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纸板深拉的技术关键特点的可转移性检验在快速包装机中的应用
由Marek-Hauptmann1,Thomas-Kustermann2,Manfred-Schmalholz2,hansHaug2和JensPeter-Majschak1著
1德累斯顿大学加工设备和加工技术教授 德国 德累斯顿
2依佩萨自动化有限公司 德国 慕尼黑
最近几年内，关于纸板的拉深的技术得到了本质的改进，但是，技术进步还没有被转移应用到包装机械中。在高质量的3D的生产中两个最重要的问题是关于水分的利用和对于压边力的配置定义。本文探讨了一种施加额外的水辊的制备方法和分析纸板弹簧压边解在其达到的精度和可靠性的受力特点。双面辊应用水用海绵橡胶盖使得一卷纸在生产中达到12 %的水摄入量。水辊的制备条件相较于气温控制而言对于纸张水分含量的影响更高，而且制备时间也能缩短至几秒之内。弹簧压边介绍完全工作在位置控制和避免切换到力控制以及小的步骤方面的问题，这对于稳定性的力输入试验是不可或缺的。没有材料能绘制出150转每分钟的压边的谐波振荡，因此，根据本文的结论，通过保持这种3D成形技术的能力，在很大部分程度上一个基于保湿装置和弹簧压边力的应用程序在现代包装机的实行是可行和有利的。
修订日期:2016年五月，2016年11月
关键词：压边；拉深；保湿；包装机械；纸板
1.简介
包装材料的选择依赖于多种因素。基本保护功能对物理，化学或微生物负荷相结合的营销策略，最有可能涉及先进的几何包装设计，印刷或压花功能。即使为它提供了最好的印刷与工序质量，纸板的使用依旧经常会被其极限变形能力所限制。特别是在主体包装和消费品包装的领域内，纸板曾经很长一段时间内不能被相信能够满足严格的包装强度要求。近年来，纸板在3D成形的领域里已取得较大进展，新兴的液压成形纸板能用橡皮膜形成材料，之后进入凹模初步成型，更为详细的可以利用的材料的最大的可扩展性并产生皱纹的形状，虽然就目前而言成形度有限，但可以提高材料的可扩展性，并进一步提高成形度与可预期的材料的可扩展性3。通过纤维改性，例如通过引入特殊的精制工艺，或者通过化学改性纤维附加酯化，通过聚乳酸（PLA）乳胶或添加琼脂作为添加剂，也能能显著提高纸板的可扩展性。这些修改导致的最大应变增加20%，相较与典型的商业纸板大约提高了4倍的强度，但是，这样仍然不足以达到适合于杯形包装与硬和尖锐的轮廓的成型包装。长久以来已知的压模工艺中，对于一个凸模压入一个凹模的材料时边压力的控制，在最近的更频繁严密的科学研究之下也得到了改善，对于模具的间隙以及压痕线的调查也为控制起皱凸半径底部的几何形状提供了指引，从而利用该技术成功研制出不再断裂的材料。此外，用这种方式生产的胚具都被证明是适用于气调包装（MAP），因为他们在密封边缘或在有皱纹的地方是密封无泄漏的。
与压模稍有不同的是纸板的深冲压，其中一个冲头将板压成一个空腔。在材料被引入腔之前，轮辋上也被施加一个边压力。压模的主要区别在于纸箱的壁和底之间的夹角成90°，以及在通过进料腔后压膜的能立即压缩成型（在其壁厚的方向）。定义的压边力和压纸板的压缩一起使用，以及工具供热和随后的物料干燥，导致一个刚性纸板形状的高壁面质量（成形高度称为基径）的成型率高达0.63。有了这种技术，可以实现广泛的几何形状，包括凸，凹和直几何形状的成型。拉深过程可以分为三个阶段：1.纤维与纤维变形 2.起皱 3.调整和固定。边压强度在拉深处理中起着核心作用。在第1和第2阶段，一个与冲头位置紧密相连的优化力轨迹和适应最大承受拉伸载荷的材料在进料腔半径导致墙体质量得到了进一步的改善，然后通过减少皱纹的距离和皱纹能使得拉深高度增加，这种压边力的设计也被证明在第3阶段的固定过程中起到了显著而重要的作用。在德累斯顿大学的液压实验机的帮助下，拉深技术得到了显著的提高，但是在其目前的状态下，仍然不适合作为包装机械的应用。特别是压边器的解决方案，是十分困难的将边压器的驱动转移到伺服电机驱动器，因为压边是一个力控制轴，需要外部传感器的力检测和实现的位置变化的力控制期间。
