緩沖包裝設計 CAD 開發

■ 文/匯源印刷包裝科技（天津）股份有限公司 陳 飛

1 引 言

緩沖包裝的目的是在運輸、裝卸和存儲過程中，當發生振動、沖擊等外力作用時，用于保護被包裝產品的特性和形態。緩沖襯墊作為緩沖包裝的重要組成部分，在緩沖包裝設計中具有重要作用。

然而，傳統的運輸包裝設計，首先需要根據實驗得到產品的脆值，再根據流通條件進行緩沖襯墊、外包裝容器的計算和紙箱結構的優化設計，還要進行校核和長時間的實踐檢驗，最后才能得到較為理想的產品包裝。傳統運輸包裝設計過程繁復、方案選擇不夠靈活，可修改性和可擴充性差，極大地制約了緩沖包裝設計的發展。因此，緩沖包裝計算機輔助設計的發展，可以極大地提高設計的靈活性，減少設計周期，降低設計成本[1-3]。

要采用計算機輔助技術設計緩沖包裝，就需要考慮到包裝設計方法、包裝材料性能及包裝結構優化等諸多方面，與傳統緩沖包裝設計相比難度大大提高，因此，目前在這一方面的研究較少。

本設計采用Visual Basic 6.0開發平臺[4]，使用編程語言并輔之以數據庫，直接使用編譯軟件來開發緩沖包裝CAD系統[5]，作為緩沖包裝的輔助設計工具。該軟件基于一定的理論、方法和技術并借助于計算機完成緩沖包裝的設計過程；在已知產品和流通條件下，可直接求解產品脆值，并設計出合乎要求且經濟可行的緩沖襯墊和外包裝容器；繪制圖形，并且進行強度校核及結果輸出。

2 緩沖包裝設計 CAD 系統的組成

緩沖包裝CAD設計系統由用戶權限確認模塊、產品參數輸入模塊、跌落高度確定模塊、緩沖材料選擇模塊、計算模塊、校核模塊、輸出模塊等功能模塊組成。本設計系統總流程圖如下圖1所示。

圖1 緩沖包裝CAD設計總流程圖

2.1 用戶權限確認模塊

登錄軟件系統需要輸入相應的賬號和密碼信息，主要用以確定用戶的合法性，確認登錄后即可進入下一頁面。

2.2 產品參數輸入模塊

用戶可在此界面中輸入產品基本參數，如質量、長度、寬度、高度等。此外，還可以通過查詢國際標準，得到產品的許用脆值。

產品的許用脆值是根據產品的脆值，考慮到產品的價值、強度偏差、重要程度等而規定的產品的許用最大加速度與重力加速度g的比值。產品脆值是指產品經受振動和沖擊時用以表示其強度的定量指標，此值表示產品對外力的承受能力，一般用g的倍數G來表示，G值越大，說明產品對外力的承受能力越強。產品脆值的確定方法有沖擊試驗法、自由跌落試驗法和經驗估算法。國際公認脆值計算方法為產品破損前的臨界加速度a與g的比值。

此外，脆值大小取決于產品本身（構成、材質、連接方式等），產品一定，脆值就一定，但同一產品在不同方向上的脆值不一定相同。究其原因在于產品的脆值各有差異，使用不當時會引起商品的破損。同時，產品的最大加速度響應也可以用來評價其破損情況，因此流通環境的沖擊強度必須小于產品脆值。

2.3 跌落高度確定模塊

此模塊可以通過流通狀況查詢或應用經驗公式求得產品的跌落高度。

流通過程的基本環節主要有裝卸搬運環節、運輸環節、貯存環節組成。不論是人工或者機械裝卸，都可能因為人為因素或者偶發因素使包裝件自由跌落。此時沖擊碰撞發生于包裝件地面之間，根據測定，人工裝卸的跌落沖擊加速度通常在10g左右，最高達100g。人工裝卸中的跌落高度可以用公式（1）計算，該方法適用于16 kg以上的包裝件。

