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笔记本电脑的纸质包装设计研究

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1瓦楞纸板缓冲衬垫

瓦楞纸板缓冲衬垫是将瓦楞纸板经过模切、压痕工序后,再经折叠、插装、组合、黏结等方法,使其从二维变成三维结构的缓冲包装衬垫。结构分为组合式和一体折叠式2种。折叠型瓦楞纸板制成的衬垫结构主要包括:护楞衬垫、护角衬垫、护槽衬垫、护板衬垫、双角衬垫、脚槽衬垫和双槽衬垫等。综合考虑电脑机身特性和缓冲要求、瓦楞纸板特性及包装成本,采用护楞和护角衬垫结合的局部缓冲包装形式,即2个衬垫体沿电脑机身左右两边和4个角将其卡紧,起到缓冲保护作用。

2设计过程

2.1设计步骤

瓦楞纸板缓冲包装与泡沫塑料缓冲包装不同,它没有像泡沫塑料设计一样有理论依据(如六步法)可循。其设计步骤如下所述。1)分析产品特性,根据其结构、性能和缓冲要求,结合Pro/E软件设计出几种可行的缓冲结构和实体建模。2)方案比较,优化选择。选定最优设计,调整和定位尺寸,进一步优化。3)配材的选择。根据产品的性能指标和缓冲要求,选择瓦楞纸板的齿形、楞型、里纸、面纸及芯纸,依据配材的边压强度、耐破度或撕裂强度等性能参数进行选择。4)安全性测试。利用Ansys软件对选定的缓冲结构进行静态压缩、模态、跌落等安全性测试,或者按照结构图纸打样,在实验室里进行实物测试。若安全性测试未通过,则调整结构或配材等重新测试。若测试通过,即可定案。该步一般是依靠测试结果或经验判断。

2.2产品特性分析

该型号笔记本电脑的参数:机身质量m=2.2kg;产品长L=340mm,宽B=242.6mm,厚度H=33.6mm;内装物有笔记本电脑机身、说明书、保修卡、驱动光盘、数据线、电源适配器等。笔记本电脑机身作为缓冲衬垫包装的主体,其他部件作为附件,附件的总质量为1.1kg。笔记本电脑机身主要部件有外壳、液晶屏、硬盘、主板等,易损件为硬盘和液晶屏,其质量分布均匀,重心在其形心位置,故设计结构要求在L,B和H等3个方向上都要有定位和缓冲。笔记本电脑属于电子设备,根据该品牌笔记本电脑的型号和性能参数,查询中国机械标准化研究所的产品脆值标准,进行类比,确定其脆值G=60g。根据笔记本电脑的质量,查相关标准,确定其在运输过程中的跌落高度h=80cm。

2.3缓冲衬垫承载面积及厚度

由于缓冲衬垫结构为异形缓冲结构,李志强指出当瓦楞纸板结构设计较复杂时,其缓冲性能接近于EPS。缓冲系数反应了缓冲衬垫的材质、结构和尺寸,广泛用于局部缓冲结构设计。由此,瓦楞纸板缓冲衬垫应以复杂纸板结构的缓冲系数-最大静应力曲线为依据,采用最小缓冲系数法进行尺寸设计。1)笔记本电脑机身的重量:W=21.56N。2)缓冲衬垫最小承载面积和厚度。由EPS的缓冲系数-最大静应力曲线(密度为0.029g/cm3)可知,最小缓冲系数C=2.4,对应的应力σm=0.7MPa,则笔记本电脑机身衬垫最小承载面积A=Wh/σm×104=24.64cm2,衬垫厚度T=Ch/G=3.20cm。由于瓦楞纸板缓冲衬垫的承载面积、厚度和衬垫具体的结构形式、所选配材的性能有关,由此,在配材选定后可根据具体的结构形式和产品特性调整确定最后的承载面积和厚度。

3缓冲衬垫的结构设计

根据以上分析,利用Pro/E软件设计出以下3套结构方案,通过分析比较,确定一套最优方案进行后续的安全性测试分析。

3.1方案1(组合式)

缓冲衬垫由a,b部件组装而成。部件a起支撑作用,部件b起缓冲作用,由此其瓦楞方向与部件a的瓦楞方向相反,即部件b主要靠瓦楞纸板的横向边压支撑。部件a的结构是中间用三处折叠复U型结构和侧面U型结构使其在L,B,H等3个方向定位和B,L方向缓冲,中间三处折叠U型结构起到H方向的缓冲作用,中间空出的结构不折叠,加强H方向的定位。部件b是在H方向上由折叠成长方形和2个三角型的结构组成,正方形结构插入衬垫时,一个面起到B方向的定位加强作用,将此面设计成m型,方便笔记本装入。三角形结构位于产品中部,属于较稳定结构,增强了部件a的稳定性。通过左右2个衬垫的配合,将左右2个边和4个角卡紧可实现前后上下4个方向的定位与缓冲。附件盒盛装附件的同时和外箱配合,可以对电脑机身包装件的6个方向定位,增加缓冲衬垫的缓冲面积和缓冲厚度,使瓦楞纸板结构组合衬垫的缓冲保护性能更佳。

