EPS在汽車KD件出口包裝中的應(yīng)用

李加祥 賈磊賢

劉平金 吳耀華

奇瑞汽車股份有限公司

安徽 蕪湖 241006

0 引言

國產(chǎn)汽車出口量的增大促進(jìn)了汽車物流發(fā)展[1]。國際物流的環(huán)境復(fù)雜、運(yùn)輸方式多樣等，導(dǎo)致汽車KD（knocked down）件出口包裝的破損率居高不下。加之受國際政治、經(jīng)濟(jì)環(huán)境影響，集裝箱運(yùn)輸成本不斷上漲。這些都對(duì)汽車KD件出口包裝提出了更高要求[2-5]。

聚苯乙烯泡沫（expanded polystyrene，EPS）是一種輕型高分子聚合物，是通過在聚苯乙烯樹脂中加入發(fā)泡劑，并加熱軟化，產(chǎn)生氣體，而形成的具有硬質(zhì)閉孔結(jié)構(gòu)的泡沫塑料[6]。其可以加工成緩沖材料[7]，與瓦楞紙箱等配套使用，還可以加工成集緩沖、承載為一體的EPS包裝箱。另外，EPS制品還可以根據(jù)被包裝物的形狀進(jìn)行設(shè)計(jì)。相對(duì)其他材料，EPS材料能更加充分地利用空間，壓縮包裝體積，因而在包裝防護(hù)和集裝箱利用率方面都具有明顯優(yōu)勢[8]。但是，目前EPS在汽車KD件包裝中未得到推廣應(yīng)用。針對(duì)此問題，本課題組分析了EPS在汽車KD件包裝應(yīng)用中存在的問題，并提出相應(yīng)的解決方法，從而為企業(yè)選擇KD件包裝提供參考。

1 EPS在汽車KD件包裝應(yīng)用中存在的問題

EPS材料在包裝防護(hù)和集裝箱利用率方面都具有明顯優(yōu)勢。但是，目前EPS在汽車KD件包裝應(yīng)用中存在一系列的問題。

1）投入資金高，投資風(fēng)險(xiǎn)大。汽車KD件尺寸較大，導(dǎo)致模具尺寸也較大，且部分零件要開多副模具。汽車零件種類繁多，不同車型的零件通用性低，通常一個(gè)車型需要開幾十副甚至上百副模具，這導(dǎo)致生產(chǎn)EPS包裝需要投入大量資金。受國際政治、經(jīng)濟(jì)以及汽車產(chǎn)品更新?lián)Q代等多重因素的影響，投資生產(chǎn)EPS包裝的風(fēng)險(xiǎn)也較大。

2）EPS質(zhì)量控制難度大。①包裝難以應(yīng)對(duì)海運(yùn)物流環(huán)境。汽車KD件出口大多采用海運(yùn)方式。為應(yīng)對(duì)海運(yùn)中的惡劣氣候，EPS包裝一般會(huì)做相應(yīng)的防潮防水處理，在包裝箱外使用PE（polyethylene）膜或拉伸纏繞膜做密封處理。如果EPS包裝的水分沒有揮發(fā)完畢（即含水率未降至2%以下），那么在長周期的物流過程中，包裝箱內(nèi)易形成高溫、高濕環(huán)境，在相對(duì)密封環(huán)境內(nèi)極易導(dǎo)致汽車KD件出現(xiàn)銹蝕、霉變、印痕等質(zhì)量問題。②壁厚不足。因模具模腔較深或模具注料口分布不合理，部分EPS在加工過程易出現(xiàn)進(jìn)料不充分現(xiàn)象，進(jìn)而產(chǎn)生孔洞等問題，導(dǎo)致泡沫強(qiáng)度不足。③發(fā)泡顆粒易脫落。部分EPS顆粒沒有充分熔合，導(dǎo)致發(fā)泡顆粒容易脫落。在物流、包裝過程中脫落的發(fā)泡顆粒，不僅給工廠作業(yè)環(huán)境帶來影響，甚至影響到汽車KD件包裝質(zhì)量。④EPS包裝易翹曲變形。EPS包裝一般壁厚較?。ū诤裥∮?0 mm）、高度較高（高度大于300 mm），其脫模后易出現(xiàn)翹曲變形問題。翹曲變形不僅影響包裝整體外觀，也會(huì)影響包裝的承載能力，甚至?xí)霈F(xiàn)包裝與零件干涉，導(dǎo)致零件損壞。

3）EPS廢棄物處理困難。EPS廢棄物在回收利用時(shí)存在一系列問題。EPS廢棄物不能折疊，體積大，所需存儲(chǔ)空間也大，導(dǎo)致回收再利用時(shí)運(yùn)輸和存儲(chǔ)成本較高，且脫落的泡沫顆粒難以清理。

