天埋機緩沖包裝改善優(yōu)化設計

文/ 張允峰

青島海信日立空調(diào)系統(tǒng)有限公司

一、引言

緩沖包裝設計6步法[1]是指導產(chǎn)品物流運輸緩沖包裝設計的經(jīng)典理論和方法，但是在具體應用該理論和方法進行實際產(chǎn)品緩沖包裝的設計時，為了達到材料成本、物流費用、制造費用、可制造性可裝配性等因素的優(yōu)良匹配，真正完成一套可落地實施的緩沖包裝方案，還需要考慮眾多的影響因素，根據(jù)產(chǎn)品的實際情況和包裝需求，將6步法詳細分解為多個可實施的步驟才可以進行具體的方案設計。本文以天埋機為例，詳細的闡述了其緩沖包裝設計的方法和步驟，將6步法的具體應用實施方法進行了較為全面的闡述和總結，可作為機電產(chǎn)品物流運輸緩沖包裝的設計參考。

二、設計過程

根據(jù)緩沖包裝設計6步法，結合企業(yè)實際應用的真實情況和方法的可執(zhí)行性，將天埋機緩沖包裝的設計過程總結完善為以下步驟。

1.設計條件的確定

在進行產(chǎn)品的緩沖包裝設計時，第一步需要確定設計條件和設計目標，具體如下：

（1）流通環(huán)境的調(diào)查與確定

產(chǎn)品的緩沖包裝是為了保護產(chǎn)品在流通過程中不受損害，所以確定包裝件的流通環(huán)境是基礎，流通環(huán)境包括運輸工具、周轉(zhuǎn)工具、運輸距離、周轉(zhuǎn)次數(shù)、倉儲環(huán)境等因素，所以如果是流通環(huán)境不確定的包裝件，需要進行流通環(huán)境的調(diào)查和確定，以便設計的緩沖包裝能夠承受流通過程中產(chǎn)生的各種損害，對內(nèi)裝物起到保護作用。本文中的天埋機是公司的成熟產(chǎn)品，其流通環(huán)境是基本確定的，所以無需單獨調(diào)查。

（2）設計與試驗基準的確定

流通環(huán)境確定后，需要將流通環(huán)境條件轉(zhuǎn)化為可量化可實施的設計和試驗基準，以便可以根據(jù)確定的基準進行設計和樣機的試驗驗證，在能夠說明設計方法的基礎上，為了文章簡明扼要，本文中的天埋機僅以公司已經(jīng)制定的跌落沖擊標準為依據(jù)進行緩沖包裝的設計和試驗。

（3）包裝件外形尺寸的初步確定

在進行產(chǎn)品的運輸包裝設計時，需要根據(jù)常用的運輸工具、產(chǎn)品的外形尺寸、設計與試驗基準等因素初步確定包裝件的最大外形尺寸，以便可以最大化節(jié)省運輸費用，并在最大外形尺寸的范圍內(nèi)進行緩沖包裝的設計。當然，在后續(xù)的設計和試驗驗證時，還需要根據(jù)具體的情況對這個外形尺寸進行微調(diào)。本文中，天埋機最常用的運輸工具為標準卡車貨柜運輸，根據(jù)產(chǎn)品外形尺寸和GB/T 1413-2008[2]中規(guī)定的1C型標準貨柜的有效內(nèi)徑尺寸，并根據(jù)產(chǎn)品放置的特性要求，按照裝柜量最大化的原則對包裝件的最大外形尺寸初步計算，如表1，通過計算發(fā)現(xiàn)高度方向的緩沖墊厚度僅有7mm，厚度太薄，基于設計經(jīng)驗判斷此厚度無法達到緩沖性能要求且緩沖墊無法模具成型，需要對其進行適當調(diào)整。所以將高度方向的堆碼層數(shù)由7層調(diào)整為6層，調(diào)整后包裝件的最大外形尺寸計算結果如表2，此時緩沖墊的厚度可以增加到33mm，基于設計經(jīng)驗及發(fā)泡模具工藝要求判斷此厚度可以滿足緩沖性能要求和模具成型要求，所以初步確定包裝件的最大外形尺寸為L×W×H=1956mm×1165mm×366mm。

表1 包裝件最大外形尺寸的初步計算

表2 包裝件最大外形尺寸設計目標

2.產(chǎn)品條件的分析與確定

確定了設計條件之后，需要對產(chǎn)品自身的結構情況進行分析，以便可以進行合理的設計，必要時，需要對產(chǎn)品自身結構進行適當合理的調(diào)整，具體如下：

（1）產(chǎn)品可緩沖區(qū)域的確定

為了最大化的節(jié)省材料成本、最大化的發(fā)揮緩沖包裝的保護性能，需要對產(chǎn)品的結構型式進行詳細的分析并確定產(chǎn)品剛性較好的區(qū)域作為緩沖區(qū)域，本文中，天埋機產(chǎn)品的結構分析如圖1；根據(jù)圖1所示的產(chǎn)品結構形式，可以分析出產(chǎn)品剛性比較好的區(qū)域在產(chǎn)品的外圍及中間部位，以底面為例，其可緩沖區(qū)域如圖2。