除此之外，水分在纸板的深拉伸过程也中起着十分重要的作用。湿度升高导致视觉外观和3D墙壁的稳定和固定性得到了改善。然而，实现高湿度纸板的典型方法是将物料储存在高湿度环境中。这是一种不适用于消费品生产的方法，因为它需要在储存和生产设施中控制气候条件。因此，潮湿的物料在机器中的输入可能是一个合理的方式来利用高水分提供的优势。为了实现这一目标，在已知的工业应用之中找到了与之对应的策略，其中典型的应用例子是通过溅射微小的水滴或将滚动的水喷洒纸板的表面上，以用来浸渍的纸幅。水喷洒在表面时水雾在成形过程中由于滴要足够小，以避免潮湿的地方组合，因此十分困难，现有的技术往往是昂贵的（超声溅射）或是有风险的（不均匀的水分分布在表面生成）。
本文介绍了通过应用滚动水润以及使用海绵橡胶盖的可能性和对边压的缓解与转移，其中的重点为伺服电机驱动的方法。除此之外，它还评估了所取得的压边力相对于形成结果的质量，以及防皱板造成的已知影响。
2.材料与方法
在这项研究中使用的材料是北方漂白软木制作的牛皮纸原浆纤维材料（NBSK）混合双组分聚酯纤维10%（BiCo纤维）300克/平方米。这种材料已经进行过详细描述和可成形性方面的测试。迄今，它提供了拉深纸板改进的成形性，它产生于海德瑙PTS（造纸技术基金会）实验室的造纸机中，其各向异性（MD / CD的弹性模量）为1.34。样品的质量通过测定为含量6.5%水分含量。样品的几何形状可描述为一个半径为36毫米类似气雾罐的底部轮廓，在图1所示的工具中可见。从底部来看几何形状的样品壁高为20毫米。
成型实验进行了成型单元制造，安装，而具体的操作是在慕尼黑的依佩萨自动化有限公司进行的。相比之下几种其他的即时压缩纸板拉深研究伺服液压机、凸模和压边圈的形成单位是由伺服电机驱动。滚珠丝杠将冲头驱动的旋转运动传递到用直线滚动轴承引导的冲头板上进行平移运动。而冲头则刚性地安装在冲头板上。空腔位于一个固定的板上，带有厚厚的隔热层以保持工具内部的热量。压边也由伺服电机驱动。线性运动是由双肘杆机构产生的。拨动杆连接刚性刚性托板，该刚性压边板由四个带有直线球轴承的支柱支撑。在这一刚性板，安装六弹簧包和相应的弹簧压边板进行压边工具（图2）
六个弹簧包中的每一个都是由三个分包组成的：软螺旋弹簧、软碟簧和硬套碟簧。由此产生的弹簧特性是由三段线性零件组成。（图3A）六螺旋弹簧盖尺寸在4.287 到 5.9毫米之间，有一个预紧力范围363N（0.5毫米）.软碟形弹簧预留了在4.266N（0.53毫米）和1.725毫米范围之间能达到一个最大力14.148N。硬盘弹簧包有一个预紧力为14.148 N，而且在1.005毫米之内达到最大边压力40.6kN,弹簧最大压缩包整体高度为8.63mm。
图1.工具中包含的几何特征的图示
图2.弹簧边压器器解决方案的图示
利用弹簧的这个特性，我们可以利用弹簧的边压位置而不是力的大小来控制弹簧的变压力。通常，曲柄角用于位置控制轴。拨动机构具有非线性传动功能，这需要加入曲轴位置和伺服驱动编码器以用来控制压边力（如图3b）。在这项研究中的测量中，需要使用到一个分辨率为30微米的（型号为OD2-P120W60）外部激光测距传感器（见图2）
这个弹簧包具有两个基本功能。一方面是对于压边力的控制作用，在以前进行的纸板的液压试验实验中有一个力控制的压边轴。在液压系统中，可以直接利用已安装的压力传感器来计算力的大小方向，没有额外的外部传感器是必要的。而伺服电机驱动的力控制则需要一个外部力传感器，并且在控制的过程中有些细小的关键位置对于力需要进行充足的调整，这是由于纸板在边压中的低压缩率（在范围内不足百分之一毫米）。这对于从驱动器到刀具的运动传递过程提出了一个挑战，因为无论是传输比过高，或是边压缩小缓慢或是运动的精度不够往往都是由于的力控制不足所引起的。而弹簧包对于增加压边运动范围的力的控制则是在毫米级别的（最大为8.6毫米，与所选择装置的弹簧相关）。
使用刚性压边器时，坯料与纸板之间的初始接触非常困难，此时便提出了所需要解决的第二个问题。刚性边压器的接触可能导致开始时力处于峰值位置，因此在到达所给出的力值的时间会有所延迟，甚至在最坏的情况下，边压器并不能将输入的力值传输反应完全。当这些问题可能发生时，标准的力在输入到达刀具后将会是不准确的。从液压机的原理可知，即使增加的温度，工具相应的热伸长同样会导致开始时的力峰值增加，并不能解决问题。而这个问题可以减少由弹簧组件的阻尼行为来解决。但是弹簧会产生振荡，特别是对于组合循环的冲程包装机。因此在这个压边力的解决方案的加速度的测量显示中是否振荡是一个相当大的干扰。加速度传感器（型号：LMD BLS 16G）被安装在压边圈刚性板，应经过初步接触体验弹簧的直接反应。在肘杆机构的长杆中用电阻应变计测量了压边力（威世精密集团 类型：FAE4-10S-35-SXE-R）。当压边机关闭时，杠杆会在纸板上施加力，可以使相关运动部分得到足够的测量。
