文中介紹了一種使用瓦楞紙板緩沖結(jié)構(gòu)替代EPE襯墊的平板電視包裝，這種設(shè)計(jì)能降低包裝成本和包裝廢棄物的處理成本，提高產(chǎn)品包裝的回收利用率。文章還探討了折疊瓦楞紙板緩沖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與應(yīng)用過(guò)程中的常見(jiàn)問(wèn)題及對(duì)策。
以紙代塑設(shè)計(jì)家電產(chǎn)品的緩沖包裝就是要設(shè)計(jì)對(duì)環(huán)境無(wú)影響、能夠循環(huán)使用或經(jīng)簡(jiǎn)單處理再生利用的包裝，提高資源再生利用率。僅就彩電包裝而言，我國(guó)每年需耗用EPS發(fā)泡塑料3萬(wàn)噸左右，體積約為120萬(wàn)立方米。由此可見(jiàn)，整個(gè)家用電器行業(yè)用于包裝的EPS、EPE材料的數(shù)量相當(dāng)驚人。歐盟國(guó)家早在上世紀(jì)九十年代就分別對(duì)運(yùn)輸包裝、銷售包裝做出規(guī)定，甚至禁止使用發(fā)泡塑料作為產(chǎn)品的緩沖包裝材料。隨著我國(guó)加入WTO，國(guó)際貿(mào)易日益增長(zhǎng)，使用紙漿模塑、瓦楞紙板、蜂窩紙板等紙質(zhì)材料經(jīng)過(guò)折疊、插裝、組合等方法制作紙質(zhì)緩沖襯墊便成為新的選擇。紙質(zhì)緩沖材料的使用不僅減少了“白色污染”，降低了包裝成本，而且有助于提升企業(yè)的品牌和形象。瓦楞紙板以其良好的折疊成形性、低廉的價(jià)格成為環(huán)保包裝設(shè)計(jì)的首選。因而，對(duì)折疊瓦楞紙板緩沖襯墊的成形方式、力學(xué)性能評(píng)價(jià)、設(shè)計(jì)過(guò)程中常見(jiàn)的問(wèn)題的研究分析便成為無(wú)法回避的現(xiàn)實(shí)要求。
原包裝及其改進(jìn)設(shè)計(jì)要求
該產(chǎn)品的原包裝由兩對(duì)的EPE緩沖襯墊、一個(gè)底托和雙層套合型瓦楞紙箱組成。用戶要求使用瓦楞紙板襯墊替代EPE襯墊，在滿足緩沖保護(hù)性能要求的情況下，其包裝總成本不應(yīng)超過(guò)原包裝。緩沖材料及其結(jié)構(gòu)的改進(jìn)旨在減少包裝廢棄物對(duì)環(huán)境的影響，避免使用難以回收處理的EPS、EPE發(fā)泡材料，在保證包裝基本性能的同時(shí)力求降低包裝成本。本設(shè)計(jì)采用國(guó)產(chǎn)一級(jí)掛面BC楞五層雙瓦楞紙板設(shè)計(jì)制作緩沖包裝襯墊，要求緩沖襯墊能夠?qū)μ幱诹魍ōh(huán)境（堆碼、倉(cāng)儲(chǔ)、運(yùn)輸過(guò)程）中的產(chǎn)品提供足夠的保護(hù)：包裝件底面自60cm高度、其余五面40cm高度跌落，要求產(chǎn)品的完好無(wú)損、包裝相對(duì)完整、襯墊無(wú)明顯破損和塑性變形。此外，還要求瓦楞紙板緩沖包裝的總體價(jià)格低于原包裝的價(jià)格，這也是多數(shù)企業(yè)進(jìn)行包裝改進(jìn)時(shí)非常重視的。
瓦楞紙板緩沖襯墊的設(shè)計(jì)與性能分析
襯墊設(shè)計(jì)
該產(chǎn)品是海爾集團(tuán)生產(chǎn)的42"PDP平板電視，產(chǎn)品的質(zhì)量為35kg，外加兩只音箱各3.5kg。本例設(shè)計(jì)時(shí)廠方提供了該電視產(chǎn)品的機(jī)殼和主要結(jié)構(gòu)、重量參數(shù)，筆者對(duì)其進(jìn)行了擬真處理。此外，由于目前平板電視產(chǎn)品的脆值沒(méi)有可供參考的數(shù)值，考慮到產(chǎn)品包裝的安全性，設(shè)定其許用脆值為30G（小于普通CRT彩電的一半）。根據(jù)所要求的測(cè)試環(huán)境條件，綜合考慮產(chǎn)品形狀、屬性，選用BC五層雙瓦楞紙板作為緩沖包裝材料，面紙為國(guó)產(chǎn)一級(jí)掛面紙，厚度為7.1cm，邊壓強(qiáng)度為899.34N/10cm；外包裝箱使用相同材料。參考緩沖包裝設(shè)計(jì)的基本原則，提出該產(chǎn)品緩沖包裝整體設(shè)計(jì)方案：確定外箱尺寸、產(chǎn)品在箱中的放置方式、包裝件的重心位置、緩沖襯墊的形狀尺寸等。
對(duì)緩沖包裝整體方案進(jìn)行初步的分析，如襯墊的承載性能、穩(wěn)定性、成形可靠性及包裝件的傾倒力矩等；據(jù)此對(duì)整體設(shè)計(jì)方案進(jìn)行修改，最后根據(jù)總體設(shè)計(jì)方案繪制平面展開(kāi)圖。經(jīng)壓痕裁切、折疊成形后形成緩沖結(jié)構(gòu)組件（圖1），對(duì)該產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，四個(gè)類似的結(jié)構(gòu)組件組成一套完整的緩沖包裝襯墊。
襯墊的性能試驗(yàn)