圖1 產(chǎn)品結構形式

圖2 產(chǎn)品的可緩沖區(qū)域

（2）產(chǎn)品脆值的確定

產(chǎn)品的脆值是緩沖包裝設計的關鍵參數(shù)，本文中的天埋機為公司的成熟產(chǎn)品，根據(jù)產(chǎn)品的結構形式及之前的試驗情況，可以確定產(chǎn)品的脆值不大于60g。所以緩沖包裝需要按照跌落沖擊時產(chǎn)生的最大沖擊加速度要小于60g。為了降低風險，也可以考慮按照小于50g進行計算，這樣可以將其安全系數(shù)提升為1.2。但是這樣就會損失一些材料成本，所以需要根據(jù)實際情況進行取舍。本文根據(jù)對產(chǎn)品的實際流通環(huán)境及產(chǎn)品特性的分析，包裝件在運輸時是平躺放置，包裝件的厚度遠小于其長度和寬度，包裝件發(fā)生翻轉(zhuǎn)的概率極低，從緩沖包裝風險設計角度可以認為該產(chǎn)品的頂面在流通過程中基本不會受到跌落沖擊，所以在進行緩沖包裝設計時可以按照頂面為60g，其余5個面為50g的目標進行設計，這樣可以在滿足緩沖性能的條件下，盡可能地節(jié)省材料成本和運輸費用。

3.產(chǎn)品結構的優(yōu)化改善

按照正常的設計流程，對于一個全新的產(chǎn)品，在以上工作完成之后，如果產(chǎn)品的局部結構不適合緩沖包裝的設計或者會導致材料成本、運輸費用等大幅增加的話，綜合評估后，通常需要對產(chǎn)品的局部結構進行適當調(diào)整來適應緩沖包裝的設計。但本文中天埋機產(chǎn)品為公司成熟產(chǎn)品，其結構形式比較成熟、穩(wěn)定可靠且從緩沖包裝設計角度進行分析后，確認沒有不適合緩沖包裝設計的部位，所以無需對產(chǎn)品結構進行局部的改善，直接進行下一步的設計即可。

4.緩沖墊的設計計算

在確定了設計條件和明確了產(chǎn)品條件之后，就可以開始對產(chǎn)品的緩沖包裝進行實質(zhì)性的設計了。

（1）緩沖材料的選擇與確定

在進行緩沖包裝設計時，需要選定合適的緩沖材料，本文中天埋機原始包裝的緩沖材料為蜂窩紙板和瓦楞紙板，由于紙質(zhì)材料存在容易潮濕、破損等特性，該產(chǎn)品原始的全紙包裝在市場中出現(xiàn)了一些破損現(xiàn)象。本次該產(chǎn)品緩沖包裝的改善優(yōu)化設計就是需要改善這種破損的現(xiàn)象。綜合分析了EPP、EPE、EPS等各種常用緩沖材料特性及其材料成本之后，由于EPS具有很好的緩沖性能及比較高的性價比，所以對該產(chǎn)品的緩沖包裝進行改善設計時，選擇了EPS作為緩沖材料，其動態(tài)緩沖性能曲線如圖3。當然，對于不同的產(chǎn)品，需要根據(jù)其流通環(huán)境和產(chǎn)品特性對緩沖包裝的需求，緩沖材料的緩沖特性，再結合材料成本、模具工藝等需求選擇適合其產(chǎn)品自身的緩沖材料。

圖3 EPS動態(tài)緩沖性能曲線

（2） 緩沖墊面積計算

確定了緩沖材料及其動態(tài)性能緩沖性能曲線之后，可以進行緩沖墊的初步計算，根據(jù)圖3及EPS模具成型特性，緩沖墊的最小厚度應不小于25mm，這也滿足了表2中對緩沖墊厚度的限制要求。同時根據(jù)圖3，按照加速度小于50g，緩沖靜應力應在0.55PSI～1.65PSI，本文中天埋機產(chǎn)品的重量為66kg，所以初步計算產(chǎn)品每個面的緩沖總面積為170680mm2/面～56893mm2/面，所以可以根據(jù)產(chǎn)品的實際情況和材料成本情況在此區(qū)間內(nèi)選擇合適的緩沖面積。

（3）緩沖墊面積分配

在計算了緩沖墊面積范圍之后，需要根據(jù)上文中確定的產(chǎn)品可緩沖區(qū)域進行緩沖墊的面積分配，即在產(chǎn)品合適的部位放置合適面積的緩沖墊，以便可以保證產(chǎn)品整體的緩沖效果和便于產(chǎn)品緩沖墊的結構設計。以圖2中所示的天埋機的底面為例，緩沖墊的面積分配和布置如圖4。

