Szybkiemu rozwojowi przemysłu opako-waniowego towarzyszy wprowadzanie nowych rodzajów opakowań. Pudełka składane z tektury wielowarstwowej zajmują wiodącą pozycję na rynku opakowań konsumenckich. Biorąc pod uwagę pozytywny wzrastający trend stosowania tekturowych pudełek składanych, palącym problemem jest zmniejszenie kosztów surowcowych i energetycznych ich produkcji [1].
Tradycyjne technologie wytwarzania opakowań z papieru i tektury są związane z użyciem drogiego wyposażenia, o dużych gabarytach i dużej masie, wykonanego z metalu [2].
W celu usprawnienia produkcji opakowań o niskich nakładach (tj. w małych ilościach) zaproponowano nową metodę złamywania wykrojów tekturowych opakowań wraz z urządzeniem do ich złamywania. Istota nowego sposobu polega na tym, że wykrój tekturowy jest trwale zamocowany na płycie nośnej, a boczne niezamocowane elementy wykroju są zginane za pomocą odpowiednio wyprofilowanych prętów „prowadnic” zamocowanych obrotowo [3].
Urządzenie składa się z płyty nośnej 1 (rys. 1) z wbudowanymi próżniowymi przyssawkami, dwóch pionowych wałów O1 i O2, na których przymocowano za pomocą prętów prawą (2) i lewą (3) obrotową prowadnicę. Złamywanie wykroju tekturowego (KP) jest wykonywane za pomocą obrotowych prowadnic 2 i 3, a w celu uzyskania odpowiedniego ułożenia łączonych elementów ruch prowadnic jest tak zsynchronizowany, żeby móc uzyskać złam lewy i prawy w odpowiedniej kolejności, umożliwiającej właściwe ułożenie sklejanych elementów.
Kluczowym warunkiem konkurencyjności zaproponowanego urządzenia na rynku maszyn opakowaniowych jest zapewnienie wysokiej jakości i dokładnego złamywania elementów wykroju wzdłuż linii bigowania bez uszkodzeń. W pracy [4] wyprowadzono analityczne zależności ustalające bieżące wartości promieni ruchu prowadnic, na podstawie których wytwarza się konfigurację przestrzenną prowadnic, a w ostateczności uzyskuje się dokładny kształt złamywanego wykroju. Warunkiem ich określania jest złamywanie elementów wykroju zgodnie z wybranym prawem ruchu ze stopniowym wzrostem przyspieszenia. Wynikiem obliczeń analitycznych jest szereg wartości promieni w płaszczyźnie pionowej, z ustalonym z góry kątowym skokiem w płaszczyźnie poziomej.
Autorzy opracowali również przyrząd, który pozwala na formowanie odpowiedniego kształtu prowadnic, zgodnego z obliczonym szeregiem wartości promieni. Materiałem do wykonania prowadnic są rurki z powłoką zmniejszającą tarcie. W procesie formowania wykorzystywano zmienne wartości promienia , któremu odpowiadają dwie projekcje x i z.
Proces kształtowania profilu prowadnicy opiera się na obliczeniach przeprowadzanych dla każdej pozycji naprowadzającej (punkt A), których liczba zależy od danego kroku kątowego. Położenie naprowadzającej (punkt A) ustala się poprzez przesunięcie zacisków 1 na pręcie 2, który jest zamocowany na ramie 3 (rys. 2). W taki sposób uzyskuje się wartość x, a przesunięciem pręta 4 w zacisku 1 ustala się wartość z. W tak wybranej pozycji rurka, z której kształtuje się prowadnicę, zaciska się za pomocą zacisku 5. Taka rurka musi charakteryzować się wystarczającą plastycznością, aby móc nadać jej konieczną formę oraz dostateczną sztywność w celu utrzymania tej formy/kształtu w procesie demontażu.
Autorzy artykułu zaprojektowali i opracowali konstrukcję eksperymentalnego stoiska, mającego na celu określenie obciążeń przy złamywaniu wykrojów tekturowych nowym sposobem. Schemat stanowiska pokazano na rys. 3. Składa się ono z silnika 1, ramy 2 w postaci dwóch kolumn, do których zamocowane jest łożyskowanie 3 dzielonego wału 4, na którym zamocowano prowadnice 5. Dwie części wału zostały połączone sprzęgłem 6. Z ramą połączona jest płyta, służąca do mocowania tekturowego wykroju KP.
