Optymalna tektura falista – czyli jaka?

• Autorzy: Garbowski Tomasz

Identyfikatory

DOI

10.15199/54.2022.9.1

Warianty tytułu

EN

Optimal corrugated board – what does it mean?

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Tektura falista charakteryzuje się doskonałym stosunkiem nośności do objętości. Oznacza to, że przy stosunkowo niskiej masie materiał ten posiada zaskakująco wysoką wytrzymałość, na co największy wpływ ma zastosowanie naprzemiennie warstw płaskich i pofalowanych. Geometria i struktura tektury falistej przypomina ortotropowe płyty typu sandwich, które cechuje bardzo wysoka odporność na ściskanie, a także sztywność zginania w obu kierunkach. Nośność tektury falistej zależy w dużej mierze od doboru odpowiednich papierów, które są produkowane z różną zawartością celulozowych włókien pierwotnych i pochodzących z recyklingu włókien wtórnych, co bezpośrednio wpływa na ich właściwości mechaniczne, szczególnie w skali mikro. Na wytrzymałość tektury falistej wpływa również kształt warstwy pofalowanej, która może przyjmować różne formy typowych funkcji periodycznych, różniących się zarówno okresem, jak i amplitudą fal. Jeżeli do wszystkich wymienionych czynników, wpływających na nośność tektury falistej, dodamy jeszcze możliwość budowania jej przekroju z wielu warstw pofalowanych (każda w różnej konfiguracji geometrycznej i z różnych materiałów), to ostatecznie otrzymujemy praktycznie nieograniczoną przestrzeń jej możliwych złożeń. W niniejszym artykule podjęto próbę znalezienia odpowiedzi na pytanie, czy możliwe jest wytypowanie tektury optymalnej w nieskończonym zbiorze rozwiązań w oparciu o jej właściwości mechaniczne i ograniczenia technologiczne.

EN

Corrugated board is characterized by an excellent ratio of load capacity to its volume. This means that with a relatively low weight, this material has surprisingly high strength, which is most influenced by its multi-layer structure, in particular the use of alternating flat and corrugated layers. The geometry and structure of the corrugated board resembles an orthotropic sandwich panels, which are characterized by very high compressive strength and bending stiffness in both directions. The load-bearing capacity of the corrugated board depends to a large extent on the selection (for its individual layers) of appropriate papers, which are produced with different contents of primary cellulose fibers and recycled secondary fibers, which directly affects their mechanical properties, especially in the micro scale. The strength of the corrugated board is also influenced by the shape of the corrugated layer itself, which can assume various forms of typical periodic functions, differing in both the period and the amplitude of the waves. As we add to all the above-mentioned factors influencing the load-bearing capacity of the corrugated board, the possibility of assembling its cross-section from many corrugated layers (each in a different geometric configuration), ultimately we get a practically unlimited space of its possible assemblies. This article attempts to find an answer to the question whether it is possible to select the optimal cardboard in an infinite set of solutions based on its mechanical features and technological limitations.

Słowa kluczowe

PL

tektura falista; wytrzymałość na zgniatanie krawędziowe; imperfekcje; sztywność zginania

EN

corrugated board; edge crush strength; imperfections; bending stiffness

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Przegląd Papierniczy
• Rocznik: 2022
• Tom: R. 78, nr 9
• Strony: 517--524
• Opis fizyczny: Bibliogr. 40 poz.

Twórcy

autor

Garbowski Tomasz

• Uniwersytet Przyrodniczy w Poznaniu, Wydział Inżynierii Środowiska i Inżynierii Mechanicznej, ul. Wojska Polskiego 28, 60-637 Poznań

