Gwałtowny rozwój mikroelektroniki i mechaniki precyzyjnej sprawił, że wiele wyrobów – np. sprzęt RTV, sprzęt komputerowy – zawiera podzespoły lub elementy wykonawcze o coraz mniejszych wymiarach, i coraz mniejszej masie – ale także o coraz delikatniejszej konstrukcji. Dlatego tym większego znaczenia nabiera zapewnienie takim wyrobom opakowań przeciw- wstrząsowych, które zabezpieczą kosztowny sprzęt przed uszkodzeniem podczas transportu na (często długiej) trasie od producenta do sieci handlowej, a następnie do użytkowników. Wiele cenionych firm – np. IBM – prowadzi własne badania mające na celu optymalizację opakowań pod kątem pełnego wykorzystania właściwości amortyzujących materiału przy minimum jego zużycia (także ze względów ekologicznych).

Naukowe podejście do konstrukcji opakowań przeciwwstrząsowych rozwinęło się w latach 50-tych XX w., z uwagi na przeciążenia w samolotach odrzutowych i rakietach, a także w aeronautyce. Początkowo w zastosowaniach militarnych używano gumowych poduszek powietrznych, a następnie sięgnięto po porowate tworzywa spienione o porach zamkniętych – czyli pianki: sztywne i półsztywne. Wyniki tych badań wkrótce udostępniono do zastosowań cywilnych; opracowano szereg norm technicznych, opisujących procedury badania właściwości różnych materiałów przeciwwstrząsowych, oraz testowanie gotowych opakowań pod względem skuteczności zabezpieczania wyrobów przed skutkami wstrząsów, uderzeń lub wibracji. Od lat 70-tych XX w. projektowanie opakowań uzyskało status uznanej dyscypliny inżynierskiej.

Specyfika zabezpieczania przeciwwstrząsowego

Wskutek rozmaitych przyczyn losowych, różnego rodzaju wstrząsy występujące podczas załadunku, przewozu i wyładunku opakowanych wyrobów są nieuniknione (nie można ich w pełni wyeliminować ani im zapobiec). Podczas transportu prawidłowo zamocowane opakowania podlegają głównie wibracjom (pochodzącym od silników ciężarówek, samolotów lub statków, albo od kołysania fal morskich); wstrząsy wywołane stanem nawierzchni dróg są wytłumiane przez amortyzatory naczep i falistą konstrukcję ścian kontenerów. Natomiast w trakcie załadunku i rozładunku, oraz transportu środkami podręcznymi, rolę analogiczną do amortyzatorów łagodzących wstrząs spowodowany np. upadkiem wyrobu na ziemię pełnią elementy piankowe opakowania. Dla dużych partii wyrobów stwierdzono, że:

- zdecydowana większość wyrobów doznaje w trakcie przewozu kilku niewielkich wstrząsów, a upadki z wysokości większej niż 0,5 m dotykają tylko ok. 1 % wyrobów;

- ponad połowa tych upadków następuje na powierzchnię dolną opakowania wyrobu, jednak na ogół nie są one idealnie płaskie, lecz przeważa tendencja do uderzenia o podłoże krawędzią lub narożem;

- uchwyty ręczne na bocznych ściankach opakowania sprzyjają zmniejszeniu liczby upuszczeń z większych wysokości, natomiast napisy ostrzegawcze (np. „Handle with Care” lub „Fragile”) nie odnoszą wyraźnych skutków praktycznych.

Aby racjonalnie zaprojektować opakowanie przeciwwstrząsowe dla konkretnego wyrobu, przede wszystkim należy oszacować, na jakie urazy mechaniczne (np. wstrząsy, upadki) może on być narażony na całej trasie transportu: od hali produkcyjnej aż do użytkownika. Następnie należy doświadczalnie ustalić wrażliwość (samego) nie opakowanego wyrobu na urazy mechaniczne (ang. fragility), określaną liczbowo jako wielokrotność przyspieszenia ziemskiego g (średnio, na poziomie morza, przyjmuje się g=9,8 m/s2) przy której nastąpi uszkodzenie wyrobu.

W tym celu najpierw w laboratorium wyznacza się krytyczną zmianę prędkości Δvc (ang. critical velocity change): wyrób mocuje się w sposób sztywny na stoliku wstrząsarki, i poddaje bardzo krótkotrwałym wstrząsom (1-2 ms) o kształcie połówki sinusoidy; amplitudę tych wstrząsów zwiększa się stopniowo (co odpowiada coraz większym przyrostom Δv prędkości wyrobu). Zmianę prędkości można uważać za miarę wartości energii kinetycznej rozproszonej podczas zderzenia. Jako Δvc przyjmuje się największą wartość Δv przy której jeszcze nie nastąpiło uszkodzenie wyrobu.

