Конструирование упаковки

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ 2

1 КОНСТРУИРОВАНИЕ  УПАКОВКИ 5

1.1 Определение формы  и габаритных размеров упаковки 5

1.2 Выбор материала 6

2 РАЗРАБОТКА ШТАНЦЕВАЛЬНОЙ  ФОРМЫ 10

2.1 Техническое задание  на разработку штанцевальной  оснастки 10

2.2 Выбор материала  основания штанцформы. 14

2.3 Выбор режущих  и биговальных ножей 15

2.4 Конструирование  контура вырезки 16

2.4.1 Разбиение контура  на отдельные ножи 16

2.4.2 Расчет и размещение  технологических и компенсационных  ножей. 18

2.4.3 Размещение засечек  на ножах 20

2.5 Выбор, расчет  размеров и размещение эжекторных  материалов на основании. 22

2.6 Выбор типа, материала  и конструкции биговальной матрицы 24

2.7 Оценка необходимого  усилия штанцевания 29

2.8 Оценка стоимости  штанцформы 30

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 32

 

 

ВВЕДЕНИЕ

В современной жизни упаковка прочно вошла в наш быт. Она  сопровождает человека на всех стадиях  его деятельности. Упаковка во многом изменила наш жизненный уклад, позволила  по-новому взглянуть на некоторые  проблемы (например, проблему питания). Именно упаковка подталкивает потребителя  к совершению покупки, поэтому она  должна быть как можно более актуальной, яркой, чёткой и информативной, выражающей индивидуальность торговой марки.

Среди материалов, применяемых  для производства различных видов  тары и упаковки, одним из самых  распространенных является бумага и  картон. Это объясняется прежде всего  дешевизной, экологичностью, простотой  утилизации и переработки изделий  из этого материала. Немаловажным фактором также является возможность выбора технологии декорирования из широкого спектра вариантов.

Мировое производство и потребление бумаги и картона

• Во всем мире производится 320-350 млн. тонн.
• Среднемировое потребление в год составляет около 50 кг на человека, при этом: наибольшая доля производства и потребления — в США (91,7 млн. тонн и 300 кг).

     -   Потребление  бумаги на душу населения в  Европе:

Западная Европа — 250 кг;

Чехия — 130 кг;

Словения — 125 кг;

Словакия — 95 кг;

Венгрия — 80 кг;

Польша — 70 кг;

Хорватия — 60 кг;

Румыния — 30 кг.

В течение последних 25 лет  потребление бумаги в мире выросло  в среднем на 3% в год. Китай  на этом фоне демонстрирует впечатляющие темпы роста — в среднем 9,3% в год.

Использование бумаги и картона в упаковочной отрасли  в России

В апреле 2012 года агентство DISCOVERY Research Group завершило исследование рынка картонно-бумажной тары и упаковки в России. На рынке упаковочных материалов в России доля рынка картонно-бумажной тары и упаковки в 2011 году составляла 47%. Такого вида упаковочная продукция используется в пищевой, химической, парфюмерно-косметической и стекольной промышленности. Основным потребителем картонно-бумажной тары и упаковки в России является пищевая промышленность. На её долю приходится 65% от всего рынка.

Картонно-бумажную тару и упаковку можно разделить на несколько  сегментов: бумажную упаковку, складывающийся коробочный картон, гофроупаковку. Россия является одним из основных потребителей бумажной упаковки. В настоящий период времени в России активно развивается  рынок фастфуда, который предъявляет  основной спрос на бумажную упаковку. Одним из главных катализаторов  на рынке бумажной упаковки сегодня  является «эко-тренд», а бумажная упаковка считается одним из самых экологических  видов упаковки. (5)

Главной задачей курсового проекта является разработка штанцевальной формы для предложенного варианта упаковки. В ходе работы необходимо:

1. определить  габаритные размеры  упаковки заданного объема;
2. выбрать материал упаковки в соответствии с требованиями ГОСТ;
3. выбрать материал для основания штанцформы;
4. выбрать  размеры листа картона и осуществить раскладку контуров разверток, максимально используя материал;
5. выполнить размещение ножей и эжекторных материалов на      штанцформе;
6. расположить засечки на ножах;
7. осуществить подбор и расчет режущих и биговальных линеек, эжекторных материалов;
8. выбрать и рассчитать биговальную матрицу;
9. оценить необходимое усилие штанцевания.

