物流包裝的綠色智能設(shè)計(jì)

文/彭國勛

中國物流與采購聯(lián)合會日前提出，要大力推動物流包裝向“綠色、標(biāo)準(zhǔn)、智能、共享”方向發(fā)展，這也成為物流包裝行業(yè)需要關(guān)注的趨勢。

物流包裝的綠色智能設(shè)計(jì)，是降低物流費(fèi)用和提升綠色指標(biāo)指數(shù)的源頭

根據(jù)國外資料顯示，全球的所有物流相關(guān)包裝材料支出，到2019年將達(dá)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(fèi)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(dá)760億美元；亞洲占全球運(yùn)輸包裝需求的近46%，可達(dá)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(shè)計(jì)，是降低物流費(fèi)用和提升綠色指標(biāo)指數(shù)的源頭。一般而言，物流運(yùn)輸包裝設(shè)計(jì)可以歸納為七步法，其流程框圖，如圖1所示。

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

表1：全球物流包裝產(chǎn)值預(yù)測

圖1：物流運(yùn)輸包裝綠色智能設(shè)計(jì)流程框圖

一、物流包裝防護(hù)包裝系統(tǒng)的綠色智能設(shè)計(jì)

物流包裝智能設(shè)計(jì)，應(yīng)該包括防護(hù)包裝和包裝容器兩大部分。國家標(biāo)準(zhǔn)提到的防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)有26種，其中緩沖包裝應(yīng)用最普遍。

下面以“三坐標(biāo)測量機(jī)緩沖包裝的智能包裝設(shè)計(jì)”為例進(jìn)行介紹。

物流包裝智能設(shè)計(jì)軟件中的緩沖智能設(shè)計(jì)模塊，綜合了國內(nèi)外有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和文獻(xiàn)介紹的算法，以重量為W=10噸的三坐標(biāo)測量機(jī)為案例，進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。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(shù)、不同緩沖厚度t＝1"～4"的動態(tài)沖擊緩沖性能曲線，如圖2所示。圖2中縱坐標(biāo)為沖擊加速度G（單位為重力加速度g的倍數(shù)），橫坐標(biāo)為緩沖墊的靜應(yīng)力σ（單位為psi）。根據(jù)ISTA3H，三坐標(biāo)測量機(jī)的設(shè)計(jì)跌落高度取為h＝12英寸。

大數(shù)據(jù)顯示，閉孔發(fā)泡塑料的動態(tài)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(yīng)力X=Gσ/t之間，存在式（1）所示的指數(shù)函數(shù)關(guān)系：

其中的系數(shù)A和B對應(yīng)于特定型號的閉孔發(fā)泡塑料，例如圖2曲線得到的第2～5次跌落的式（1）數(shù)據(jù)擬合結(jié)果為A＝19.958，B=0.0711。以三坐標(biāo)測量機(jī)為案例，其脆值為40g和按ISTA-3H規(guī)定的跌落高度H=100 mm時(shí)，設(shè)計(jì)的緩沖墊選用厚度取t=60 mm，按圖3所示《緩沖包裝設(shè)計(jì)》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(yīng)力σ=W/A=12.8869 psi。向下跌落時(shí)的沖擊加速度為G=32.91g，略低于產(chǎn)品脆值Gc=40；在此靜應(yīng)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(yù)計(jì)的誤差范圍內(nèi)。

圖2：希悅爾公司的EPE的密度為400的典型動態(tài)沖擊緩沖性能曲線

圖3：三坐標(biāo)測量機(jī)緩沖包裝智能設(shè)計(jì)軟件界面與結(jié)果

二、包裝容器的智能設(shè)計(jì)

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(nèi)裝物重量、尺寸、防護(hù)要求、一次性或循環(huán)包裝、成本等。根據(jù)企業(yè)要求，已經(jīng)開發(fā)出常用包裝容器的智能設(shè)計(jì)模塊。

下面以“標(biāo)準(zhǔn)木質(zhì)平托盤的綠色智能設(shè)計(jì)”為例進(jìn)行介紹。

物流綠色包裝智能設(shè)計(jì)軟件，專門開發(fā)多種木質(zhì)平托盤結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)模塊。GB/T 31148-2014推薦的中國標(biāo)準(zhǔn)木質(zhì)平托盤，利用開發(fā)的智能設(shè)計(jì)軟件，不僅可以得到如圖4（a）所示川字式中標(biāo)木質(zhì)平托盤的結(jié)構(gòu)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(yīng)力、變形、和安全系數(shù)等分析，結(jié)果如4（b）所示。這些功能是國內(nèi)現(xiàn)有軟件所沒有的，也超過了美國的PDS軟件的現(xiàn)有功能，可以最大程度實(shí)現(xiàn)托盤的減量化，還有利于分析重復(fù)使用托盤的耐久性。軟件采用直觀的彩圖顯示：循環(huán)使用托盤的安全系數(shù)推薦處于綠色范圍內(nèi)，一次性托盤可以處于紅色范圍左端區(qū)域，處于灰色范圍則表明過分安全，可以減少構(gòu)件的尺寸。

三、物流包裝系統(tǒng)的綠色評估

物流包裝系統(tǒng)的綠色指數(shù)評估，主要是基于生命周期評價(jià)方法對物流包裝系統(tǒng)進(jìn)行研究，重點(diǎn)分析其“從搖籃到墳?zāi)埂比^程中的碳足跡。首先確定系統(tǒng)邊界，詳細(xì)闡述物流包裝系統(tǒng)的整個(gè)生命周期過程；其次，從原材料生產(chǎn)以及運(yùn)輸階段、框架木箱的生產(chǎn)加工及物流階段、原材料的廢棄階段三個(gè)方面收集相關(guān)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行計(jì)算。

例如，將生命周期評價(jià)方法應(yīng)用于綠色包裝的評價(jià)，通過系統(tǒng)的、全生命周期的分析對某三坐標(biāo)測量機(jī)框架木箱做出定量評價(jià)。其中，原材料生產(chǎn)以及運(yùn)輸階段碳排放量所占百分比高達(dá)67%，框架木箱加工生產(chǎn)以及運(yùn)輸階段為31%，原材料廢棄階段為2%；由圖5可知，原材料生產(chǎn)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?yàn)樵诓煞ピ牧夏静牡臅r(shí)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(dǎo)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(chǎn)過程中。其次便是客戶至用戶運(yùn)輸階段，產(chǎn)生較多的二氧化碳排放量，約為40511.99 kg，因?yàn)檫\(yùn)輸階段二氧化碳的排放量與產(chǎn)品重量以及運(yùn)輸距離相關(guān)，所以相比于生命周期的其他階段會產(chǎn)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(biāo)木質(zhì)平托盤的智能設(shè)計(jì)結(jié)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(shè)計(jì)涉及到開發(fā)適應(yīng)大數(shù)據(jù)和云計(jì)算的優(yōu)化設(shè)計(jì)算法研究，迫切需要包裝材料生產(chǎn)企業(yè)規(guī)范質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，提供設(shè)計(jì)所需的各種材料測試統(tǒng)計(jì)分析出的性能數(shù)據(jù)，并建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，為包裝綠色智能設(shè)計(jì)提供最可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

物流包裝系統(tǒng)的綠色智能設(shè)計(jì)，是綠色智能供應(yīng)鏈和綠色智能制造的基礎(chǔ)，對物流和供應(yīng)鏈優(yōu)化起著十分關(guān)鍵的作用，有待進(jìn)行更深層次開發(fā)。