提升奶粉罐耐压强度实现包装减量化设计

马伦 周必榜

目前，市场上的高端奶粉罐均以镀锡薄钢板为主要原材料，经印涂和板材加工成型后制成。由于奶粉罐自身体积较大，因此在生产和运输过程中即使做了很多防护措施，也会不可避免地发生瘪罐现象，从而影响奶粉的销售形象。而且，在国家大力提倡节能减排和构建节约型社会的发展趋势下，包装减量化设计已是大势所趋。因此，如何在提升奶粉罐耐压强度的同时实现包装减量化设计，提高产品竞争力，已成为金属包装企业当前的主要研究方向。

抗瘪罐能力的评价方法

瘪罐现象是金属包装行业的一种普遍现象，其具体表现为罐体因受到外力作用而产生局部变形。导致奶粉罐产生瘪罐现象的因素有很多，如产品自身设计性能、包装方式、运输方式等方面，提升产品自身设计性能即抗外力能力是从根本上有效降低瘪罐现象的唯一永恒方式。根据美国ASTM D642-2000（2005）标准，奶粉罐耐压强度通常是用来评价其抗瘪罐能力的科学指标。

耐压强度及测试方法

在实验测试环节，耐压强度通常分为轴向耐压强度和径向耐压强度。

轴向耐压强度主要是指引起罐身变形的轴向（即罐身高度方向）最大承压能力，测试方法是在罐体的上下两面各放置一块硬板，在一定速度下做加压测试，如图1所示。

径向耐压强度主要是指引起罐身变形的径向（即罐身宽度方向）最大承压能力，测试方法是在一定试验速度下，参照胶合板抗弯强度试验机的试验头，选用直径约30mm的管状压头，在一定破坏深度下得到测试参数，绘制耐压力曲线。通常每个品种的奶粉罐取两个测试位置（如图2中的a、b两处），一个位置在上下滚筋居中对称的部位（图2中的a处），另一个位置在下端面和最下圈滚筋中间的直身部位（图2中的b处）。由于两个压力值不同，故分别标示。

耐压强度影响因素分析

结合市场实际需求，本文以下论述均以奶粉罐D502规格产品罐身减量化设计为目标来提升耐压强度，即奶粉罐罐身减量化设计之后，罐身耐压强度较之前正常厚度材料有了明显提升，达到事半功倍的效果。

1.轴向耐压强度分析

我们对大量不同罐型产品及其轴向耐压强度进行了测试，表1为部分罐型测试数据，通过分析可以发现，相同罐型奶粉罐在原材料厚度直接减量化设计后，会对轴向耐压强度产生直接影响，即随着马口铁厚度的减薄，轴向耐压强度会随之减弱。

2.径向耐压强度分析

以表2部分奶粉罐型的测试数据为例，通过分析发现，随着马口铁厚度的减薄，不同罐型的径向耐压强度有轻微变化。可以说，当罐型确定之后，罐身厚度减量化对径向耐压强度的影响不大。

结合轴向耐压强度和径向耐压强度两个指标分析可知，相同罐型马口铁厚度减薄后，对轴向耐压强度有直接影响，而径向耐压强度虽有轻微变化，但当罐型确定之后基本不受影响，而且可以通过调整滚筋宽度和深度等参数来消除。因此，罐身耐压强度主要应从轴向耐压强度来分析和提升，即瘪罐现象主要是由轴向耐压强度降低引起的，需从优化奶粉罐罐型设计来提升。

奶粉罐罐型设计一般从材料厚度、材料硬度、马口铁轧制方向、滚筋形状、滚筋条数、滚筋宽度和滚筋深度7个维度来着手，不同维度的结合基本决定了产品的耐压性能。通过大量的试验数据和总结归纳分析，奶粉罐罐身减量化设计后的耐压强度主要受除马口铁轧制方向以外的其他6个维度的影响。

耐压强度的提升方法及验证

1.耐压强度的提升方法

根据对奶粉罐耐压强度各影响因素及其与耐压强度的影响关系的分析，本耐压强度提升方法以某成熟产品为例进行设计、试验和验证，即该奶粉罐D502通常以0.24mm厚度T4硬度的马口铁为原材料，轴向耐压强度为3.80kN，以0.21mm厚度为罐身减量化设计目标，保证罐身厚度减量化设计后，轴向耐压强度有明显提升和改善。最终，轴向耐压强度均值稳定在4.10kN及以上，不仅成功实现了包装的减量化设计，而且提升了罐身的抗瘪罐能力。

假设材料厚度、材料硬度和滚筋条数3个维度确定的情况下，本试验方案以滚筋形状、滚筋宽度和滚筋深度3个维度为最佳耐压强度组合，分别设计出减量化A形模、B形模和C形模，经样品制作和耐压强度测试，检测相应数据如表3所示，序号1和序号2中的数据分别为目前正常厚度空罐和直接罐身减量化设计后的耐压强度值。

从表3可以看出，在奶粉罐减量化设计过程中，如果直接将马口铁进行减量化，则必然带来其耐压强度指标直线下降，将严重影响其耐抗外力能力，发生瘪罐现象的概率将明显增加。如果在罐身减量化设计过程中优化各影响要素来提升其耐压强度，如A形模、B形模和C形模，则相比直接减量化其耐压强度会有不同程度的提升。其中，A形模减量化设计的耐压强度较I罐型（0.21mm）提升16%，较I罐型（0.24mm）下降14%；B形模减量化设计的耐压强度较I罐型（0.21mm）提升13%，较I罐型（0.24mm）下降16%；C形模减量化设计的耐压强度较I罐型（0.21mm）提升42%，较I罐型（0.24mm）提升 6%。由此可见，使用减量化C形模后既达到了原材料厚度减量化设计的目标，又达到了耐压强度较正常厚度空罐有所提升的目的，减量化后抗瘪罐能力得到了真正意义上的提升和加强，既提升了产品的市场竞争力，又改善了产品质量。

2.耐压强度提升稳定性验证

为了进一步验证耐压强度提升方法的正确性和可行性，选取耐压强度最佳的C形模进行验证。使用与试验相同的0.21mm厚度的减量化马口铁分三批次制作样品空罐，每次随机选取空罐进行测试，并选取两家检测机构，在相同检测方法下连续进行轴向耐压强度测试，并记录分析数据，其轴向耐压强度数据直方图如图3所示。分析数据显示，随机测试的耐压强度均值为4.25kN，直方图显示稳定性很好，超过了目标值4.10kN，较正常0.24mm空罐的耐压强度（耐压强度3.88kN）提升了约10%，完全具备批量生产的稳定性特征，再次验证了本次轴向耐压强度提升方法的可行性。

通过以上分析、试验和验证，证明了本方案中奶粉罐耐压强度提升方法的科学性和可操作性。随着减量化趋势的不断推进，以及市场需求的日益严苛，该方法具有很高的应用价值，一方面可提升产品的抗瘪罐能力，另一方面，在不牺牲产品品质的前提下实现包装减量化设计，同时产品耐压强度也有了明显提升，属于业内重大技术突破，符合国家倡导的“节能减排，绿色包装”要求。