 

 

1 КОНСТРУИРОВАНИЕ УПАКОВКИ

1.1 Определение формы  и габаритных размеров упаковки

Для разработки развертки и штанцевальной  формы картонной упаковки для  пищевой отрасли была выбрана  коробка из каталога FEFCO №0217.

Чертёж развёртки представлен  на рисунке 1.

Рисунок 1 – Развертка коробки.

Объемный вид коробки представлен  на рисунке 2.

                              Рисунок 2  – Объемный вид коробки.

Габаритные размеры коробки: 200×40×100 мм, объем упаковки вычисляем по формуле:

где a – длина упаковки, мм;

b – ширина упаковки, мм;

с – высота упаковки, мм.

V=200×40×100=800(см3)

Материал: однослойный картон хром-эрзац  марки  "НМ"  толщиной 0,5±0,04 мм.

Тираж составляет 100 000 экземпляров.

Технологические оборудование: высекальный автомат Heidelberg Dymatrix 113 Pro, 820x1130; усилие 4МН.

1.2 Выбор материала

В качестве упаковки для  товаров необходимо подобрать картон, соответствующий следующим требованиям:

-хорошая стойкость к  воздействию влаги;

-хорошее соединение слоев  между собой; 

-хорошее соединение мелованного  покрытия с картоном;

-плоское лежание в  стопе; 

-относительная влажность  не должна выходить за пределы  разрешенных допусков;

-хорошие печатные свойства  нижней стороны картона; 

-хорошее закрепление  красок.

Существует огромное количество марок картона, которые подходят и отвечают этим требованиям. Решающим фактором для выбора является экономическая составляющая.

Cкладные картонные коробки отличаются от других видов упаковки, тем, что на них наносятся линии сгиба, по которым коробки складываются, образуя полужесткую или жесткую тару. Складные коробки обычно транспортируются и хранятся сложенными, а собираются уже на месте фасования.

Европейские производители пользуются классификацией картонов по способу  производства, согласно которой выделяются четыре типа.

 

1. SBB (SBS) — Solid Bleached Board (Sulphate) — цельный  чистоцеллюлозный картон (из беленой  сульфатной целлюлозы). Соответствует  картону GZ немецкой классификации.  Как правило, имеет 2–4 цельных  целлюлозных слоя, одностороннее  мелование, белизну лицевой поверхности  до 90 %. Характерные плотности —  185–390 г/м2. Производятся также картоны  с мелованием оборотной стороны.

2. SUB — Solid Unbleached Board — чистоцеллюлозный  мелованный картон из небеленой  целлюлозы. SUB производится исключительно  из небеленой целлюлозы. Это  картон с коричневой оборотной  стороной (с так называемым 'крафт-оборотом'). Для достижения белой поверхности  он может быть покрыт меловым  слоем, иногда в сочетании со  слоем химически отбеленной целлюлозы  (внешний верхний слой).

3. FBB — Folding Boxboard (GC-2) — хром-эрзац  (с добавлением древмассы). Трехслойный  коробочный картон, как правило,  двухсторонний. Верхний слой из  беленой химической целлюлозы,  с мелованием или без. Средний  слой (вкладыш) содержит древесную  массу. Нижний слой имеет легкое  мелование. Благодаря высокой  жесткости, достигнутой путем  удачного комбинирования слоев,  хром-эрзац может использоваться  аналогично чистоцеллюлозному картону.

4. WLC — White lined Chipboard (GD-1или GD-2) —  макулатурный мелованный картон, содержит 60–100 % макулатурной массы.  Для производства макулатурных  картонов используются как целлюлоза  и древмасса, так и макулатурная  масса. Верхний и нижний слои  картона изготавливаются из макулатуры  высшего качества, а средний —  из менее качественной, чем достигается  существенное удешевление стоимости  картона. Однако наряду с ценой  снижаются показатели жесткости  картона.

