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平板电视瓦楞纸板缓冲结构设计及思考

2022-05-20 来源:贵州农业机械网

平板电视瓦楞纸板缓冲结构设计及思考

文中介绍了一种使用瓦楞纸板缓冲结构替代EPE衬垫的平板电视包装,这种设计能降低包装成本和包装废弃物的处理成本,提高产品包装的回收利用率。文章还探讨了折叠瓦楞纸板缓冲结构设计与应用过程中的常见问题及对策。

以纸代塑设计家电产品的缓冲包装就是要设计对环境无影响、能够循环使用或经简单处理再生利用的包装,提高资源再生利用率。仅就彩电包装而言,我国每年需耗用EPS发泡塑料3万吨左右,体积约为120万立方米。由此可见,整个家用电器行业用于包装的EPS、EPE材料的数量相当惊人。欧盟国家早在上世纪九十年代就分别对运输包装、销售包装做出规定,甚至禁止使用发泡塑料作为产品的缓冲包装材料。随着我国加入WTO,国际贸易日益增长,使用纸浆模塑、瓦楞纸板、蜂窝纸板等纸质材料经过折叠、插装、组合等方法制作纸质缓冲衬垫便成为新的选择。纸质缓冲材料的使用不仅减少了“白色污染”,降低了包装成本,而且有助于提升企业的品牌和形象。瓦楞纸板以其良好的折叠成形性、低廉的价格成为环保包装设计的首选。因而,对折叠瓦楞纸板缓冲衬垫的成形方式、力学性能评价、设计过程中常见的问题的研究分析便成为无法回避的现实要求。

原包装及其改进设计要求

该产品的原包装由两对的EPE缓冲衬垫、一个底托和双层套合型瓦楞纸箱组成。用户要求使用瓦楞纸板衬垫替代EPE衬垫,在满足缓冲保护性能要求的情况下,其包装总成本不应超过原包装。缓冲材料及其结构的改进旨在减少包装废弃物对环境的影响,避免使用难以回收处理的EPS、EPE发泡材料,在保证包装基本性能的同时力求降低包装成本。本设计采用国产一级挂面BC楞五层双瓦楞纸板设计制作缓冲包装衬垫,要求缓冲衬垫能够对处于流通环境(堆码、仓储、运输过程)中的产品提供足够的保护:包装件底面自60cm高度、其余五面40cm高度跌落,要求产品的完好无损、包装相对完整、衬垫无明显破损和塑性变形。此外,还要求瓦楞纸板缓冲包装的总体价格低于原包装的价格,这也是多数企业进行包装改进时非常重视的。

瓦楞纸板缓冲衬垫的设计与性能分析

衬垫设计

该产品是海尔集团生产的42"PDP平板电视,产品的质量为35kg,外加两只音箱各3.5kg。本例设计时厂方提供了该电视产品的机壳和主要结构、重量参数,笔者对其进行了拟真处理。此外,由于目前平板电视产品的脆值没有可供参考的数值,考虑到产品包装的安全性,设定其许用脆值为30G(小于普通CRT彩电的一半)。根据所要求的测试环境条件,综合考虑产品形状、属性,选用BC五层双瓦楞纸板作为缓冲包装材料,面纸为国产一级挂面纸,厚度为7.1cm,边压强度为899.34N/10cm;外包装箱使用相同材料。参考缓冲包装设计的基本原则,提出该产品缓冲包装整体设计方案:确定外箱尺寸、产品在箱中的放置方式、包装件的重心位置、缓冲衬垫的形状尺寸等。

对缓冲包装整体方案进行初步的分析,如衬垫的承载性能、稳定性、成形可靠性及包装件的倾倒力矩等;据此对整体设计方案进行修改,最后根据总体设计方案绘制平面展开图。经压痕裁切、折叠成形后形成缓冲结构组件(图1),对该产品来说,四个类似的结构组件组成一套完整的缓冲包装衬垫。

衬垫的性能试验

笔者使用国家轻工业包装制品质量监督检测中心的DT100型跌落试验机和TP3冲击试验系统对包装件进行了垂直跌落试验,得到产品的加速度时间变化图线(图2),其加速度峰值为24.97G。对试验结果进行弹簧质量模型冲击响应谱分析(即将衬垫视为由弹簧和质量元件组成的模型),可以得到最大加速度响应为34.4G(图3),测试完成后,除侧面衬垫因承载面积较小而呈现一定程度的塑性变形外,其余各方向的构件结构、外观均完好无损。结果显示这种瓦楞衬垫有较好的缓冲承载能力。此类衬垫结构灵活,还能够很方便地移植到同类型产品上,成本也较同体积发泡塑料衬垫低很多,是实现电子产品包装材料单一化、解决包装废弃物回收问题的重要途径。