Następnie kolejny, nowy egzemplarz wyrobu mocuje się identycznie jak poprzedni, i poddaje się go wstrząsom o kształcie trapezoidalnym (zbliżonym do prostokątnego) o zmianie prędkości równej wartości krytycznej Δvc, i o coraz większym poziomie przyspieszenia. Wartość Ac przyspieszenia, którą zarejestro- wano jako największe przyspieszenie przy którym jeszcze nie nastąpiło uszkodzenie wyrobu, nazywa się przyspieszeniem krytycznym (dla danej osi wyrobu).

W warunkach przemysłowych impulsy wstrząsowe mają zbocza mniej strome niż impuls trapezowy; dlatego otrzymana wartość Ac jest ostrożnym (zawyżonym) oszacowaniem przyspieszenia krytycznego, jako najbliższa wartości Ac dla impulsu prostokątnego. Okazuje się, że dla małych Δv < Δvc, nawet duże przyspieszenia nie powodują uszkodzenia, i na odwrót. Dlatego graniczna krzywa uszkodzeń (rys.1) wykreślona na podstawie uzyskanych doświadczalnie wartości Δvc i Ac ma kształt zbliżony do kąta prostego.


Rys. 1. Graniczna krzywa uszkodzeń: obszar pod krzywą i z jej lewej strony odpowiada wstrząsom bezpiecznym (obszar uszkodzeń - wewnątrz krzywej)

Jeżeli znana jest krytyczna zmiana prędkości Δvc, to można obliczyć równoważną wysokość spadku bezpiecznego Hb dla wyrobu nie opakowanego (1):



gdzie: e – współczynnik odbicia (restytucji) między powierzchniami zderzającymi się. W praktyce przyjmuje się wartości e = 0,25÷0,75. Jak widać, zależność pomiędzy Δvc i Hb ma charakter paraboliczny.

Jeżeli z warunków transportu wyrobu wynika, że może on zostać upuszczony z wysokości większej niż Hb , to należy go opakować; przy czym opakowanie przeciwwstrząsowe musi zapewniać, że wyrób nie zostanie wskutek upadku poddany przyspieszeniom większym niż Ac.

Badania opakowań piankowych

Zadaniem opakowania przeciwwstrząsowego jest przejęcie przez nie „impetu” impulsu wstrząsowego, i przetworzenie go – poprzez wydłużenie czasu trwania impulsu z jednoczesnym zmniejszeniem amplitudy – w impuls łagodniejszy niż wystąpiłby przy bezpośrednim zderzeniu wyrobu z podłożem (rys. 2). Dzięki wprowadzeniu opakowania z pianki, podczas zderzenia z podłożem to pianka zderza się z podłożem, a wyrób „zderza się” z pianką.


Rys. 2. Porównanie impulsów wstrząsowych działających na wyrób w przypadku bezpośredniego zderzenia wyrobu z podłożem oraz zderzenia wyrobu opakowanego

Badanie materiałów piankowych pod względem zdolności tłumienia wstrząsów przeprowadza się za pomocą swobodnego upuszczania bloku pianki, obciążanego płytami metalowymi o różnym ciężarze. Po zwolnieniu zapadki, pianka wraz z płytą obciążającą o masie m spada swobodnie z przyspieszeniem ziemskim g. W chwili zderzenia z masywną płytą dolną (wykonaną z twardej stali) na piankę oddziałuje impuls wstrząsowy, a chwilowa wartość siły reakcji odpowiadającej temu wstrząsowi jest proporcjonalna do chwilowego opóźnienia (tzn. przyspieszenia ujemnego) ruchu powierzchni dolnej pianki, oznaczonej na rys.3 punktami B'1– B'2.


Rys. 3. Elastyczne ugięcie pianki pozwala zaabsorbować część energii kinetycznej spadku swobodnego (schemat stanowiska badawczego)

Jednak po pokonaniu wysokości H spadku swobodnego, górna powierzchnia pianki (A'1–A'2) podlega ściskaniu wskutek siły bezwładności działającej na płytę obciążającą, oraz wskutek siły reakcji podłoża. Dlatego pianka zostaje ściśnięta o Δx, co odpowiada przesunięciu powierzchni górnej pianki do położenia A″1–A″2; wówczas teoretycznie energia potencjalna spadku swobodnego zostanie w całości zaabsorbowana przez piankę, a ugięcie Δx odpowiada maksymalnej sile chwilowej Fcm, i opóźnieniu maksymalnemu Dm. Zakładając liniową zależność pomiędzy siłą działającą na piankę a jej ugięciem Δx, można zapisać bilans energii w układzie jako:



gdzie: D = Dm/g – maksymalny poziom opóźnienia (ang. peak deceleration) wyrażony jako wielokrotność przyspieszenia ziemskiego g. Po dokonaniu przekształ- ceń otrzymuje się wzór na ugięcie teoretyczne Δx pianki:


Na podstawie tego wzoru, znając dopuszczalną wartość poziomu opóźnienia D, jaki może wytrzymać bez uszkodzenia chroniony przeciwwstrząsowo wyrób, można obliczyć grubość dmin pianki, przy której wyrób nie ulegnie uszkodzeniu. Jeżeli graniczne odkształcenie (względne) sprężyste pianki wynosi εp, to:



Powyższe obliczenia służą do wstępnego oszacowania niezbędnej grubości pianki. W celu bardziej dokładnego określenia tej grubości, opisany powyżej eksperymentalny spadek swobodny powtarza się wielokrotnie dla płyt obciążających o zróżnicowanym ciężarze, mierząc opóźnienia przy zderzeniu. Stwierdzono, że dla płyt o małym ciężarze (graniczny przypadek – spada sama pianka) ugięcie pianki jest bardzo małe, i siły chwilowe reakcji podłoża przenoszą się na płytę obciążającą praktycznie bez zmiany. Z kolei dla płyt obciążających bardzo ciężkich, podczas zderzenia z podłożem następuje tak silne zgniecenie pianki, że traci ona swe właściwości sprężyste, i przenosi cały impuls wstrząsowy na płytę obciążającą.

Na podstawie serii takich eksperymentów wykreśla się krzywą amortyzacji – dla konkretnego tworzywa piankowego o ustalonej grubości d. Zmieniając grubość pianki, uzyskuje się całą rodzinę krzywych amortyzacji (rys.4).


Rys. 4. Krzywe amortyzacji dla różnych grubości pianki (σs – statyczne naprężenia ściskające, działające na piankę pod wpływem ciężaru wyrobu w stanie spoczynku)

Z parabolicznego kształtu krzywych amortyzacji wynikają wnioski ważne praktycznie:

1. Dla bardzo małych obciążeń pianki, jej grubość prawie nie ma wpływu na siłę wstrząsu działającego na wyrób opakowany;
2. W miarę zwiększania obciążenia, pianki grubsze zapewniają lepszą ochronę przeciwwstrząsową;
3. Dla każdej grubości pianki istnieje obciążenie optymalne, przy którym ochrona przeciwwstrząsowa jest najlepsza;
4. Przesadne (nadmiernie ostrożne) zwiększanie grubości pianki – paradoksalnie – zwiększa narażenie wyrobu na uszkodzenie wskutek wstrząsu.

Po zaprojektowaniu opakowania piankowego dla konkretnego wyrobu przepro- wadza się szereg prób, mających zweryfikować skuteczność zabezpieczenia wyrobu przed uszkodzeniem wskutek upadku opakowania na każdą z płaskich ścianek i krawędzi, oraz każde z naroży. Dodatkowo należy zbadać wpływ ewentualnego obrotu wyrobu wewnątrz opakowania wskutek wstrząsu, oraz wpływ upadków wielokrotnych (dla większości pianek tłumienie kolejnych wstrząsów jest coraz słabsze).

Podsumowanie

Żadne opakowanie przeciwwstrząsowe (o rozsądnym koszcie) nie zagwarantuje absolutnego zabezpieczenia wyrobu przed uszkodzeniem – może ono natomiast zapewnić bardzo wysokie prawdopodobieństwo takiej ochrony. Tworzywa piankowe zdobyły mocną pozycję wśród materiałów przeciwwstrząsowych, i zapewne jeszcze długo będą podstawą systemów opakowaniowych sprzętu RTV lub komputerowego. Jednak prace nad optymalizacją konkretnych opakowań przeciwwstrząsowych prowadzone metodami eksperymentalnymi lub za pomocą symulacji komputerowych wskazują, że – mimo prostoty opisu zjawisk fizycznych występujących podczas upadków i wstrząsów – udana konstrukcja opakowań minimalizujących te efekty wciąż pozostaje poważnym wyzwaniem dla projektantów.

Literatura

[1] T. BRONIEWSKI, J. KAPKO, W. PŁACZEK, J.THOMALLA, Metody badań i ocena właściwości tworzyw sztucznych, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne (wyd. II zm.), Warszawa 2000.
[2] M. Y. TEO, H. Y. YEONG, S. W. LYE.: Microwave moulding of expandable polystyrene foam with recycled material, Journal of Materials Processing Technology 63 (1997) 514-518.
[3] J. L. RUIZ, M. A. RODRIGUEZ-PEREZ, J. A. DE SAIA: Design and construction of an instrumented falling weight impact tester to characterize polymer-based foams, Polymer Testing 24 (2005) 641-647.
[4] K. H. LOW: Drop-impact cushioning effect of electronics products formed by plates, Advances in Engineering Software 34 (2003) 31-50.
[5] R. JUNTIKKA, S. HALLSTRÖM: Weight-balanced drop test method for characterization of dynamic properties of cellular materials, International Journal of Impact Engineering 30 (2004) 541-554.
[6] H. M.H. RSchueneman: Product shock fragility testing: acquisition and use of critical velocity change, Westpak 1993, San Jose USA.