• https://orcid.org/0000-0002-9588-2514

Bibliografia

• [1] Andrzejak K., Garbowski T. 2021. “The influence of analog and digital printing on the strength parameters of corrugated board”. („Wpływ nadruku techniką analogową i cyfrową na parametry wytrzymałościowe tektury falistej”). Przegląd Papierniczy 77 (11) : 593-599. https://doi. org/10.15199/54.2021.11.2
• [2] Czechowski L., Kmita-Fudalej G., Szewczyk W., Gralewski J., Bieńkowska M. 201. „Numerical and experimental study of five-layer non-symmetrical paperboard panel stiffness”. Materials 14, 7453.
• [3] Fadiji T., Ambaw A., Coetzee C.J., Berry T.M., Opara U.L. 2018. “Application of finite element analysis to predict the mechanical strength of ventilated corrugated paperboard packaging for handling fresh produce”. Biosyst. Eng. 174, 260-281.
• [4] https://www.fastcompany.com/3059745/has-cardboard-architectures-moment-finally-arrived
• [5] http://fematsystems.pl/home_en/
• [6] http://fematsystems.pl/bse-system/
• [7] http://fematsystems.pl/sst/
• [8] Frank B. 2014. “Corrugated box compression – A literature survey”. Packaging Technology and Science 27, 105-128.
• [9] Frank B., Cash D. 2022. “Edge crush testing methods and box compression modeling”. Tappi Journal 21 (8) : 418-433.
• [10] Gajewski T., Garbowski T., Staszak N., Kuca M. 2021.„Crushing of Double-Walled Corrugated Board and Its Influence on the Load Capacity of Various Boxes”. Energies 14, 4321. https://doi.org/10.3390/en14144321
• [11] Garbowski T. 2022. “Mechanics of Corrugated and Composite Materials”. Materials 15, 1837. https://doi.org/10.3390/ma15051837
• [12] Garbowski T. 2022. “Influence of initial imperfections on edge crush resistance of corrugated board” („Wpływ wstępnych imperfekcji na odporność tektury falistej na zgniatanie krawędziowe”). Przegląd Papierniczy 78 (6) : 337-341. https://doi.org/10.15199/54.2022.6.1
• [13] Garbowski T., Andrzejak K. 2022. “Relationship between SCT of paper and ECT of single-wall corrugated board” („Związek między SCT papieru a ECT jednościennej tektury falistej”). Przegląd Papierniczy 78 (4) : 210-216. https://doi.org/10.15199/54.2022.4.1
• [14] Garbowski T., Andrzejak K. 2022. “From paper to corrugated board – modeling the edge crush test” („Od papieru do tektury – modelowanie testu zgniatania krawędziowego”), Przegląd Papierniczy 78 (5) : 271- 277. https://doi.org/10.15199/54.2022.5.1
• [15] Garbowski T., Gajewski T., Grabski J.K. 2021. “Estimation of the Compressive Strength of Corrugated Cardboard Boxes with Various Openings”. Energies 14, 155. https://doi.org/10.3390/en14010155
• [16] Garbowski T., Gajewski T., Grabski J.K. 2021. “Estimation of the Compressive Strength of Corrugated Cardboard Boxes with Various Perforations”. Energies 14, 1095. https://doi.org/10.3390/en14041095
• [17] Garbowski T., Gajewski T., Grabski J.K. 2020. “The Role of Buckling in the Estimation of Compressive Strength of Corrugated Cardboard Boxes”. Materials 13, 4578. https://doi.org/10.3390/ma13204578
• [18] Garbowski T., Gajewski T., Knitter-Piątkowska A. 2022. “Influence of Analog and Digital Crease Lines on Mechanical Parameters of Corrugated Board and Packaging”. Sensors 22, 4800. https://doi.org/10.3390/ s22134800
• [19] Garbowski T., Gajewski T., Mrówczyński D., Jędrzejczak R. 2021. “Crushing of Single-Walled Corrugated Board during Converting: Experimental and Numerical Study”. Energies 14, 3203. https://doi. org/10.3390/en14113203
• [20] Garbowski T., Grabski J.K., Marek A. 2021. “Full-Field Measurements in the Edge Crush Test of a Corrugated Board – Analytical and Numerical Predictive Models”. Materials 14, 2840. https://doi.org/10.3390/ ma14112840