Любая упаковка для товаров должна иметь привлекательный внешний  вид. Так как на нее будет наноситься печать (одноцветная или многоцветная), выбираем картон хром-эрзац по ГОСТ  7933-89  «Картон для потребительской тары. Общие технические условия».

Хром-эрзац (ГОСТ 7933-89 ТУ 5453-011-04766356-00) – это разновидность упаковочного картона толщиной от 0,25 до 0,6 мм и плотностью от 220 гр./м² до 520 гр./м², при изготовлении которого используется беленая и небеленая целлюлоза, древесная масса и макулатура, с мелованным покрытием.

Картон  хром-эрзац имеет многослойную структуру, которая увеличивает его толщину и жесткость. Этот вид картона имеет двухслойное мелование лицевой стороны, что гарантирует высококачественную печать. Также данный картон обладает повышенными показателями жесткости, в том числе и при низких плотностях, что достигается благодаря добавлению механической целлюлозы. Рекомендован для производства упаковки высокой жесткости, в частности для пищевых продуктов. Отлично подходит для всех видов печати. Картон хром-эрзац марки "НМ" с двухсторонним белым покровным слоем, немелованный, предназначен для изготовления потребительской тары с одно-и многокрасочной печатью. Производитель ЗАО Пролетарий, Россия, Брянская область, Сураж.

Характеристики картона  хром-эрзац согласно ГОСТу 7933-89

• масса картона: от 170 до 850 г/ м².;
• жесткость при статическом изгибе в поперечном направлении: от 0,2 до 20,0 г/кв. м.;
• толщина картона: от 0,29 до 1,5 мм;
• белизна со стороны покровного слоя: от 65 до 86%;
• гладкость со стороны покровного слоя: от 30 до 200 с;
• сопротивление расслаиванию: от 90 до 150 Н;
• поверхностная впитываемость воды при одностороннем смачивании картона за 60 с.
• влажность: от 5,0 до 12,%.

Для данной работы выбран картон хром-эрзац марки "НМ". Этот картон предназначен для изготовления потребительской тары с одно- и многокрасочной печатью. Изготавливается в рулонах и листах, ширина рулона и размер листов - по согласованию с потребителем.

 

Таблица 1 – Характеристика  картона хром-эрзац марки "НМ".

Масса 1 м², г	Толщина, мм	Поверхностная впитываемость, г/м² н/б	Сопротивление расслаиванию по кромке, Н н/м	Жесткость при статическом  изгибе, Н.см н/м	Белизна, % н/м	Влажность, %
260	0,36±0,02	60/60	90	0,30	70	5-10
280	0,38±0,02 (0,03)	60/60		0,30
360	0,50±0,04	60		0,50
440	0,60±0,05	60		0,70

 

 

                          

       

                          Рисунок 3 - Чертёж развёртки со всеми размерами

 

2 РАЗРАБОТКА ШТАНЦЕВАЛЬНОЙ  ФОРМЫ

2.1 Техническое задание  на разработку штанцевальной  оснастки

Техническое задание на изготовление штанцформы включает в себя следующие данные:

1. Необходимо изготовить штанцевальную форму для вырубки картонных коробок на основе № 0217 из каталога FEFCO, раскладка контуров упаковки на лист прилагается (Рисунок 4).
2. Для изготовления развёрток используем картон хром-эрзац марки ”HM”, производства ЗАО Пролетарий, Россия, Брянская область, город Сураж, толщиной 0,5 мм.
3. Направление волокон на картоне показано на рисунке 5.
4. Габаритные размеры листа 820х1130 мм, направление движения листа показано на рисунке 5.
5. Тираж 100000 экземпляров.
6. Перечень заказываемых изделий и комплектующих: вырубной штамп, ленты, приправочный лист.
7. Оборудование для которого заказывается вырубная оснастка: плоская форма  Heidelberg Dymatrix 113 Pro.
8. Предельная сила, развиваемая оборудованием при штанцевании равна 4 ∙10⁶ Н. 
9. Минимальное расстояние от переднего края основания до первого ножа равно 13 мм.
10. Характерики основания: толщина 18 мм, габаритные размеры 840×1170 мм, вид материала: фанера KoskiLaser 3D.
11. Ножи:

- режущие линейки CF 23,8x0,71 TOP S 52⁰ BOHLER,

- биговальные линейки  SR 23,3x0,71 BOHLER

12. Выполнение засечек на ножах  показано на рисунке 6.