Pomiar obciążeń przeprowadza się przy użyciu urządzeń tensometrycznych. Ze względu na fakt, że obciążenia przy złamywaniu są niewielkie, w celu dokładniejszego ich zapisu w konstrukcję stoiska badawczego włączono elastyczne sprzęgło, które umożliwia rejestrację najmniejszych deformacji skrętnych. Dzieli ono wał, który przekazuje moment obrotowy z szyny napędowej, na dwie części – lewą i prawą 1 i 2 (rys. 4). Po prawej stronie jest zamontowana tuleja 3, przymocowana do płyty 4. W płycie po obu stronach są przytwierdzone do podłużnych otworów palce 5. Tuleja 6 jest osadzona po części na lewej stronie wału, a jej wolny koniec ma szczelinę. Funkcję elastycznego elementu spełnia płyta 7, wykonana ze stali sprężynowej. Płyta 7 przechodzi przez szczeliny palców i tulei 6 i mocuje się w tulei śrubami 8.
Przy złamywaniu wał przekazuje moment obrotowy, a jego części przesuwają się względem siebie i powodują deformację płyty 7. Na płycie naklejony jest mostek tensorowy 9, który służy do rejestrowania i konwersji odkształceń mechanicznych na impulsy elektryczne, przesyłane do przetwornika analogowo-cyfrowego w celu ich zapisu. Sygnał cyfrowy jest przekazywany z nagrywarki 3000 USB do komputera i zapisywany w czasie rzeczywistym w postaci wykresu zmian napięcia w funkcji czasu.
Charakterystykę wybranych próbek (wykrojów) tekturowych przedstawiono w tab. 1.
Wyniki badań przedstawiono na wykresach zależności momentu obrotowego od kąta zginania, którego maksymalna wartość wynosi 180° i odpowiada zakończeniu technologicznej operacji wytworzenia złamu (rys. 5). Jako wzorzec posłużył wykrój tekturowy o grubości 0,4 mm, o szerokości złamu 100 mm i długości złamu 150 mm o kierunku podłużnym (rys. 5a) i poprzecznym ułożenia włókien (5b).
Analizując przebieg wykresów przedstawionych na rys. 5 – proces złamywania opakowania tekturowego można podzielić na cztery etapy:
Etap I – elastyczna deformacja tektury, podczas której obciążenia zwiększają się do wartości szczytowej (tj. A1 i A2), a po ich ustaniu tektura zajmuje swoje pierwotne położenie.
Etap II – deformowanie włókien tektury i ich zagęszczenie w strefie złamu (towarzyszy mu zmniejszenie obciążeń poprzez zmniejszenie naprężeń wewnętrznych).
Etap III – deformacja plastyczna. Włókna tekturowe zmieniają kształt i zajmują nowe pozycje, co powoduje wzrost obciążeń do drugiej wartości maksymalnej (tj. B1 i B2 na rys. 5).
Etap IV – zaciskanie złamu w celu zminimalizowania resztkowych odkształceń sprężystych. W tym etapie obciążenie może nieznacznie się zmniejszać lub pozostać bez zmian w zależności od konstrukcji badanej próbki.
Dla różnych badanych próbek początek pierwszych trzech etapów względem kąta zginania jest różny. Wiąże się to z odmienną strukturą wewnętrzną próbek i z zastosowaniem takich obcych materiałów jak lakier czy folia polimerowa. Czwarty etap rozpoczyna się przy równoległym rozmieszczeniu prowadnicy względem płyty podstawowej i zależy od konfiguracji prowadnicy.
Jak widać z wykresu, maksymalna wartość momentu obrotowego dla obu przypadków jest zarejestrowana w różnych fazach. Dzieje się tak, ponieważ sztywność i sprężystość tektury wzdłuż włókien jest niewystarczająca, podczas gdy odkształcenie plastyczne jest dominujące (etap III). Podczas złamywania w poprzek włókien sztywność jest znacznie większa, więc maksimum uzyskuje się przy pokonaniu deformacji sprężystych na etapie I. Taką regularność obserwowano dla wszystkich próbek tektury UC1 o grubości od 0,3 do 1,3 mm.
Analiza wskaźników pokazuje, że maksimum obciążeń w poprzek włókien (0,64 N • m) jest o 20% większe niż wzdłuż włókien (0,533 N • m). Maksymalne wartości momentów obrotowych dla innych rodzajów tektur podano w tab. 2.
Na wykresie (rys. 6) przedstawiono charakter zmian wartości momentu obrotowego ze wzrostem grubości tektury składanej wzdłuż włókien (krzywa 1) i w poprzek (krzywa 2).