瓦楞纸板衬垫结构设计与应用中的常见问题及对策

纸板结构的强制成型问题

由于瓦楞纸板固有的回弹性以及纸质材料的柔性决定了瓦楞纸板折叠后总会有恢复原来形状的趋势,形状越复杂这种趋势也就越明显,只有通过外力才能使其规则成型。借助外力成型方式很多,如:粘结、铆合、钉合和插接等,为了增加衬垫回收拆卸的可操作性和方便性,在衬垫成形时排除了胶水、铆钉和扁钉的使用,所有结构都只靠尺寸不一的插舌式锁扣实现结构件内部或结构间的连接、固定和成型,大大提高了结构件各部分的联接与组合强度,保证了结构件成型后的外观平整和强度要求。另外在一些较长折痕处裁出一些切口,不仅可以使结构成形更容易,同时也削弱了纸板张开恢复原形的能力,提高结构件的成形效率和稳定性。

结构件的稳定性问题

瓦楞纸板缓冲衬垫结构除了具有良好的外观,更重要的是要有足够的强度与缓冲性能,最基本的要求是 “立要正,斜要稳”。直立的板面要保证其在受力情况下不偏斜,斜撑也不能随意活动,尤其是一些框形结构,要靠两个立面承受竖直或水平载荷,四边形结构的不稳定性导致框形结构很容易发生变形、错位,从而造成缓冲结构在强度性能上的“失效”。为克服和弥补框形纸板结构的这一缺陷,可在其楞边设计“错楞结构”。这种结构可以提高缓冲结构件在承载情况下的稳定性,并可提高框形结构的缓冲性能。

结构件的承载与缓冲能力的提升

相比EPS、EPE发泡材料来说,折叠纸板缓冲垫的另一优势就是其可以很方便的折叠成很多预期形状,做成各种简单、中空的结构但又不损失、甚至产生或具备了新的力学性能。为了较好地发挥折叠瓦楞纸板结构的优势,充分挖掘折叠纸板结构的强度、缓冲性能,本设计中用到了两种典型的折叠纸板缓冲结构:“斜撑结构”以及由其变形而来的“三角形结构”。斜撑的应用改变了原本框形结构的四边形受力形式,在增加受力面的同时也提高了衬垫的稳定性;“三角形结构”由“斜撑结构”变形而来,它借鉴了重型“瓦中瓦”纸板的结构特点,内部的“双斜撑”处于有限的自由状态,在强化结构件承载能力的同时也在很大程度上提升了衬垫的缓冲性能。

此外,瓦楞纸板比泡沫塑料具有更好的表面刚度和韧性,可以将产品置于中空的纸板结构空腔上部,仅靠与产品底面平行的纸板提供支撑,这种结构形式能为重量较小的产品提供极好的缓冲保护。

结构件的设计尺寸问题

缓冲衬垫尺寸要严格符合规定的要求,折叠成形后的衬垫结构不仅要与平板电视外形轮廓严密吻合,还要与外包装箱尺寸严格统一,使产品、衬垫和外箱紧密结合,避免运输过程中产品在包装箱中发生晃动、跳动从而引起产品的二次冲击。折叠纸板结构的设计尺寸与成形尺寸间需要进行一定的转换与修正,传统的纸箱设计修正系数不能很好的发挥作用,同时纸板规格的误差也会影响尺寸设计的精确性。因此,只有通过大量的测量分析,找到合理的尺寸设计参考,才能保证衬垫结构尺寸的准确性。

缓冲结构件的力学性能设计参考及评估问题

目前国内外从事折叠瓦楞纸板缓冲包装结构研究和生产的单位很多,但迄今为止,产品设计一直没有系统的、可供参考的理论依据,对产品的强度设计、缓冲性能评估也都是建立在经验评估的基础上。生产中往往是依据经验设计出衬垫,通过试验考查其性能,之后再作相应的修改,如此往复。这造成了产品设计费时费力,经济性很差。因此,对衬垫设计中典型的结构单元力学性能的研究成为一个非常有意义的课题,必须加快展开。

瓦楞纸板结构件的批量生产和加工效率

折叠瓦楞纸板缓冲结构件虽然具有良好的承载和缓冲性能,又具有较低的成本,良好的表面性能以及方便的拆卸回收性,但其成形的复杂性严重阻碍了这种衬垫的广泛推广应用。尤其是大型家电产品的缓冲包装,由于对衬垫强度、缓冲性能要求更高,所用材料也更难处理成形而发展相对滞后,国内研制的各类新型缓冲制品虽然不少,但大都存在结构复杂、成形困难等问题,进入实际的工厂化生产,往往需要增加许多包装工位或时间来完成衬垫成形,反而增加了包装成本,降低了包装效率。所以,要推广折叠瓦楞纸板缓冲衬垫,必须加快纸板成形设备的研发,改进结构设计的理念与方法。

结 语

折叠瓦楞纸板缓冲衬垫具有良好的承载强度和缓冲性能,可以应用于大型、重型电子产品的缓冲包装。合理的结构设计、尺寸设计可以大大提高衬垫的缓冲性能,对其力学性能的科学评价、缓冲结构的优化和模块化研究将极大地推动其在工业生产中的应用。作为一种绿色环保型包装材料,折叠瓦楞纸板缓冲结构件将有广阔的发展前景。

转载自:中国纸包装工业网

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