筆者使用國(guó)家輕工業(yè)包裝制品質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)中心的DT100型跌落試驗(yàn)機(jī)和TP3沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)包裝件進(jìn)行了垂直跌落試驗(yàn)，得到產(chǎn)品的加速度時(shí)間變化圖線（圖2），其加速度峰值為24.97G。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行彈簧質(zhì)量模型沖擊響應(yīng)譜分析（即將襯墊視為由彈簧和質(zhì)量元件組成的模型），可以得到最大加速度響應(yīng)為34.4G（圖3），測(cè)試完成后，除側(cè)面襯墊因承載面積較小而呈現(xiàn)一定程度的塑性變形外，其余各方向的構(gòu)件結(jié)構(gòu)、外觀均完好無(wú)損。結(jié)果顯示這種瓦楞襯墊有較好的緩沖承載能力。此類襯墊結(jié)構(gòu)靈活，還能夠很方便地移植到同類型產(chǎn)品上，成本也較同體積發(fā)泡塑料襯墊低很多，是實(shí)現(xiàn)電子產(chǎn)品包裝材料單一化、解決包裝廢棄物回收問(wèn)題的重要途徑。
瓦楞紙板襯墊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與應(yīng)用中的常見(jiàn)問(wèn)題及對(duì)策
紙板結(jié)構(gòu)的強(qiáng)制成型問(wèn)題
由于瓦楞紙板固有的回彈性以及紙質(zhì)材料的柔性決定了瓦楞紙板折疊后總會(huì)有恢復(fù)原來(lái)形狀的趨勢(shì)，形狀越復(fù)雜這種趨勢(shì)也就越明顯，只有通過(guò)外力才能使其規(guī)則成型。借助外力成型方式很多，如：粘結(jié)、鉚合、釘合和插接等，為了增加襯墊回收拆卸的可操作性和方便性，在襯墊成形時(shí)排除了膠水、鉚釘和扁釘?shù)氖褂茫薪Y(jié)構(gòu)都只靠尺寸不一的插舌式鎖扣實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)件內(nèi)部或結(jié)構(gòu)間的連接、固定和成型，大大提高了結(jié)構(gòu)件各部分的聯(lián)接與組合強(qiáng)度，保證了結(jié)構(gòu)件成型后的外觀平整和強(qiáng)度要求。另外在一些較長(zhǎng)折痕處裁出一些切口，不僅可以使結(jié)構(gòu)成形更容易，同時(shí)也削弱了紙板張開(kāi)恢復(fù)原形的能力，提高結(jié)構(gòu)件的成形效率和穩(wěn)定性。
結(jié)構(gòu)件的穩(wěn)定性問(wèn)題
瓦楞紙板緩沖襯墊結(jié)構(gòu)除了具有良好的外觀，更重要的是要有足夠的強(qiáng)度與緩沖性能，最基本的要求是 “立要正，斜要穩(wěn)”。直立的板面要保證其在受力情況下不偏斜，斜撐也不能隨意活動(dòng)，尤其是一些框形結(jié)構(gòu)，要靠?jī)蓚€(gè)立面承受豎直或水平載荷，四邊形結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性導(dǎo)致框形結(jié)構(gòu)很容易發(fā)生變形、錯(cuò)位，從而造成緩沖結(jié)構(gòu)在強(qiáng)度性能上的“失效”。為克服和彌補(bǔ)框形紙板結(jié)構(gòu)的這一缺陷，可在其楞邊設(shè)計(jì)“錯(cuò)楞結(jié)構(gòu)”。這種結(jié)構(gòu)可以提高緩沖結(jié)構(gòu)件在承載情況下的穩(wěn)定性，并可提高框形結(jié)構(gòu)的緩沖性能。
結(jié)構(gòu)件的承載與緩沖能力的提升
相比EPS、EPE發(fā)泡材料來(lái)說(shuō)，折疊紙板緩沖墊的另一優(yōu)勢(shì)就是其可以很方便的折疊成很多預(yù)期形狀，做成各種簡(jiǎn)單、中空的結(jié)構(gòu)但又不損失、甚至產(chǎn)生或具備了新的力學(xué)性能。為了較好地發(fā)揮折疊瓦楞紙板結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，充分挖掘折疊紙板結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、緩沖性能，本設(shè)計(jì)中用到了兩種典型的折疊紙板緩沖結(jié)構(gòu)：“斜撐結(jié)構(gòu)”以及由其變形而來(lái)的“三角形結(jié)構(gòu)”。斜撐的應(yīng)用改變了原本框形結(jié)構(gòu)的四邊形受力形式，在增加受力面的同時(shí)也提高了襯墊的穩(wěn)定性；“三角形結(jié)構(gòu)”由“斜撐結(jié)構(gòu)”變形而來(lái)，它借鑒了重型“瓦中瓦”紙板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，內(nèi)部的“雙斜撐”處于有限的自由狀態(tài)，在強(qiáng)化結(jié)構(gòu)件承載能力的同時(shí)也在很大程度上提升了襯墊的緩沖性能。
