Khả năng chống sốc của PE Foam được kiểm tra thế nào?

Việc đánh giá đáng tin cậy cần đi từ đặc tính cơ học của vật liệu đến phản ứng khi chịu xung va đập, rồi xác nhận trên cả hệ bao gói. Các thông số quan trọng gồm ứng suất và biến dạng khi nén, gia tốc đỉnh truyền qua lớp đệm, tải tĩnh trên foam, độ dày vật liệu, năng lượng va đập và mức chịu sốc của sản phẩm cần bảo vệ.

Kiểm tra PE Foam chống sốc cần đánh giá hai cấp độ

Ở cấp vật liệu, mục tiêu là xác định PE Foam biến dạng và hấp thụ năng lượng như thế nào dưới tải. Hai phép thử có giá trị nhất là thử nén và thử đệm động. Thử nén cho biết khả năng chịu tải và mức biến dạng; thử động cho biết lượng xung va đập còn truyền qua sau khi lớp foam đã hấp thụ một phần năng lượng.

Ở cấp bao gói, PE Foam được đặt vào đúng cấu hình sử dụng cùng sản phẩm, hộp và khoảng hở thực tế rồi tiến hành thử rơi hoặc thử va đập. Bước này cần thiết vì kết quả trên một mẫu foam riêng lẻ không phản ánh hoàn toàn hành vi của kiện hàng.

Có thể hiểu quy trình theo ba lớp:

1.    Đo khả năng chịu nén của PE Foam

2.    Đo khả năng giảm gia tốc trong một va đập động

3.    Xác nhận bằng thử rơi trên hệ sản phẩm – PE Foam – bao bì

Nếu chỉ thực hiện bước đầu tiên, kết luận mới cho biết đặc tính chịu nén chứ chưa chứng minh được hiệu quả chống sốc.

Thử nén xác định vùng chịu tải của PE Foam

Thử nén đặt mẫu PE Foam giữa hai bề mặt và tăng lực theo điều kiện xác định. Trong quá trình đó, lực nén và độ biến dạng của mẫu được ghi lại để hình thành quan hệ ứng suất – biến dạng.

Ứng suất nén có thể biểu diễn bằng:

Ứng suất = Lực / Diện tích chịu tải

Còn biến dạng nén được tính theo tỷ lệ thay đổi chiều dày so với chiều dày ban đầu. Kết quả thường được biểu diễn bằng kPa cho ứng suất và % cho biến dạng.

Thông tin này quan trọng vì PE Foam chống sốc hiệu quả khi làm việc trong một vùng biến dạng phù hợp. Nếu lớp foam quá cứng so với tải của sản phẩm, nó biến dạng rất ít và xung lực có thể truyền mạnh vào vật cần bảo vệ. Ngược lại, foam quá mềm hoặc quá mỏng có thể bị ép gần hết chiều dày, khiến sản phẩm tiến gần hoặc chạm vào thành bao bì. Hiện tượng này thường được gọi là nén tới đáy hoặc bottoming out.

Tải tác dụng lên foam cũng phải được xét theo diện tích tiếp xúc chứ không chỉ theo khối lượng sản phẩm. Ví dụ, một sản phẩm 4 kg đặt tải lên 0,02 m² foam tạo áp suất tĩnh xấp xỉ:

4 × 9,81 / 0,02 ≈ 1,96 kPa

Con số 1,96 kPa trong ví dụ không phải ngưỡng đạt hoặc không đạt. Nó là tải tĩnh mà lớp foam phải làm việc dưới cấu hình đó và được dùng làm đầu vào khi đánh giá đặc tính đệm.

Ngoài đường cong nén ban đầu, độ hồi phục sau khi bỏ tải cũng đáng quan tâm khi foam phải chịu nhiều lần va đập hoặc bị ép trong thời gian dài. Vật liệu còn biến dạng dư lớn sau thử nghiệm có thể không duy trì được khoảng đệm thiết kế cho những lần tác động tiếp theo.

Do đó, thử nén giúp trả lời câu hỏi PE Foam có chịu được tải của sản phẩm trong vùng biến dạng hợp lý hay không, nhưng chưa đủ để trả lời gia tốc va đập được giảm xuống bao nhiêu.

Thử sốc động đo gia tốc truyền qua lớp PE Foam

Thử đệm động trực tiếp hơn với khái niệm “chống sốc”. Mẫu PE Foam có chiều dày xác định được đặt dưới một khối tải. Khối tải hoặc cụm bàn thử được tạo va đập ở điều kiện kiểm soát, trong khi cảm biến gia tốc ghi lại xung gia tốc theo thời gian.