13. Режущие линейки оклеены пористой  резиной твердостью 35-40 по  Шору, монолитной резиной с твердостью 55-60 по Шору.

14. Приблизительный срок изготовления  заказа – 1 месяц.

           Рисунок 4 – Раскладка развёрток  на листе.

Рисунок 5 - Направление волокон  на коробочном картоне относительно чертежа и направление движения листа.

             Рисунок 6 – Размещение засечек  на чертеже (совмещение с мостами).

 

 

2.2 Выбор материала  основания штанцформы.

         Наиболее  распространенный материалом для изготовления основания является фанера из твердых пород деревьев толщиной 18 мм для картона.  Она получила широкое распространение благодаря:

• дешевизне;
• хорошей обрабатываемости;
• экологической безопасности.

          Для изготовления основания штанцевальной  формы выбираем мирового лидера  в этой области финскую компанию  Koskisen, марку KoskiLaser 3D – березовая фанера.

Основные требования к  материалу  для основания:

– тип шпона: березовый  (кленовый, буковый);

– тип клея: карбамидный (для лазерной резки).

– качество поверхности: шлифованная  с 2 сторон, сорт S/ВВ;

– допуск на толщину: +0,2/–0,4 мм (для 18 мм фанеры);

– влажность: не более 5%.

 

2.3 Выбор режущих  и биговальных ножей

          Сегодня существует множество  крупных производителей ножей:  BOHLER; MARTIN MILLER; SANDVIC; STURSBERG; GNU; ESSMAN+SCHAEFER.

  Для резки и биговки  используем линейки произведённые  австрийской компанией BOHLER. Для картона хром - эрзац выбираем

1. режущие линейки: CF 23,8x0,71 TOP S BOHLER, т.е. режущие линейки с двухсторонней заточкой с прямолинейной фаской, кромка изготавливается протяжкой, высотой ножа – 23,8 мм, толщиной – 0,71 мм и твердостью 45 HR. Производитель BOHLER.
2. биговальные линейки SR 23.3×0.71 BOHLER , т.е., биговальные линейки с односторонним закруглением, высотой ножа – 23,3 мм, толщиной – 0,71 мм. Производитель BOHLER.

Эти линейки обладают следующими характеристиками:

-  гибкостью;

-  супертвердой  режущей  кромкой; 

-  применяются для больших  тиражей.

 

 

2.4 Конструирование  контура вырезки

2.4.1 Разбиение контура  на отдельные ножи

Для изготовления штанцформы необходимо использовать набор режущих и  биговальных ножей. Для этого  сложный контур развертки необходимо разбить на отдельные ножи (рисунок 7). Ножи должны быть такой длины и формы, чтобы их изготовление и установка были максимально легкими. Длина каждого участка не должна превышать 1000 мм. Такой подход упрощает установку ножей в высекальную форму, а также сокращает время наладки.

                               

Рисунок 7 – Разбиение  контура вырезки на отдельные  ножи: красным цветом обозначены режущие ножи, зеленым – биговальные ножи.

Рисунок 8 – Расстановка  мостов

 

 

2.4.2 Расчет и размещение  технологических и компенсационных  ножей.

На  листе картона помещается восемь развёрток. Контур развертки имеет  сложную форму, поэтому разместить развертки на листе без зазоров  невозможно. Фигурные полосы между  развертками и краями листа образуют отходы. Для удобства отделения отходов  от деталей их размеры должны быть не очень большие. Поэтому длинные  куски отходов необходимо разделить  на более короткие. Для этого к  режущему контуру ножей для вырезания  разверток добавляют технологические  ножи, разделяющие длинные куски  отходов.

Пример  расстановки технологических ножей  представлен  на   рисунке 8.

