纸箱内部EPE泡沫缓冲包装设计及其G值控制探析(上)[华凝文化纸包装工业网]

　　理论性的缓冲包装设计方法为Lansmont公司提出的“五步法”，在Lansmont设备测试数据配合下，来调整跌落冲击的G是非常有效的。
　　
　　EPE泡沫对于保护产品是比较好的一种选择。保证产品的破损率对于产品保护包装的强度而言有一个最小的要求，就是缓冲材料的回弹性可以保证多次冲击。换言之，我们所关心的被选择的缓冲材料不是在第一次冲击时保证产品不被损坏，而是关心产品在多次重复冲击时能够提供持续性的保护性能。如ETHAFOAM品牌产品有自然的回弹性，它们自有的显著回弹性能能够在多次重复冲击时提供很好的缓冲保护性能；并且它拥有多种强度性能的材料，使其适用的产品重量范围小到几磅，大到几百磅。本文以ETHAFOAM品牌的EPE泡沫为例，来说明缓冲结构雏形的确定步骤。
　　
　　EPE泡沫缓冲包装设计步骤与方法
　　
　　第一步，确定产品的脆值
　　
　　脆值，又称易损度，是产品适应流通需要而规定的一种强度概念。包装件在流通过程中，由于包装不良而造成的产品价值损失，都称为破损。破损的形式很多，如薄壁产品的变形，易碎产品的破裂，仪器的失灵，容器泄漏等。破损是一种流通事故，它一方面受产品的固有属性(材质、密度、结构)的支配，另一方面又受外部流通环境的影响。将这种破损用量值来描述，即为脆值。从量值上讲，脆值定义为产品不发生物理的或功能的损伤所能承受的最大加速度值，一般用重力加速度的倍数G表示。使用冲击试验机可以测定产品机械冲击的脆值，但要注意产品的冲击姿态不同，可以测出不同方向的G值。
　　
　　第二步，确定流通环境
　　
　　从流通环境中，可以分析出产品可能遭遇到的机械冲击的情况，从而得到产品可能的跌落高度。产品可能的跌落高度主要受包装件的重量和搬运方式（同时包装件的重量也会影响到搬运方式）的影响，其值可以通过相关手册或经验确定。
　　
　　第三步，缓冲结构雏形设计
　　
　　根据产品脆值（抗冲击能力）和流通环境（冲击强度），包装工程师要选择合理的包装材料和包装结构，从而缓和冲击来达到保护产品的目的。在包装选材时，尽量选用自己熟悉的包装材料（了解材料的力学性能），要有缓冲材料的动态冲击缓冲特性曲线（如图1）和振动传递率特性曲线（如图2）。它们的横坐标PSI是静载荷，单位为磅/英寸平方，是被包装产品作用在缓冲材料上的力的应用。现在假定一款产品，根据其重量（重量为20lbs）和脆值（脆值为40g’s），以及相关的标准，确定出它的跌落高度为36英寸。
　　
　　图1动态冲击缓冲特性曲线
　　
　　图2振动传递率特性曲线
　　
　　确定缓冲距离（肉厚）
　　
　　选择SealedAir公司的CelluPlank®220PolyethyleneFoam作为缓冲材料。该材料的动态冲击缓冲特性曲线如图3所示。该款产品SealedAir公司可以提供三种不同的厚度，即为2”，3”，4”。在图中以产品脆值（脆值为40g’s）画出一条与横轴平行的直线，称为产品的脆值线，缓冲材料的动态冲击缓冲特性曲线在脆值线下面或下面的部分时，在预期的冲击下可以达到保护产品，缓冲材料的动态冲击缓冲特性曲线在脆值线上面或上面的部分，在预期冲击下将会破坏产品。可以发现2”和3”两个厚度的Foam的最小G值都在40g’s以上，所以2”和3”两个厚度的Foam不能满足该产品的保护要求。4”厚度的Foam的动态缓冲曲线有一部分在G值40g’s直线下面，故可以满足G值为40g’s的产品的缓冲保护需求。
　　
　　图336”跌落高度2-5次跌落平均值
　　
　　确定静载荷值和缓冲面积
　　
　　厚度为4”的CelluPlank®220PolyethyleneFoam产品，其静载荷在a1（0.4psi）和a2（2.35psi）之间时，可以对G值为40g’s的产品提供所需保护。根据产品重量20lbs，静载荷在a1时的缓冲面积为50平方英寸（20lbs÷0.4psi），静载荷在a2时的缓冲面积为9平方英寸（20lbs÷2.35psi）。这个值比选用a1（0.4psi）时得到的值减少了82%，从而可以得出较大的静载荷可以降低成本，当选择静载荷在a1（0.4psi）和a3（1.1psi）之间时，将会出现过度包装现象，这是不被提倡的。
　　
　　值得注意的是，如果通过选用较厚的材料来减少用料量，结果会因为外包装尺寸的增加而造成仓储、运输和搬运成本的增加，往往这个成本会大于所节约的缓冲材料的成本，所以设计师应优先选择最小的材料厚度。通过多次对比几种材料进行验证，就能够比较快地在材料成本和包装尺寸中找出最经济的平衡点。
　　
　　CelluPlank®220PolyethyleneFoam的振动传递率特性曲线为图4，该材料的振动放大和衰减，受到PSI的影响。了解产品的振动参数后，产品和缓冲结构就会组成一个新的系统（包装件），在系统中实际存在的阻尼与该系统临界阻尼系数之比，称为阻尼比（ζ）。在缓冲材料确定后，系统阻尼比主要受缓冲结构（缓冲距离和缓冲面积）的影响。由图5不难看出，包装设计师设计的系统的ζ值应该尽量往1靠近。系统（包装件）受迫振动的振幅与静应力偏移之比，表示干扰力对振动系统动力作用的效果，称为动力放大系数（β）。在产品流通环境确定后，通过包装件标准（如ISTA），可以确定产品在流通过程中可能受到的振动频率。从图6可知，设计包装结构时应尽量避免系统频率等于或接近于流通过程的频谱，并且控制其比值应大于，从而使包装结构具有防振来保护产品。由于振动破坏没有冲击破坏剧烈，很多情况下设计结构时并不着眼于振动防护。包装件系统的复杂性，测试仪器的局限性，通过改变结构来控制阻尼比（ζ）和动力放大系数（β）并不容易实现，这也是结构工程师并不着眼于振动防护的一个原因。
　　
　　图4振动传递率特性曲线
　　
　　图5β-λ曲线
　　
　　图6Tr-λ曲线
　　
　　产品的共振频率和最终的包装件共振频率，都可以通过扫频试验来获得。扫频试验是指在试验过程中维持一个或两个振动参数（位移、速度或加速度）量级不变，而振动频率在一定范围内连续递增变化的试验。图7为ISTA测试标准下2Hz到5Hz扫频过程记录，所用的测试设备为Lansmont公司的VibrationSystems。
　　
　　图7VibrationVIEW
　　
　　（未完待续）
　　
　　

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