提升奶粉罐耐壓強度實現包裝減量化設計

馬倫 周必榜

目前，市場上的高端奶粉罐均以鍍錫薄鋼板為主要原材料，經印涂和板材加工成型后制成。由于奶粉罐自身體積較大，因此在生產和運輸過程中即使做了很多防護措施，也會不可避免地發生癟罐現象，從而影響奶粉的銷售形象。而且，在國家大力提倡節能減排和構建節約型社會的發展趨勢下，包裝減量化設計已是大勢所趨。因此，如何在提升奶粉罐耐壓強度的同時實現包裝減量化設計，提高產品競爭力，已成為金屬包裝企業當前的主要研究方向。

抗癟罐能力的評價方法

癟罐現象是金屬包裝行業的一種普遍現象，其具體表現為罐體因受到外力作用而產生局部變形。導致奶粉罐產生癟罐現象的因素有很多，如產品自身設計性能、包裝方式、運輸方式等方面，提升產品自身設計性能即抗外力能力是從根本上有效降低癟罐現象的唯一永恒方式。根據美國ASTM D642-2000（2005）標準，奶粉罐耐壓強度通常是用來評價其抗癟罐能力的科學指標。

耐壓強度及測試方法

在實驗測試環節，耐壓強度通常分為軸向耐壓強度和徑向耐壓強度。

軸向耐壓強度主要是指引起罐身變形的軸向（即罐身高度方向）最大承壓能力，測試方法是在罐體的上下兩面各放置一塊硬板，在一定速度下做加壓測試，如圖1所示。

徑向耐壓強度主要是指引起罐身變形的徑向（即罐身寬度方向）最大承壓能力，測試方法是在一定試驗速度下，參照膠合板抗彎強度試驗機的試驗頭，選用直徑約30mm的管狀壓頭，在一定破壞深度下得到測試參數，繪制耐壓力曲線。通常每個品種的奶粉罐取兩個測試位置（如圖2中的a、b兩處），一個位置在上下滾筋居中對稱的部位（圖2中的a處），另一個位置在下端面和最下圈滾筋中間的直身部位（圖2中的b處）。由于兩個壓力值不同，故分別標示。

耐壓強度影響因素分析

結合市場實際需求，本文以下論述均以奶粉罐D502規格產品罐身減量化設計為目標來提升耐壓強度，即奶粉罐罐身減量化設計之后，罐身耐壓強度較之前正常厚度材料有了明顯提升，達到事半功倍的效果。

1.軸向耐壓強度分析

我們對大量不同罐型產品及其軸向耐壓強度進行了測試，表1為部分罐型測試數據，通過分析可以發現，相同罐型奶粉罐在原材料厚度直接減量化設計后，會對軸向耐壓強度產生直接影響，即隨著馬口鐵厚度的減薄，軸向耐壓強度會隨之減弱。

2.徑向耐壓強度分析

以表2部分奶粉罐型的測試數據為例，通過分析發現，隨著馬口鐵厚度的減薄，不同罐型的徑向耐壓強度有輕微變化。可以說，當罐型確定之后，罐身厚度減量化對徑向耐壓強度的影響不大。

結合軸向耐壓強度和徑向耐壓強度兩個指標分析可知，相同罐型馬口鐵厚度減薄后，對軸向耐壓強度有直接影響，而徑向耐壓強度雖有輕微變化，但當罐型確定之后基本不受影響，而且可以通過調整滾筋寬度和深度等參數來消除。因此，罐身耐壓強度主要應從軸向耐壓強度來分析和提升，即癟罐現象主要是由軸向耐壓強度降低引起的，需從優化奶粉罐罐型設計來提升。

奶粉罐罐型設計一般從材料厚度、材料硬度、馬口鐵軋制方向、滾筋形狀、滾筋條數、滾筋寬度和滾筋深度7個維度來著手，不同維度的結合基本決定了產品的耐壓性能。通過大量的試驗數據和總結歸納分析，奶粉罐罐身減量化設計后的耐壓強度主要受除馬口鐵軋制方向以外的其他6個維度的影響。

耐壓強度的提升方法及驗證

1.耐壓強度的提升方法

根據對奶粉罐耐壓強度各影響因素及其與耐壓強度的影響關系的分析，本耐壓強度提升方法以某成熟產品為例進行設計、試驗和驗證，即該奶粉罐D502通常以0.24mm厚度T4硬度的馬口鐵為原材料，軸向耐壓強度為3.80kN，以0.21mm厚度為罐身減量化設計目標，保證罐身厚度減量化設計后，軸向耐壓強度有明顯提升和改善。最終，軸向耐壓強度均值穩定在4.10kN及以上，不僅成功實現了包裝的減量化設計，而且提升了罐身的抗癟罐能力。

假設材料厚度、材料硬度和滾筋條數3個維度確定的情況下，本試驗方案以滾筋形狀、滾筋寬度和滾筋深度3個維度為最佳耐壓強度組合，分別設計出減量化A形模、B形模和C形模，經樣品制作和耐壓強度測試，檢測相應數據如表3所示，序號1和序號2中的數據分別為目前正常厚度空罐和直接罐身減量化設計后的耐壓強度值。

從表3可以看出，在奶粉罐減量化設計過程中，如果直接將馬口鐵進行減量化，則必然帶來其耐壓強度指標直線下降，將嚴重影響其耐抗外力能力，發生癟罐現象的概率將明顯增加。如果在罐身減量化設計過程中優化各影響要素來提升其耐壓強度，如A形模、B形模和C形模，則相比直接減量化其耐壓強度會有不同程度的提升。其中，A形模減量化設計的耐壓強度較I罐型（0.21mm）提升16%，較I罐型（0.24mm）下降14%；B形模減量化設計的耐壓強度較I罐型（0.21mm）提升13%，較I罐型（0.24mm）下降16%；C形模減量化設計的耐壓強度較I罐型（0.21mm）提升42%，較I罐型（0.24mm）提升 6%。由此可見，使用減量化C形模后既達到了原材料厚度減量化設計的目標，又達到了耐壓強度較正常厚度空罐有所提升的目的，減量化后抗癟罐能力得到了真正意義上的提升和加強，既提升了產品的市場競爭力，又改善了產品質量。

2.耐壓強度提升穩定性驗證

為了進一步驗證耐壓強度提升方法的正確性和可行性，選取耐壓強度最佳的C形模進行驗證。使用與試驗相同的0.21mm厚度的減量化馬口鐵分三批次制作樣品空罐，每次隨機選取空罐進行測試，并選取兩家檢測機構，在相同檢測方法下連續進行軸向耐壓強度測試，并記錄分析數據，其軸向耐壓強度數據直方圖如圖3所示。分析數據顯示，隨機測試的耐壓強度均值為4.25kN，直方圖顯示穩定性很好，超過了目標值4.10kN，較正常0.24mm空罐的耐壓強度（耐壓強度3.88kN）提升了約10%，完全具備批量生產的穩定性特征，再次驗證了本次軸向耐壓強度提升方法的可行性。

通過以上分析、試驗和驗證，證明了本方案中奶粉罐耐壓強度提升方法的科學性和可操作性。隨著減量化趨勢的不斷推進，以及市場需求的日益嚴苛，該方法具有很高的應用價值，一方面可提升產品的抗癟罐能力，另一方面，在不犧牲產品品質的前提下實現包裝減量化設計，同時產品耐壓強度也有了明顯提升，屬于業內重大技術突破，符合國家倡導的“節能減排，綠色包裝”要求。