Mục tiêu không chỉ là xem foam có bị hỏng hay không. Đại lượng quan trọng hơn là gia tốc đỉnh truyền tới khối tải, thường biểu diễn theo đơn vị g. PE Foam càng làm giảm được gia tốc truyền vào sản phẩm trong điều kiện sử dụng tương ứng thì hiệu quả đệm va đập càng phù hợp.

Thiết lập tải và điều kiện va đập

Một kết quả thử động chỉ có ý nghĩa khi các điều kiện thử được xác định rõ. Ít nhất cần kiểm soát:

·         Chiều dày PE Foam

·         Diện tích mẫu và diện tích chịu tải

·         Khối lượng hoặc tải tĩnh đặt trên foam

·         Chiều cao rơi hoặc mức năng lượng va đập

·         Số lần va đập

·         Hướng và cách đặt mẫu

Năng lượng thế trước khi rơi tỷ lệ với m × g × h. Vì vậy, cùng một mẫu foam nhưng tăng khối lượng hoặc chiều cao rơi có thể tạo ra phản ứng rất khác. Không thể so sánh hai loại PE Foam nếu một mẫu được thử ở tải hoặc mức va đập khác mẫu còn lại.

Tương tự, tăng chiều dày thường cho vật liệu thêm hành trình biến dạng để hấp thụ năng lượng, nhưng điều đó không có nghĩa chỉ cần tăng foam vô hạn. Thiết kế vẫn phải phù hợp với tải, không gian bao gói và mức gia tốc tối đa mà sản phẩm chịu được.

Đọc đường cong đệm và gia tốc đỉnh

Khi thử một vật liệu ở nhiều mức tải tĩnh, có thể xây dựng đường cong đệm động. Đường cong thể hiện mối quan hệ giữa tải trên một đơn vị diện tích và gia tốc đỉnh truyền qua foam tại một chiều dày và điều kiện va đập cụ thể.

Đường cong này thường có một vùng làm việc thuận lợi. Ở tải quá thấp, foam có thể tương đối cứng so với vật cần bảo vệ và truyền gia tốc lớn. Khi tải tăng tới vùng phù hợp, foam biến dạng hiệu quả hơn và gia tốc truyền qua giảm. Nếu tải tiếp tục tăng quá mức, foam bị nén quá sâu, tiến gần trạng thái nén tới đáy và gia tốc lại tăng.

Đây là lý do PE Foam có tỷ trọng cao hơn không mặc nhiên chống sốc tốt hơn. Một loại foam cứng có thể thích hợp với tải lớn nhưng kém phù hợp với sản phẩm nhẹ. Ngược lại, foam mềm có thể hoạt động tốt với tải nhỏ nhưng không đủ hành trình cho vật nặng.

Giá trị gia tốc đỉnh cũng không nên được xem như một điểm đạt chung cho mọi sản phẩm. Nó phải được so sánh với mức gia tốc tới hạn mà sản phẩm có thể chịu mà không hỏng chức năng hoặc cấu trúc.

Thử rơi cả kiện hàng để xác nhận hiệu quả thực tế

Sau khi đặc tính của PE Foam đã phù hợp trên thử nghiệm vật liệu, cấu hình cuối cùng cần được kiểm tra ở cấp bao gói. Sản phẩm hoặc tải đại diện được đặt vào đúng miếng PE Foam, đúng chiều dày, đúng vị trí tiếp xúc và đúng loại bao bì dự kiến sử dụng.

Kiện hàng sau đó được tạo va đập theo kế hoạch thử. Tùy điều kiện phân phối, việc thử có thể bao gồm các mặt, cạnh và góc có khả năng chịu tác động. Chiều cao hoặc mức va đập không nên chọn tùy ý mà phải tương ứng với khối lượng kiện hàng và môi trường vận chuyển cần mô phỏng hoặc kiểm chứng.

Nếu cần đánh giá định lượng, cảm biến gia tốc được gắn trên sản phẩm hoặc tải đại diện. Khi kiện hàng chạm bề mặt va đập, có thể ghi:

·         Gia tốc đỉnh mà sản phẩm thực tế nhận được

·         Dạng và thời gian của xung va đập

·         Sự dịch chuyển của sản phẩm trong hộp

·         Mức nén và biến dạng dư của PE Foam

·         Hư hỏng chức năng, kết cấu hoặc bề mặt của sản phẩm

Phép thử này giải quyết một giới hạn quan trọng của thử mẫu vật liệu. PE Foam có thể cho kết quả đệm tốt trong thiết bị thử nhưng hiệu quả của kiện hàng vẫn giảm nếu diện tích đỡ quá nhỏ, foam đặt sai vị trí, sản phẩm có khoảng chạy tự do trong hộp hoặc lớp đệm bị nén tới đáy.