     Рисунок 9 – Расстановка технологических ножей.

 

Ножи, отмеченные позицией 1 и 2, разделяют  картонные отрезки на более мелкие части по боками и с верхней  стороны листа. Нож позиции 3 разделяет  картон на более мелкие части между  развертками.

Ножи  позиции 1и 2, должны выступать за границы  листа картона на 20 мм. Ширина Т-образной перемычки – 30-40 мм. Желательно устанавливать  эти ножи в самых тонких частях обрезков.

В нашем  случае раскладка разверток симметрична, давление будет одинаковое в верхней  и нижней части пресса. Следовательно, компенсационные ножи не нужны.

Таким образом, набор режущих ножей  для штанцформы включает в себя два  компонента:

1. ножи для вырубания разверток;
2. технологические ножи (для разделения отходов).

 

 

2.4.3 Размещение засечек на ножах

Для того чтобы отдельные элементы вырубки - развертки и обрезки  можно было перемещать, как единый лист, оставляем узкие перемычки  между ними. Для образования перемычек  на ножах выполняют узкие прорези. На этом месте картон не будет прорезан и в результате образуются соединительные перемычки (засечки).

Чем больше засечек, тем менее вероятен разрыв листа во время работы. Надежность процесса вырубки возрастает. Кроме  того, в этом случае пресс для  высечки может устойчиво работать на повышенной скорости. Но при обрыве перемычки остается след на краю развертки, что при большем количестве засечек  может ухудшиться внешний вид  коробки.

Пример расположения засечек на развёртке показан на рисунке 9.

Правила расположения засечек:

- засечки выполняются перпендикулярно плоскости ножа;

- засечки на каждой заготовке желательно располагать по одной линии в направлении движения листа;

- каждая отдельная часть листа соединена со всеми соседними частями как минимум одной засечкой;

- если  на одной кромке размещается  несколько засечек, то желательно  выполнять их симметрично центра  кромки;

- минимальное расстояние от края засечки до конца ножа - 4 мм;

- минимальное расстояние между соседними засечками 5 мм;

                          

       Рисунок 10 – Расположение засечек на развёртке.

                     

            Рисунок 11 – Расположение пазов в ножах для создания засечек.

а=0.6+0.2=0.8 ,мм

в=0.6+0.5=1.1,мм

Покажем данные размеры на рисунке засечек (рисунок 12). 

                     

                       Рисунок 12 – Размеры засечек.

2.5 Выбор, расчет размеров и  размещение эжекторных материалов  на основании.

Эжекторные материалы  наклеиваются вокруг режущих ножей. Эжекторный материал выполняет в процессе штанцевания следующие функции:

- выравнивание листа материала  перед моментом высечки;

- фиксация материала в  момент штанцевания для получения чистых линий, реза и биговки;

- выталкивание материала  с режущих кромок после прорезки;

- защита засечек от  разрушения;

- вместе с компенсационными  линейками выравниваем давление  на плите пресса;

- удаление обрабатываемого материала от режущей кромки.

Для изготовления плоского штампа при тираже 100 000 изделий выбираем резину с открытыми порами твердостью 35-40 по Шору для обычной оклейки линеек и монолитную резину твердостью 55-60 по Шору для наклеивания в узостях.

Расчет резины с открытыми порами.

1. Высота резины Н₀ рассчитывается по формуле:

Н₀=Н_нож-Н_осн+1,2, мм,

где Н_нож – высота режущего ножа, мм;

     Н_осн – высота основания, мм.

Н₀=23,8-18+1,2=7 (мм)

2. Высота эжекционного материала в сжатом состоянии Н_сж:

Н_сж=Н_нож-Н_осн-Н_карт, мм,

где Н_карт – высота картона,

      Н_карт=0,5 мм.

