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实现概念性可持续包装发展模式：瓦楞纸箱案例研究
关键词：可持续包装;瓦楞纸箱设计;供应链;浪费;压缩强度;CO2
摘要
瓦楞纸箱包装设计师致力于平衡对产品保护，材料使用效率和包装材料对供应链环境的影响的需求。本文的目的是开发一个概念的可持续包装模型，它集成了技术设计，供应链系统和环境因素的变量，然后使用该模型来识别以改善瓦楞容器设计。
从现有文献开发了一种模型，并且在瓦楞状容器上进行了一个案例研究。这被认为是与通过供应链从设计到潜在的消费后再利用的瓦楞纸箱的设计和实施相关的最相关代理的独特整合模型。
从这项研究中，我们发现了通过四个前设计阶段和两个事后供应链阶段来改善瓦楞箱集装箱的环境设计的机会。此外，研究可以通过“活的供应链”评估和改进该模型，用于引导瓦楞箱材料选择设计和再利用/再循环。集成供应链中单位负载的设计标准创造了从整体上观察包装系统的机会。在制造过程中的废物和CO2排放沿着材料流动被跟踪直到其使用寿命的结束，以提供包装系统的整体图像。版权所有copy;2014 John Wiley＆Sons，Ltd.
介绍
越来越多的包装设计师（如瓦楞纸箱设计师）致力于平衡产品保护，材料使用效率的需求，以及包装材料对供应链中从摇篮到摇篮的环境的影响。虽然欧洲立法框架[1]确定了在设计中尽量减少材料使用的要求，但可以进一步评估产品和包装材料废弃物的平衡，以便根据成本和废弃物问题达到产品保护和包装使用的最佳平衡。从设计到消费后管理，可持续包装设计可以遵循欧洲废弃物层次指令[2]的原则，如图 1所示。此外，
图1：废物层次模型
在使用废弃物分层模型作为目标时，包装在供应链中的目标是平衡材料避免与材料处置（产品损害和包装废弃物），同时减少所引起的CO2排放。它是一种折衷方案，找到最佳的瓦楞材料和设计环境友好的包装，[3]更准确地说，包装材料适应回收策略，如再利用/回收。因此，关于以下变量定义可持续包装开发（SPD）模型：
技术设计 - 优化包装结构和材料（材料避免）到产品保护。
供应链设计 - 供应链系统内的技术设计的扩展（从设计到消费后的过程），以减少浪费和保护产品。
环保设计-增加材料再利用，减少处置，同时减少CO 2 在整个供应链的排放量。
在这项研究中，我们将开发一个摇篮式摇篮模型[4]，优化这三个变量关于在供应链中使用瓦楞纸板材料。在方法部分，我们将完成与三个变量相关的文献综述。此后，我们将开发可持续包装的模型。该模型将通过应用于案例研究进行测试。我们将总结本文，包括影响和未来的研究机会。
方法
技术设计
产品保护是从封隔器/填料到最终用户的包装的主要目标[5]，因为损坏造成的收缩估计比包装的成本高10到100倍[6]。可接受的技术设计，如如图 2所示[7]使用最佳材料量来满足技术设计目标; 材料不足可能导致产品损坏，过多的材料会导致产品浪费。
图2：概念包装设计模型
为了在产品保护（足够的材料量）和有效的包装设计（减少浪费）之间实现最佳化，包装设计的压缩强度是平衡包装完整性和浪费的主要特性。压缩强度是箱体的堆叠强度的基本性质。例如，Steadman [8] 给出了瓦楞纸箱抗压强度分析基础的介绍，
各种研究者已经开发了用于预测瓦楞纸箱的抗压强度的模型。可能，最知名的半经验方程来预测瓦楞纸板箱的压缩强度被称为Mckee方程[9]。这个方程已经被许多作者进一步扩展和调整的条件。此外，Kawanishi [10]开发了一个经验关系，以预测包装箱和常规开槽箱（RSC）箱的箱压缩强度。Kellicut和Landt [11]基于设计参数和衬板整体环压强度预测了箱体抗压强度。此外，应该注意，Sprague和Whitsitt，[12] Seth [13]和Markstrouml;m，
基于有限元方法的计算工具，其经常用于其他工业分支（例如汽车和航空航天工业）中的强度和刚度设计，也用于纸张和包装工业。最近在复合材料和复合夹心结构中的发展，其表现出与瓦楞纸板相似的相似性，导致在包装设计过程中该方法的越来越多的使用。[15]许多作者[16-20]证明有限元方法预测箱压缩强度比其他半经验关系更准确。然而，在本文中，该方法是在SPD模型中包括强度计算。在这个阶段，经验表达式表现出足够的准确性，行业中广泛采用的用于预测非浅箱子的箱体抗压强度的公式是McKee公式的欧洲版本：
(1)
在等式（1）中，PBCT是箱式压缩强度（N）;ECT是边压强度（N / m）; Dx，thinsp;Dy分别是瓦楞板在机器方向和横向（Nm）的弯曲刚度;并且p是内侧框周长（m）。
具体到瓦楞纸板材料的箱式抗压强度，Seth [13]开发了一个理论模型来关联瓦楞纸板的抗压强度及其成分，称为马滕森方程。这个公式总结了衬板的抗压强度和介质，以估计瓦楞纸板的抗压强度和读数：
(2)
在等式（2） ，sigma;大号 1，thinsp;sigma;大号2和sigma;FL是衬板和介质，分别用于瓦楞纸板的结构的压缩强度，而alpha;是轮廓和植物特异性长笛卷取因子和k是与瓦楞厂的测试误差，测试方法和制造变量相关的无量纲变量。这种模型给出了良好的预测精度来分析瓦楞板相对于其成分的抗压强度（Markstrouml;m[14]和Dimitrov和Heydenrych [21]），有两种主要的技术来测量在瓦楞纸板中使用的纸板的抗压强度相对于纸板材料的抗压强度：短跨度压缩试验和环压碎试验。许多作者，包括Batelka，[ 22 ] Fellers和Donner [ 23 ]和Frank [ 24 ]等等，突出了每种技术的利弊。
超过瓦楞材料本身的强度，其他因素影响盒的压缩强度，例如其形状，长宽比，水平槽，在瓦楞材料上的预印刷和后印刷因素。此外，包装和产品强度之间的相互作用对压缩强度起着重要的支持作用。
还应该注意的是盒子的寿命时间显示出很大的统计变化。[ 25 ]最近，Coffin [ 26 ]和Uesaka和Juntunen等[ 27 ] 对寿命数据的分散进行了分析。在本模型中，不考虑统计变化，但是可能的，虽然它将使模型更复杂，并且使SPD模型的主要目标不清楚。
关于盒子形状，在运输包装中使用的最常见的盒子类型是RSC。这种类型的盒在相同的瓦楞板厚度下承载比模切盒更大的压缩强度，这导致更少的材料浪费。然而，模切盒在尺寸上比RSC盒更稳定，并且在负载方向上添加的材料可以通过高压缩强度以及其他有用的包装功能来证明。另一方面，与其他类型的盒相比，RSC盒具有较不复杂的设计。
瓦楞纸箱的长宽比是一个重要的参数。一些形状在运输期间更可堆叠，而其中一些在压缩强度和立方效率方面具有优势。小尺寸的盒子的尺寸可以对包装系统的效率具有重大影响。例如，图3中的框 具有相同的立方体内容; 然而，不同程度的重叠和翼片布置导致不同的浪费因素。
图3：箱型对废物的影
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