Stwierdzono, że w przypadku złamywania tektury falistej różnica pomiędzy szczytowymi obciążeniam
i jest nieznaczna ze względu na zbliżone wartości sztywności i wytrzymałości. Jest to zilustrowane na rys. 7 (A i B), na przykładzie tektury falistej trzywarstwowej o grubości 0,7 mm przy złamywaniu wzdłuż fali.
Maksymalne wartości momentów obrotowych dla badanych próbek tektur falistych o grubościach od 0,5 mm do 0,7 mm przedstawione są w tab. 3.
Zależność uzyskanych wartości eksperymentalnych obciążeń od grubości i liczby warstw tektury falistej przedstawiono na rys. 8 dla kierunku złamywania wzdłuż (krzywa 1) i w poprzek (krzywa 2) fali.
Złamywanie kombinowanych materiałów na bazie tektur w stosunku do innych powoduje powstanie tylko jednego maksimum (rys. 9). Z powodu obecności takich warstw, jak folia polimerowa lub metalowa, tektura jest bardziej elastyczna, obciążenie rośnie łagodnie, bez skoków.
Zbadano również wpływ prędkości złamywania próbek na zużywaną siłę. W pracy [5] m.in. określono obciążenie oporu powietrza i siły bezwładności oraz przedstawiono ich zależność od prędkości obrotowej zaginanego elementu wykroju. Zależności te ustalono dla zakresu prędkości od 25 do 100 obr./min. Jako próbkę do badań zastosowano wykrój tektury o grubości 0,3 mm, długości linii bigowania 150 mm i powierzchni elementu przeznaczonego do złamywania – 23 000 mm2. Stwierdzono, że dla prędkości 25 obr./min moment siły złamywania wynosi 0,44 N•m, a przy 100 obr./min – 1,13 N•m (rys. 10).
Wnioski
Współczesny przemysł opakowaniowy zmusza producentów maszyn do zmierzenia się za każdym razem z coraz to bardziej rygorystycznymi wymaganiami dotyczącymi oszczędności surowców i zasobów energetycznych. W związku z powyższym bardzo ważnym zadaniem jest przegląd istniejących technologii produkcji opakowań z tektury i papieru, szczególnie dotyczących produkcji o małych nakładach. Ze względu na brak obecnie na rynku takiego sprzętu proponuje się nowe małogabarytowe urządzenie o niskim zużyciu energii do złamywania tekturowych wykrojów.
Wyniki przeprowadzonych badań potwierdzają celowość zastosowania proponowanych urządzeń do złamywania opakowań tekturowych w małych i średnich przedsiębiorstwach.
Określono obciążenia złamywania tektur UC1, które wynoszą od 0,41 Nm dla grubości 0,3 mm do 2,02 Nm dla grubości 1,3 mm wzdłuż kierunku włókna. Podczas złamywania w poprzek włókna obciążenia wzrastają średnio o 17…51% w stosunku do kierunku wzdłużnego. Obciążenia podczas złamywania tektury falistej wzdłuż fali wahają się od 0,78 Nm dla grubości 0,5 mm do 1,15 Nm dla grubości 0,7 mm. Dla kierunku poprzecznego obciążenia wzrastają o 17... 27% w stosunku do kierunku wzdłuż fali. Badania szybkości złamywania wykazały, że wraz z jej 4-krotnym wzrostem obciążenie wzrosło o 3,2 razy.
Badania te będą przydatne przy projektowaniu wysokiej jakości małogabarytowych urządzeń do złamywania wykrojów tekturowych opakowań.
Literatura
1. Kriwoszej W.: Siogodennia i majbutnie upakowki w Ukraini. Upakowka, 2006, nr 1, s. 22-26
2. Szreder W., Pylypenko S.: Upakowka iz kartona. Kijów, IAC Upakowka, 2004, 560 s.
3. Patent Ukrainy nr 98069. Sposib falciuwannia rozgortok kartonnogo pakuwannia ta prystrij dla jogo realizacji. Ivan Regey, Petro Begeń. Publikacja 10.04.2012 r.
4. Regey I.: Obgruntuwannia technicznoji pobudowy operacyjnych zasobiw dla falciuwannia rozgortok z kartonu. Upakowka, 2012, nr 2, s. 42-44
5. Regey I.: Ocinka sylowogo nawantażennia w prystrojach falciuwannia rozgortok z kartonu. Upakowka, 2012, nr 3, s. 42-45
Tłumaczył Stefan Jakucewicz