对于深拉伸试验的坯料加湿工作是在用手工操作的一对辊上进行的。 下铝辊卷起并将水施加到坯料上，同时一个配置中的可调节上辊被设置为略微压在纸板上，这样可以达到使材料通过辊隙，而不会显着将材料致密化（图4b）的效果。 在第二构造中，上辊也通过海绵橡胶盖从具有300kg / m 2的密度和12mm的厚度的聚氨酯弹性体材料塞洛玛 SR55（图4a）加水。 辊直径为35mm，操作速度为约2.4m / min。而材料水分含量可以通过空白的质量称量参照它们的烘干重量来确定。
图3. a）六个弹簧组的特性;
b）肘节机构的非线性传递函数，从边压器工具位置到曲柄角。
3.结果与讨论
3.1保湿
本研究中所使用的材料在气候室中纸板的保湿率可以实现高达17％的水分值。作为参考，将样品储存在温度为5℃的房间中，根据18是具有最高水活度和80％的相对湿度的温度。在这种气候下，材料达到12％的水分（表1）。这种水分含量已被证明是足够高的，以显着提高3D形状的质量11.使用两个金属辊在两侧进行一次辊的水施加，在几秒钟内提供9.3％的物料水分（表1）。当然，材料中的水分分布不同于使用气候室的调节，因为由于材料的厚度而提供较长的时间来吸收水分。然而，在辊施用之后在纸板表面存在更大量的水，并且质量含量水保持相同，仅在厚度上具有更高的水分梯度。两侧的两次轧制制备提供11.1％的显著具有更高的水分含量（表1）。
图4.用于保湿的辊布置a）在上辊处具有海绵橡胶盖; b）含有两个铝辊。
表1.在500g/m2材料中在不同保湿方法之后获得的水分含量值
如果上辊也通过海绵橡胶将水转移到纸板，则会达到更高的水分含量。在这种情况下，单个滚动制备物已经提供了材料的12.1％的水分含量，这意味着该方法能够在短时间内将合适的水含量施加到纸板。在用金属辊轧制后1分钟，由于材料表面上游离水的蒸发，水分含量显着降低0.5-0.8％单位。然而，等待一分钟不会导致水分的显著变化。原因可能是自由水已经蒸发，并且重要的一部分水渗透到结构中，使得水的梯度降低。纸板表面处的持续蒸发不会阻止材料的渗透，并且水向表面的逆向转移显然需要更多时间和更高的表面水分降低。在用海绵橡胶辊制备辊后观察到更恒定的水分减少。这种现象，在只有一个准备步骤实现了显著水分提高的事实表明材料和海绵橡胶之间的接触诱发增加的毛细管凝结，被称为吸水的主要机制之一。这种机制将携带更多的水进入材料结构，并且在表面上不会留下太多的水。
使用保湿样品形成的结果显示出了所有保湿方法后的预期效果。皱纹距离减小并更均匀地分布，几乎是导致所使用纸板的皱纹消失（图5a）。 从6.5％至12％的湿度，皱纹分布明显改善，同时进一步增加14％的湿度，已经达到的最佳质量不受影响。材料的应变也似乎通过提高的水分而增加，这导致凹部中的破裂（图5b）显著减少。但这种效果只是特别地出现在水分高达12％的时候，在增加到14％并没有表现出进一步的改善。
必须强调的是，从滚动制备产出的具有8.3％水分的样品在气候室中调节之后已经以与具有12％水分样品的特性质品质相当。这意味着坯料的表面处理是一种更有效的纸板深拉的制备方法。对于液压成型工艺也经历过这种趋势，液压成型时，与气候室中的调节相比，表面喷洒水能导致更好的结果。
3.2弹簧压边器的受力质量
引入的弹簧加载的保持器能提供范围在0和40kN范围之间的力。到目前为止，在3和12kN之间的范围内需要300和500g / m 2的纸板的压边力。 弹簧组件的弹性消除了毛坯夹持力对由在毛坯夹持器下所产生褶皱产生的厚度增加的敏感性。这通常需要非常精细地调整毛坯夹持器位置，以便精确地控制毛坯夹持器力。当使用弹簧加载的压板时，这种调节是不必要的。
图5. a）在125℃的工具温度下形成的3D形状的壁的图像，在受控气候条件下调节时在不同水分含量下线性减小边压力5000-2000N; b）来自a）的样品的凹形部分的图像。
边压器的运动被设计成使用多项式轨迹来柔和地闭合边压器（图6a）。该运动定律还表示在与材料的第一次接触期间对压边力的反应增加的可能性。弹簧组件的压实导致跟随所引入的弹簧特性的力增加，直到达到期望的力值。位置不会改变，并且力也会保持恒定。 坯料边压力的不精确度在
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