Vì vậy, kết quả thử rơi của bao gói là bước xác nhận thiết kế, còn thử đệm động là công cụ đặc trưng và lựa chọn vật liệu. Hai loại thử không thay thế hoàn toàn cho nhau.

Tiêu chí nào cho thấy PE Foam đạt yêu cầu chống sốc?

Không tồn tại một giá trị duy nhất như “PE Foam phải chịu được X g” áp dụng cho mọi trường hợp. Tiêu chí đạt phải liên kết giữa đặc tính foam và giới hạn chịu va đập của sản phẩm.

Các thông số nên được xem xét cùng nhau:

Nếu sản phẩm đã có giới hạn gia tốc tới hạn, một thiết kế đệm phù hợp cần giữ gia tốc truyền tới sản phẩm dưới giới hạn đó với mức dự phòng phù hợp. Đồng thời PE Foam không được nén tới đáy và sản phẩm phải vượt qua kiểm tra chức năng, kết cấu hoặc ngoại quan đã đặt ra sau chuỗi thử.

Nếu chưa biết giới hạn chịu sốc của sản phẩm, chỉ nhìn vào giá trị g của foam sẽ khó đưa ra kết luận chắc chắn. Khi đó cần xác định độ dễ hư hỏng do sốc của sản phẩm hoặc dùng thử nghiệm bao gói hoàn chỉnh với tiêu chí hư hỏng được xác định trước.

Khi so sánh hai mẫu PE Foam, các điều kiện như chiều dày, diện tích, tải tĩnh, mức va đập và số lần tác động cũng phải giữ tương đương. Nếu không, chênh lệch kết quả có thể do điều kiện thử chứ không phải do bản thân vật liệu.

Những yếu tố làm kết quả kiểm tra PE Foam thay đổi

Chiều dày ảnh hưởng trực tiếp đến hành trình biến dạng. Foam quá mỏng có thể hết hành trình trước khi hấp thụ đủ năng lượng, còn việc tăng chiều dày sẽ thay đổi đặc tính đệm của toàn hệ.

Tỷ trọng và cấu trúc foam ảnh hưởng đến độ cứng và phản ứng dưới tải. Tỷ trọng là một thông số hữu ích để kiểm soát vật liệu nhưng không thể được sử dụng một mình như chỉ số chống sốc.

Tải tĩnh trên đơn vị diện tích là yếu tố đặc biệt quan trọng. Cùng một sản phẩm nhưng thay đổi diện tích tiếp xúc với foam sẽ thay đổi áp suất tác dụng và có thể đưa vật liệu sang một vùng hoàn toàn khác trên đường cong đệm.

Mức năng lượng va đập cũng làm thay đổi kết quả. Một lớp foam phù hợp với va đập ở mức thấp không mặc nhiên bảo vệ được sản phẩm khi chiều cao rơi hoặc khối lượng tăng đáng kể.

Số lần va đập cần được xem xét khi kiện hàng có thể bị tác động nhiều lần. Kết quả ở cú rơi đầu tiên và các cú tiếp theo có thể khác nhau nếu vật liệu chưa hồi phục hoàn toàn hoặc đã xuất hiện biến dạng dư.

Cuối cùng, cấu hình bao gói quyết định cách tải được truyền vào foam. Khoảng hở, diện tích đỡ, vị trí miếng đệm và khả năng dịch chuyển của sản phẩm đều có thể làm kết quả thực tế khác với dữ liệu của một mẫu PE Foam được thử riêng.

Để kiểm tra PE Foam chống sốc đúng cách, không nên chỉ đánh giá bằng cảm giác mềm, tỷ trọng hoặc một phép nén đơn giản. Quy trình có giá trị hơn là xác định vùng chịu tải bằng thử nén, đo gia tốc truyền qua bằng thử đệm động và cuối cùng xác nhận bằng thử rơi trên bao gói hoàn chỉnh. Kết luận đạt hay không phải dựa trên điều kiện sử dụng cụ thể, đặc biệt là tải trên foam, chiều dày, mức va đập và giới hạn chịu sốc của chính sản phẩm.