• [21] Garbowski T., Jarmuszczak M. 2014. “Numerical Strength Estimate of Corrugated Board Packages. Part 1. Theoretical Assumptions in Numerical Modeling of Paperboard Packages” („Numeryczne wyznaczanie wytrzymałości opakowań z tektury falistej. Cz. 1. Założenia teoretyczne w modelowaniu numerycznym opakowań papierowych”). Przegląd Papierniczy 70 (4) : 219-222.
• [22] Garbowski T., Jarmuszczak M. 2014. “Numerical Strength Estimate of Corrugated Board Packages. Part 2. Experimental tests and numerical analysis of paperboard packa ges” („Numeryczne wyznaczanie wytrzymałości opakowań z tektury falistej. Cz. 2. Badania eksperymentalne i analizy numeryczne opakowań papierowych”). Przegląd Papierniczy 70 (5) : 277-281.
• [23] Garbowski T., Knitter-Piątkowska A. 2022. “Analytical determination of the bending stiffness of a five-layer corrugated cardboard with imperfections”. Materials 15 (2) : 663. https://doi.org/10.3390/ma15020663
• [24] Garbowski T., Knitter-Piątkowska A., Marek A. 2021. “New Edge Crush Test Configuration Enhanced with Full-Field Strain Measurements”. Materials 14, 5768. https://doi.org/10.3390/ma14195768
• [25] Garbowski T., Knitter-Piątkowska A., Mrówczyński D. 2021. “Numerical Homogenization of Multi-Layered Corrugated Cardboard with Creasing or Perforation”. Materials 14, 3786. https://doi.org/10.3390/ ma14143786
• [26] Harrysson A., Ristinmaa M. 2008. “Large strain elasto-plastic model of paper and corrugated board”. International Journal of Solids and Structures 45, 3334-3352.
• [27] Hill R. 1948. “A theory of the yielding and plastic flow in anisotropic metals”. Proc. Royal Soc. 193, 281-297.
• [28] Hoffman O. 1967. “The brittle strength of orthotropic materials”. Journal of Composite Materials (1) : 200-206.
• [29] https://www.ikea.com/es/en/p/lack-coffee-table-black-brown- 00104291/
• [30] McKee R.C., Gander J.W., Wachuta J.R. 1963. “Compression strength formula for corrugated boxes”. Paperboard Packaging 48, 149-159.
• [31] https://www.mondigroup.com/en/about-mondi/where-we-operate/ europe/poland/mondi-%C5%9Bwiecie-sa/
• [32] Mrówczyński D., Garbowski T., Knitter-Piątkowska A. 2021.„Estimation of the Compressive Strength of Corrugated Board Boxes with Shifted Creases on the Flaps”. Materials 14, 5181. https://doi.org/10.3390/ ma14185181
• [33] Mrówczyński D., Knitter-Piątkowska A., Garbowski T. 2022. „Non-local sensitivity analysis and numerical homogenization in optimal design of single-wall corrugated board packaging”. Materials 15 (3) : 720. https:// doi.org/10.3390/ma15030720
• [34] Mrówczyński D., Knitter-Piątkowska A., Garbowski T. 2022. „Optimal Design of Double-Walled Corrugated Board Packaging”. Materials 15, 2149. https://doi.org/10.3390/ma15062149
• [35] Park J., Chang S., Jung H.M. 2020. “Numerical prediction of equivalent mechanical properties of corrugated paperboard by 3D finite element analysis”. Appl. Sci. 10, 7973.
• [36] Park J ., Park M., Choi D.S., Jung H.M., Hwang S.W. 2020. “Finite element-based simulation for edgewise compression behavior of corrugated paperboard for packing of agricultural products”. Appl. Sci. 10, 6716.
• [37] https://www.seppa.pl/oferta.html#palety
• [38] Suarez B., Muneta M.L.M., Sanz-Bobi J.D., Romero G. 2021. “Application of homogenization approaches to the numerical analysis of seating made of multi-wall corrugated cardboard”. Compos. Struct. 262, 113642.
• [39] Tsai S.W., Wu E.M. 1971. “A general theory of strength for anisotropic materials”. Journal of Composite Materials (5) : 58-80.
• [40] Xia Q.S., Boyce M.C., Parks D.M. 2002. “A constitutive model for the anisotropic elasticplastic deformation of paper and paperboard”. International Journal of Solids and Structures (39) : 4053-4071.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MEiN, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2022-2023).