式中W為包裝件重量（kg）；H為跌落高度（cm）。

2.4 緩沖材料選擇模塊

用戶可以通過查詢數據庫，選定具體所需的緩沖材料。在包裝力學中，一般都把緩沖材料視為理想的彈性體，也就是在長時間反復振動和多次沖擊下，它的彈性仍然均勻，沒有變化。根據力-變形曲線可以把緩沖材料分為以下幾類。

2.4.1 線彈性材料

具有線彈性性質的材料是極少的，該材料的力-變形曲線呈直線型（即在使用范圍內符合虎克定律），這意味著該材料線彈性范圍較大，在材料使用過程中始終未超過其線彈性值。

2.4.2 正切型緩沖材料

具有正切函數型力-變形曲線的材料很多，如泡沫橡膠、棉花、乳膠海綿、碎紙、涂膠纖維以及預壓后的聚苯乙烯泡沫塑料等。該材料力與變形的函數關系如式（2）所示：

式中：當x→∞時的斜率；k0稱為初始彈性系數；db為材料的極限變形；當x→db時，F→∞。

2.4.3 雙正切性彈性材料

瓦楞紙板、蜂窩板、聚苯乙烯泡沫塑料等塑性材料在受到外力作用的初期表現的力學性質為此類型。該材料力與變形的函數關系如式（3）所示，其中F0為力的極限值。

2.4.4 三次函數型彈性材料

該類材料力與變形的函數關系如式（4）所示：

式中：γ是彈性系數增加率。生活中常見的吊裝彈簧結構、木屑、塑料絲、涂膠纖維等材料都屬于這一類彈性體。

2.4.5 不規則彈性材料

該類材料力-變形曲線很難用單一數學關系式來表達，大部分高分子發泡材料屬于這類彈性體。

2.5 計算模塊

根據設計要求，本設計采用最省材料的緩沖設計方法，即過原點切線法。該方法設計出的襯墊可能出現不能完全滿足設計要求的情況，但可為設計提供取值范圍，即在最小緩沖系數與切點處緩沖系數之間選擇一個合適點進行設計，既滿足緩沖要求，又節省用料。借助以上模塊所得數據，可以計算出緩沖襯墊的各屬性參數。

計算時需要對緩沖襯墊結構進行設計，緩沖襯墊最常見的形式有面襯墊、棱襯墊和角襯墊，它們多適用于形狀規則的產品。而對于形狀不規則的產品，如有突出支臂的零部件，在包裝結構設計上要采取適當的措施。例如：將緩材與產品間加硬質膠合板或纖維板隔開，增大受力面積；或將緩材與產品非必要接觸部分挖空，縮小接觸面積。緩沖襯墊受力時會發生變形，凸起部分先受力，為避免發生損傷，必須預先留出緩沖材料的變形量。

2.6 校核模塊

緩沖襯墊的校核分為：產品強度校核、撓度校核、跌落姿態改變時緩沖能力的校核、蠕變量校核和溫濕度校核。由于角跌落對包裝件損害程度較大，考慮到設計要求，本設計僅進行全面緩沖包裝角跌落校核。經過多種校核，確定所選材料是否合適。

2.7 輸出模塊

模塊化輸出襯墊圖形及產品參數，供用戶核實，并提供打印功能。此外，輸出后需要對產品數據進行匯總分析，以便能在短時間內查詢到所需求的信息。同時，對于數據的保密性、完整性，應采取跟蹤調查，嚴格確保用戶信息的安全性。

3 總 結

隨著計算機技術的飛速發展，計算機在包裝應用領域的普及，使用計算機實現緩沖包裝設計勢在必行。同時，利用CAD軟件設計開發緩沖襯墊，可大大提高產品緩沖包裝的設計效率。因此，研發緩沖包裝CAD軟件系統是緩沖包裝設計的必然趨勢，對促進緩沖包裝的應用研究起到積極作用，對提高包裝行業的自動化水平也有一定的推動作用。

緩沖包裝設計軟件系統的研發工作涉及包裝學科的多個領域，還需要深入開展理論和實踐研究工作，尤其是對集成式軟件的研究開發，可以極大地推動包裝工業的自動化水平，開拓良好的應用前景。