確定。
  
  第三步,緩沖結構雛形設計
  
  根據產品脆值(抗沖擊能力)和流通環境(沖擊強度),包裝工程師要選擇合理的包裝材料和包裝結構,從而緩和沖擊來達到保護產品的目的。在包裝選材時,盡量選用自己熟悉的包裝材料(了解材料的力學性能),要有緩沖材料的動態沖擊緩沖特性曲線(如圖1)和振動傳遞率特性曲線(如圖2)。它們的橫坐標PSI是靜載荷,單位為磅/英寸平方,是被包裝產品作用在緩沖材料上的力的應用。現在假定一款產品,根據其重量(重量為20lbs)和脆值(脆值為40g’s),以及相關的標準,確定出它的跌落高度為36英寸。
  
  圖1動態沖擊緩沖特性曲線
  
  圖2振動傳遞率特性曲線
  
  確定緩沖距離(肉厚)
  
  選擇SealedAir公司的CelluPlank®220PolyethyleneFoam作為緩沖材料。該材料的動態沖擊緩沖特性曲線如圖3所示。該款產品SealedAir公司可以提供三種不同的厚度,即為2”,3”,4”。在圖中以產品脆值(脆值為40g’s)畫出一條與橫軸平行的直線,稱為產品的脆值線,緩沖材料的動態沖擊緩沖特性曲線在脆值線下面或下面的部分時,在預期的沖擊下可以達到保護產品,緩沖材料的動態沖擊緩沖特性曲線在脆值線上面或上面的部分,在預期沖擊下將會破壞產品。可以發現2”和3”兩個厚度的Foam的最小G值都在40g’s以上,所以2”和3”兩個厚度的Foam不能滿足該產品的保護要求。4”厚度的Foam的動態緩沖曲線有一部分在G值40g’s直線下面,故可以滿足G值為40g’s的產品的緩沖保護需求。
  
  圖336”跌落高度2-5次跌落平均值
  
  確定靜載荷值和緩沖面積
  
  厚度為4”的CelluPlank®220PolyethyleneFoam產品,其靜載荷在a1(0.4psi)和a2(2.35psi)之間時,可以對G值為40g’s的產品提供所需保護。根據產品重量20lbs,靜載荷在a1時的緩沖面積為50平方英寸(20lbs÷0.4psi),靜載荷在a2時的緩沖面積為9平方英寸(20lbs÷2.35psi)。這個值比選用a1(0.4psi)時得到的值減少了82%,從而可以得出較大的靜載荷可以降低成本,當選擇靜載荷在a1(0.4psi)和a3(1.1psi)之間時,將會出現過度包裝現象,這是不被提倡的。
  
  值得注意的是,如果通過選用較厚的材料來減少用料量,結果會因為外包裝尺寸的增加而造成倉儲、運輸和搬運成本的增加,往往這個成本會大于所節約的緩沖材料的成本,所以設計師應優先選擇最小的材料厚度。通過多次對比幾種材料進行驗證,就能夠比較快地在材料成本和包裝尺寸中找出最經濟的平衡點。
  
  CelluPlank®220PolyethyleneFoam的振動傳遞率特性曲線為圖4,該材料的振動放大和衰減,受到PSI的影響。了解產品的振動參數后,產品和緩沖結構就會組成一個新的系統(包裝件),在系統中實際存在的阻尼與該系統臨界阻尼系數之比,稱為阻尼比(ζ)。在緩沖材料確定后,系統阻尼比主要受緩沖結構(緩沖距離和緩沖面積)的影響。由圖5不難看出,包裝設計師設計的系統的ζ值應該盡量往1靠近。系統(包裝件)受迫振動的振幅與靜應力偏移之比,表示干擾力對振動系統動力作用的效果,稱為動力放大系數(β)。在產品流通環境確定后,通過包裝件標準(如ISTA),可以確定產品在流通過程中可能受到的振動頻率。從圖6可知,設計包裝結構時應盡量避免系統頻率等于或接近于流通過程的頻譜,并且控制其比值應大于,從而使包裝結構具有防振來保護產品。由于振動破壞沒有沖擊破壞劇烈,很多情況下設計結構時并不著眼于振動防護。包裝件系統的復雜性,測試儀器的局限性,通過改變結構來控制阻尼比(ζ)和動力放大系數(β)并不容易實現,這也是結構工程師并不著眼于振動防護的一個原因。
  
  圖4振動傳遞率特性曲線
  
  圖5β-λ曲線
  
  圖6Tr-λ曲線
  
  產品的共振頻率和最終的包裝件共振頻率,都可以通過掃頻試驗來獲得。掃頻試驗是指在試驗過程中維持一個或兩個振動參數(位移、速度或加速度)量級不變,而振動頻率在一定范圍內連續遞增變化的試驗。圖7為ISTA測試標準下2Hz到5Hz掃頻過程記錄,所用的測試設備為Lansmont公司的VibrationSystems。
  
  圖7VibrationVIEW
  
  (未完待續)
  
  
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