圖4 緩沖墊面積分配及布置

（4）緩沖墊結構設計

如圖4，緩沖墊面積分配和布置之后，為了使緩沖墊可以真正落地實施，需要綜合考慮DFMA、模具設計工藝、材料成本、緩沖性能、緩沖墊的周轉(zhuǎn)運輸、包裝件堆碼性能等眾多因素，對緩沖墊的結構進行詳細設計，以便可以形成真正的產(chǎn)品。在緩沖墊的結構設計過程中，可以根據(jù)實際情況，對緩沖墊的厚度、緩沖墊總面積進行適當調(diào)整，以便可以達到各方面效果的總平衡。例如在本文中天埋機案例中，如前文述及，考慮到產(chǎn)品的頂面很少受到跌落沖擊損害，為了提高產(chǎn)品底面的緩沖安全系數(shù)，在充分考慮外包裝箱的厚度及保證緩沖墊總厚度不增加的情況下，采用底面和頂面不等厚的設計，特意將表2中初步計算的緩沖厚度進行了重新分配，底面調(diào)整為30mm，頂面調(diào)整為25mm。設計完成的緩沖墊結構及布置、裝配方式如圖5。所以，在進行緩沖包裝設計時，有時在包裝緩沖性能可靠性不下降，材料成本、運輸費用等資源不增加的情況下，可以根據(jù)實際情況和設計經(jīng)驗對緩沖材料的用量和位置進行適當調(diào)整，以便達到性能、成本、費用的最大匹配度，使緩沖包裝方案最優(yōu)化。

圖5 緩沖墊結構及裝配

（5）最大沖擊加速度校核

由于在緩沖墊詳細結構設計過程中需要根據(jù)實際情況進行緩沖面積、緩沖厚度的適當調(diào)整，所以在設計完成后，需要根據(jù)確定的緩沖墊結構計算出每個面的有效緩沖總面積，并根據(jù)圖3所示的緩沖曲線或者采用反推G值法[3]進行沖擊加速的校核，以便最終成型的緩沖墊可以滿足沖擊加速度的限值要求。本文中采用反推G值法，對天埋機的緩沖沖擊加速度進行了校核，結果如表3。根據(jù)前文中述及的沖擊加速度設計目標，從表3中可以看出，頂面超出目標0.96g外，底面超出目標2.19g，但小于產(chǎn)品60g的脆值，其余面沖擊加速度均基本小于設計目標和產(chǎn)品的脆值。根據(jù)設計經(jīng)驗判斷，設計計算結果可以滿足緩沖性能的要求。當然，這僅是理論計算的結果，從理論計算的結果并基于設計經(jīng)驗可以判斷緩沖設計方案可行。但任何理論設計方案都還需要經(jīng)過實際的試驗驗證，只有通過試驗實測后，才可以真正的確認設計方案可行并進行批量生產(chǎn)應用。

表3 緩沖面積、靜應力、加速度校核結果

5.樣品制作

緩沖墊結構設計定型之后，為了驗證理論計算的正確性、實際緩沖效果、緩沖墊的可制造性、緩沖墊的可裝配性等一系列性能，需要制作手板樣品進行實際的裝配、試驗等性能的驗證，以便可以根據(jù)相關驗證結果進行設計方案的適當優(yōu)化調(diào)整。

6.試驗驗證與設計優(yōu)化

手板樣品制作完成之后，根據(jù)公司試驗標準，采用標準的跌落沖擊試驗臺進行跌落沖擊試驗驗證，如果試驗完成后產(chǎn)品沒有損壞，則證明緩沖效果是滿足要求的。跌落沖擊試驗完成后，根據(jù)實際情況，可以再進行其它相關運輸類的試驗，如果可以滿足全部的試驗要求，則可以將設計方案固化并轉(zhuǎn)正式生產(chǎn)程序。本文中天埋機的緩沖包裝設計方案經(jīng)各項試驗驗證后，滿足了各方面的需求，已經(jīng)在實際產(chǎn)品中進行了應用。

三、結論

1.對緩沖包裝設計6步法進行了詳細的分解，并形成了一套完整的、基本標準且可落地實施的空調(diào)類產(chǎn)品緩沖包裝設計設計方法和設計步驟，并用實際案例驗證了該方法和步驟的可行性。

2.應用該細化的方法和步驟，可以對產(chǎn)品的緩沖包裝進行精細化設計，有利于對材料成本、運輸費用等進行合理設計，最終達到性能優(yōu)化、結構優(yōu)化、成本優(yōu)化的目的。

3.本文述及的緩沖包裝設計方法和細化的設計步驟，是基于經(jīng)典緩沖包裝設計6步法的理論。該理論是一種通用性設計理論，所以本文述及的優(yōu)化設計方法也可以推廣應用到其它機電類產(chǎn)品。