物流包裝的綠色智能設計

文/彭國勛

中國物流與采購聯合會日前提出，要大力推動物流包裝向“綠色、標準、智能、共享”方向發展，這也成為物流包裝行業需要關注的趨勢。

物流包裝的綠色智能設計，是降低物流費用和提升綠色指標指數的源頭

根據國外資料顯示，全球的所有物流相關包裝材料支出，到2019年將達到2710億美元（約合1.626萬億元人民幣），組成見表1，再加上消費包裝的包裝總支出約為8200億美元。其中，美國占全球物流包裝需求的近24%，可達760億美元；亞洲占全球運輸包裝需求的近46%，可達1457億美元；而中國占到全球包裝銷售額的約1/5。

物流包裝的綠色智能設計，是降低物流費用和提升綠色指標指數的源頭。一般而言，物流運輸包裝設計可以歸納為七步法，其流程框圖，如圖1所示。

綠色包裝指標，一般包括減量化（reduce）、重復使用(reuse)和循環再生(recycle)等3R原則。

表1：全球物流包裝產值預測

圖1：物流運輸包裝綠色智能設計流程框圖

一、物流包裝防護包裝系統的綠色智能設計

物流包裝智能設計，應該包括防護包裝和包裝容器兩大部分。國家標準提到的防護標準有26種，其中緩沖包裝應用最普遍。

下面以“三坐標測量機緩沖包裝的智能包裝設計”為例進行介紹。

物流包裝智能設計軟件中的緩沖智能設計模塊，綜合了國內外有關標準和文獻介紹的算法，以重量為W=10噸的三坐標測量機為案例，進行了優化設計。緩沖包裝緩沖墊材料選用希悅爾公司的CelluPlank?400 EPE，其跌落高度為12英寸的不同跌落次數、不同緩沖厚度t＝1"～4"的動態沖擊緩沖性能曲線，如圖2所示。圖2中縱坐標為沖擊加速度G（單位為重力加速度g的倍數），橫坐標為緩沖墊的靜應力σ（單位為psi）。根據ISTA3H，三坐標測量機的設計跌落高度取為h＝12英寸。

大數據顯示，閉孔發泡塑料的動態沖擊緩沖性能在等效沖擊勢能Y=hσ和單位厚度的等效動應力X=Gσ/t之間，存在式（1）所示的指數函數關系：

其中的系數A和B對應于特定型號的閉孔發泡塑料，例如圖2曲線得到的第2～5次跌落的式（1）數據擬合結果為A＝19.958，B=0.0711。以三坐標測量機為案例，其脆值為40g和按ISTA-3H規定的跌落高度H=100 mm時，設計的緩沖墊選用厚度取t=60 mm，按圖3所示《緩沖包裝設計》軟件可求得沖擊加速度G=32.91，最佳緩沖墊總面積A=1103700 mm2，靜應力σ=W/A=12.8869 psi。向下跌落時的沖擊加速度為G=32.91g，略低于產品脆值Gc=40；在此靜應力作用下的緩沖墊的壓縮靜變形約為1.2mm，僅是緩沖墊厚度60mm的2%，對緩沖的影響在預計的誤差范圍內。

圖2：希悅爾公司的EPE的密度為400的典型動態沖擊緩沖性能曲線

圖3：三坐標測量機緩沖包裝智能設計軟件界面與結果

二、包裝容器的智能設計

物流包裝的外包裝容器，主要包括瓦楞紙箱、托盤、木包裝、塑料包裝、金屬包裝等。選用需考慮的因素是內裝物重量、尺寸、防護要求、一次性或循環包裝、成本等。根據企業要求，已經開發出常用包裝容器的智能設計模塊。

下面以“標準木質平托盤的綠色智能設計”為例進行介紹。

物流綠色包裝智能設計軟件，專門開發多種木質平托盤結構的設計模塊。GB/T 31148-2014推薦的中國標準木質平托盤，利用開發的智能設計軟件，不僅可以得到如圖4（a）所示川字式中標木質平托盤的結構尺寸三維模型、圖紙，更重要的是可以給出常用4種載荷工況的應力、變形、和安全系數等分析，結果如4（b）所示。這些功能是國內現有軟件所沒有的，也超過了美國的PDS軟件的現有功能，可以最大程度實現托盤的減量化，還有利于分析重復使用托盤的耐久性。軟件采用直觀的彩圖顯示：循環使用托盤的安全系數推薦處于綠色范圍內，一次性托盤可以處于紅色范圍左端區域，處于灰色范圍則表明過分安全，可以減少構件的尺寸。

三、物流包裝系統的綠色評估

物流包裝系統的綠色指數評估，主要是基于生命周期評價方法對物流包裝系統進行研究，重點分析其“從搖籃到墳墓”全過程中的碳足跡。首先確定系統邊界，詳細闡述物流包裝系統的整個生命周期過程；其次，從原材料生產以及運輸階段、框架木箱的生產加工及物流階段、原材料的廢棄階段三個方面收集相關數據，并進行計算。

例如，將生命周期評價方法應用于綠色包裝的評價，通過系統的、全生命周期的分析對某三坐標測量機框架木箱做出定量評價。其中，原材料生產以及運輸階段碳排放量所占百分比高達67%，框架木箱加工生產以及運輸階段為31%，原材料廢棄階段為2%；由圖5可知，原材料生產階段二氧化碳排放量在生命周期過程中占的比重最大，約為95754.524 kg，因為在采伐原材料木材的時候考慮到森林的碳吸存，即生長在森林中的木材本可以吸收一定的二氧化碳，但因采伐導致其不能吸收二氧化碳，所以這部分的二氧化碳量也包括在原材料的生產過程中。其次便是客戶至用戶運輸階段，產生較多的二氧化碳排放量，約為40511.99 kg，因為運輸階段二氧化碳的排放量與產品重量以及運輸距離相關，所以相比于生命周期的其他階段會產生更多二氧化碳。最后可以看出，加工階段以及廢棄階段所排放的二氧化碳量是最少的，分別為5663.694 kg和3903.856 kg。

圖4：川字式中標木質平托盤的智能設計結果

圖5：生命周期過程二氧化碳排放量

四、未來展望

物流包裝綠色智能設計涉及到開發適應大數據和云計算的優化設計算法研究，迫切需要包裝材料生產企業規范質量標準，提供設計所需的各種材料測試統計分析出的性能數據，并建立相應的數據庫，為包裝綠色智能設計提供最可靠的數據基礎。

物流包裝系統的綠色智能設計，是綠色智能供應鏈和綠色智能制造的基礎，對物流和供應鏈優化起著十分關鍵的作用，有待進行更深層次開發。