Н_сж=23,8-18-0,5=5,3 (мм)

3. Степень сжатия эжекционного материала ε:

ε=1-( Н_сж/ Н₀)

ε =1-(5,3/7)=0,243, или 24,3%

4. Эжекторный материал выбирается с допустимой степенью сжатия не менее рассчитанной, лучше с запасом 10-15%. Исходя из этого выбираем резину с открытыми порами с максимальной степенью сжатия 35%, условной твердостью по Шору 35 ед., скоростью штанцевания 8000 час^-1, выносливостью 1250 тысяч циклов и гарантийным сроком хранения 2 года.
5. Расстояние между эжекционным материалом и ножом х:

х=( Н₀- Н_сж)·К_Б.Р.·0,5, мм

где К_Б.Р. – коэффициент бокового расширения;

      К_Б.Р.=0,5  для резины с открытыми порами.

х=( 7- 5,3)·0,5·0,5=0,425 (мм)

Принимаем х=1 мм.

Расчет монолитной резины.

1. Высота резины Н₀:

Н₀=Н_нож-Н_осн+0,5, мм,

Н₀=23,8-18+0,5=6,3 (мм)

2. Высота эжекционного материала в сжатом состоянии Н_сж:

Н_сж=Н_нож-Н_осн-Н_карт, мм,

Н_сж=23,8-18-0,5=5,3 (мм)

3. Степень сжатия эжекционного материала ε:

ε=1-( Н_сж/ Н₀)

ε =1-(5,3/6,3)=0,159, или 15,9%

4. Выбираем резину с максимальной степенью сжатия 30%, условная твердость по Шору 55, скорость штанцевания 14000 листов/час, выносливость 6000 циклов, гарантийный срок хранения 2 года.

 

 

 

 

2.6 Выбор типа, материала  и конструкции биговальной матрицы

Биговальные матрицы - это  вспомогательные материалы, служащие для проведения технологической  операции бигования, а именно формообразования канавки на картоне. Данная операция служит для облегчения проведения операции фальцовки (сгибания материала).

Биговальные матрицы применяются  на плоских вырубных штампах. Биговальные  матрицы устанавливаются на контрштанцплите  и работают как матрица прессовой  пары, а пуансоном в этом случае является биговальная линейка, установленная  в штанцформу.

Биговальная матрица изготавливается  из пластмассы и состоит из двух параллельных пластин, закрепленных на основании, нижняя поверхность которого покрыта тонким слоем мелкого  высокопрочного клея. Обеспечивает сохранность клеевого слоя и стабильность его свойств защитная бумага с антиадгезионным покрытием . В качестве антиадгезионных покрытий наиболее часто используют кремнийорганические полимеры, называемые силиконами. Они предназначены для мягкого и удобного удаления защитной бумаги в процессе изготовления штампа.

Высокую точность ширины биговального канала ± 0,05 мм,  гарантирует автоматизированная технология соединения биговальных  пластин с основанием. Для требуемой  точности совмещения осей симметрии  биговального канала и биговального ножа разработаны юстировочные направляющие, которые крепятся к биговальным  пластинам с помощью клеевого слоя. Юстировочные направляющие изготавливают  из полимерных термопластичных материалов. В паз с натягом, предотвращающим  смещение и обеспечивающим соосность, входит биговальный нож в процессе изготовления штампа.

Биговальный канал представляет собой специальное устройство ленточного типа. Биговальный канал состоит из направляющего пластикового устройства, собственно биговальной канавки со скошенными внешними кромками, стального или тонкопленочного пластикового основания с клеевым слоем и защитной силиконовой бумаги. Бортики биговальной канавки могут изготавливаться из различных материалов: пластика, прессшпана. В зависимости от назначения биговальный канал может располагаться несимметрично относительно оси симметрии сечения биговальной линейки, а также быть сдвоенным.

Биговочные  каналы контрштампов могут быть выполнены  из различных материалов:

• прессшпана (прессованного картона),
• термопластичных пластмасс,
• слоистых прессованных материалов;
• металла.

      

                       Рисунок 13 – Конструкция биговального канала

1 - направляющее устройство;

2 - биговальная канавка; 

3 - пластиковое основание  с клеевым слоем; 

4 - защитная силиконовая  бумага.

 

 

1-пластины; 2-стальная лента; 3-клей; 4-защитная бумага; 5-юстировочная  направляющая; 6-клей.