此外，瓦楞紙板比泡沫塑料具有更好的表面剛度和韌性，可以將產(chǎn)品置于中空的紙板結(jié)構(gòu)空腔上部，僅靠與產(chǎn)品底面平行的紙板提供支撐，這種結(jié)構(gòu)形式能為重量較小的產(chǎn)品提供極好的緩沖保護(hù)。
結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)尺寸問(wèn)題
緩沖襯墊尺寸要嚴(yán)格符合規(guī)定的要求，折疊成形后的襯墊結(jié)構(gòu)不僅要與平板電視外形輪廓嚴(yán)密吻合，還要與外包裝箱尺寸嚴(yán)格統(tǒng)一，使產(chǎn)品、襯墊和外箱緊密結(jié)合，避免運(yùn)輸過(guò)程中產(chǎn)品在包裝箱中發(fā)生晃動(dòng)、跳動(dòng)從而引起產(chǎn)品的二次沖擊。折疊紙板結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)尺寸與成形尺寸間需要進(jìn)行一定的轉(zhuǎn)換與修正，傳統(tǒng)的紙箱設(shè)計(jì)修正系數(shù)不能很好的發(fā)揮作用，同時(shí)紙板規(guī)格的誤差也會(huì)影響尺寸設(shè)計(jì)的精確性。因此，只有通過(guò)大量的測(cè)量分析，找到合理的尺寸設(shè)計(jì)參考，才能保證襯墊結(jié)構(gòu)尺寸的準(zhǔn)確性。
緩沖結(jié)構(gòu)件的力學(xué)性能設(shè)計(jì)參考及評(píng)估問(wèn)題
目前國(guó)內(nèi)外從事折疊瓦楞紙板緩沖包裝結(jié)構(gòu)研究和生產(chǎn)的單位很多，但迄今為止，產(chǎn)品設(shè)計(jì)一直沒(méi)有系統(tǒng)的、可供參考的理論依據(jù)，對(duì)產(chǎn)品的強(qiáng)度設(shè)計(jì)、緩沖性能評(píng)估也都是建立在經(jīng)驗(yàn)評(píng)估的基礎(chǔ)上。生產(chǎn)中往往是依據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)出襯墊，通過(guò)試驗(yàn)考查其性能，之后再作相應(yīng)的修改，如此往復(fù)。這造成了產(chǎn)品設(shè)計(jì)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，經(jīng)濟(jì)性很差。因此，對(duì)襯墊設(shè)計(jì)中典型的結(jié)構(gòu)單元力學(xué)性能的研究成為一個(gè)非常有意義的課題，必須加快展開(kāi)。
瓦楞紙板結(jié)構(gòu)件的批量生產(chǎn)和加工效率
折疊瓦楞紙板緩沖結(jié)構(gòu)件雖然具有良好的承載和緩沖性能，又具有較低的成本，良好的表面性能以及方便的拆卸回收性，但其成形的復(fù)雜性嚴(yán)重阻礙了這種襯墊的廣泛推廣應(yīng)用。尤其是大型家電產(chǎn)品的緩沖包裝，由于對(duì)襯墊強(qiáng)度、緩沖性能要求更高，所用材料也更難處理成形而發(fā)展相對(duì)滯后，國(guó)內(nèi)研制的各類新型緩沖制品雖然不少，但大都存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成形困難等問(wèn)題，進(jìn)入實(shí)際的工廠化生產(chǎn)，往往需要增加許多包裝工位或時(shí)間來(lái)完成襯墊成形，反而增加了包裝成本，降低了包裝效率。所以，要推廣折疊瓦楞紙板緩沖襯墊，必須加快紙板成形設(shè)備的研發(fā)，改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理念與方法。
結(jié) 語(yǔ)
折疊瓦楞紙板緩沖襯墊具有良好的承載強(qiáng)度和緩沖性能，可以應(yīng)用于大型、重型電子產(chǎn)品的緩沖包裝。合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、尺寸設(shè)計(jì)可以大大提高襯墊的緩沖性能，對(duì)其力學(xué)性能的科學(xué)評(píng)價(jià)、緩沖結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和模塊化研究將極大地推動(dòng)其在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。作為一種綠色環(huán)保型包裝材料，折疊瓦楞紙板緩沖結(jié)構(gòu)件將有廣闊的發(fā)展前景。
轉(zhuǎn)載自：中國(guó)紙包裝工業(yè)網(wǎng)
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