3.2方案2(组合式)

缓冲衬垫由部件a,b和c组装而成。部件a的H方向由原有的U型改成近M型,可以对L,H方向定位和缓冲,还可以为L方向机身装入留有余量。部件b和部件c起到加强H方向定位和缓冲作用。部件b可以固定M结构,其固定部位是U型,给M型留有一定活动空间,便于尺寸调节。部件c和部件a相互吻合,起到固定M结构和B方向定位的作用。

3.3方案3(一体折叠式)

衬垫整体结构,由1张瓦楞纸板折叠而成。衬垫由0947型瓦楞衬垫改装而成,0947型瓦楞衬垫提供了L,H方向上的定位,H方向上的缓冲,改装后增加了B方向的定位和L,B方向的缓冲。首先加长了L方向上2个回旋折叠结构,使之在L方向具有缓冲作用。其次在B方向,衬垫两边增加2个回旋折叠结构,达到B方向的定位及缓冲。0947型为对称结构,由于笔记本包装箱内需要装有附件的内附盒,可以达到一些缓冲效果,所以位于内附箱面的尺寸可酌情减小。

3.4方案选择

从结构上分析,对于笔记本电脑来说,其质量较轻,3种方案均采用局部缓冲就可以保证其安全。方案1因为有稳定的三角形支撑,结构的缓冲性能最好,且结构简单美观。从工艺上考虑尽量选择组合式瓦楞纸板缓冲衬垫。方案1和方案2均为组合式缓冲包装,方便进行尺寸设计、生产加工,但是需要进行折叠组装。方案3为一体折叠式,虽无需组装,但在尺寸设计和三维建模时较麻烦,尺寸精度不高。从成本上分析,3个方案所需要的原料,经过估算相差不多,而且每个方案都有优化余地。综上所述,从结构、工艺、成本,尤其是缓冲性能上考虑,最终选择方案1。

3.5瓦楞纸板的配材

常用的瓦楞纸板有A,C,B,E及BC型,根据产品规格及实际经验判定,采用抗压强度高、弹性好的UV齿形B型瓦楞纸板。

3.6衬垫结构的安全性分析

利用Ansys软件进行选定衬垫的安全性仿真分析。静态压缩仿真与模态(振动特性)仿真分析使用WORKBENCH模块,跌落分析使用Ansys/LS-DYNA模块。b加衬垫(上)和不加衬垫(下)的等效应力云图对比可知,不加衬垫时电脑机身受到的最大应力为6687Pa,最小应力为2137Pa。加上衬垫后,衬垫受到的最大应力为305680Pa,所受应力多数分布在6369Pa以下,配材的耐破强度为1024000Pa,衬垫完全可以承受所受的应力。电脑机身所受应力多数分布在2152Pa以下,大部分应力较小且都被缓冲衬垫所吸收,缓冲效果明显。模态分析用于确定设计结构的振动特性(固有频率和振型),它们是承受动载荷结构设计中的重要参数,同时,也是瞬态分析、谐响应分析、谱分析的基础。模态分析是一种线性分析,任何非线性均被忽略。对电脑以及衬垫进行模态分析,材料属性及网格划分等操作同静态分析一致。如图5c,f对x,y,z等3个方向平动和转动进行六阶模态分析,可以得出其六阶最大固有频率,且没有共振发生。d和e是模拟跌落过程的等效应力云图和加速度曲线图,可以看出包装件的加速度峰值约为28g,比产品的脆值60g小很多,满足要求。通过以上测试分析,证明该衬垫结构设计合理,缓冲作用明显。也可利用打样机打样得到包装样品,在振动台、冲击试验机和跌落试验机上进行安全性测试。

3.7附件包装盒设计

根据附件的大小和衬垫尺寸,用B型瓦楞纸板做0212型包装纸盒,制造尺寸为300mm×100mm×60mm,尺寸控制到刚好与外箱、缓冲结构衬垫完美配合。

4结语

瓦楞纸板缓冲结构衬垫通过仿真和实物相结合的安全性测试分析,能够完全满足笔记本电脑的缓冲要求,且相比泡沫塑料缓冲衬垫易加工成型且成本低廉,代表了未来绿色包装的发展方向。通过该实例证明,只要瓦楞纸板的缓冲结构设计合理,且所选配材合适,完全能够满足笔记本电脑及类似电子设备的绿色缓冲包装要求。随着瓦楞纸板缓冲包装理论的建立和完善,瓦楞纸板缓冲材料将会在未来的包装市场发挥更大的作用。

作者:邢月卿陈满儒孙德强单位:陕西科技大学

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