除此之外，EPS材料具有消防安全風(fēng)險(xiǎn)。

2 EPS包裝推廣應(yīng)用措施

汽車KD件出口企業(yè)需要采取有效措施，以解決EPS應(yīng)用過程中存在的問題，充分發(fā)揮其在質(zhì)量、效率、空間利用等方面的優(yōu)勢，使企業(yè)獲取良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。因此，本課題組從降低投資風(fēng)險(xiǎn)、完善質(zhì)量管控體系、回收再利用包裝廢棄物、提高材料阻燃性能等方面提出EPS包裝推廣應(yīng)用措施。

2.1 降低投資風(fēng)險(xiǎn)

1）通過成本分析模型，遴選適合EPS包裝的KD件

EPS包裝的加工制造成本構(gòu)成比較復(fù)雜，包括原材料、模具分?jǐn)?、人工、運(yùn)輸、破損返修等費(fèi)用。根據(jù)EPS包裝的成本模型（見式（1）），企業(yè)可獲知什么條件下適合選擇EPS材料。

式中：C生產(chǎn)為原材料、模具分?jǐn)?、人工、?dòng)能、折舊、維修保養(yǎng)等費(fèi)用，其中模具分?jǐn)傎M(fèi)用與產(chǎn)量近似成反比關(guān)系；

C管理為EPS生產(chǎn)廠家投入的管理費(fèi)用；

C運(yùn)輸為供應(yīng)商將EPS送至KD件包裝現(xiàn)場的物流運(yùn)輸費(fèi)用；

C財(cái)務(wù)為由現(xiàn)金與承兌匯票交易的差異、貼息等產(chǎn)生的費(fèi)用；

C利潤為供應(yīng)商銷售收入減去投資成本的差值。

EPS包裝應(yīng)用于汽車KD件出口包裝時(shí)，其成本又與包裝人工成本、出口運(yùn)輸成本、海外工廠物流成本密切關(guān)聯(lián)。因此，企業(yè)需要根據(jù)全過程物流成本的變化情況對(duì)EPS包裝進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益評(píng)估。全過程物流成本公式為

式中：C′運(yùn)輸為KD件運(yùn)輸?shù)胶Ｍ夤S的運(yùn)輸費(fèi)用；

C人工為生產(chǎn)KD件包裝的人工成本；

C質(zhì)量為因包裝質(zhì)量產(chǎn)生的索賠、補(bǔ)發(fā)費(fèi)用；

C其它為海外工廠拆箱、分揀、包裝廢棄物處理等費(fèi)用。

由式（2）可以看出，全過程物流成本與材料、人工、運(yùn)輸、質(zhì)量等費(fèi)用密切相關(guān)，并且隨著材料的變化，其它費(fèi)用也會(huì)隨之變化。從實(shí)際情況看，汽車KD件選用EPS材料包裝，并非都具有成本優(yōu)勢，有的零件使用EPS材料包裝，反而成本較高。因此，企業(yè)可對(duì)單個(gè)零件做相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)分析，將采用EPS包裝時(shí)對(duì)應(yīng)的費(fèi)用代入式（2）中，與其它包裝材料進(jìn)行對(duì)比。如果EPS包裝的全過程物流成本大幅下降，則企業(yè)可以考慮選用EPS材料。當(dāng)然，企業(yè)除了考慮單個(gè)零件的經(jīng)濟(jì)效益，還要把單個(gè)零件放到整個(gè)汽車KD件運(yùn)輸中，結(jié)合“整體包裝”理念[9]，評(píng)價(jià)綜合效益，實(shí)現(xiàn)總體效益最大化，從而確保EPS包裝方案具有明顯優(yōu)勢，不易被其它方案取代，降低相應(yīng)的投資風(fēng)險(xiǎn)。

2）優(yōu)化EPS包裝設(shè)計(jì)

EPS材料采用模具加工制造，因而具有良好的緩沖、限位、承載能力。其包裝汽車零部件時(shí)，零件可以交錯(cuò)、重疊、互補(bǔ)放置，在空間利用率方面具有明顯優(yōu)勢。但是與紙質(zhì)材料相比，EPS材料的采購成本明顯偏高。因此，需通過選擇合適的材料密度、優(yōu)化EPS結(jié)構(gòu)等降低包裝成本。

①材料密度選擇

根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[10]，EPS泡沫材料密度分為4個(gè)類別（見表1）。

表1 EPS泡沫密度分類表Table 1 EPS foam density classification table kg/m3

用于汽車KD件包裝的EPS材料通常選擇Ⅱ類或Ⅲ類密度。用于總裝車間的汽車零部件包裝，除部分底盤件包裝，一般選用Ⅱ類密度的EPS材料；用于焊裝車間的零件及部分底盤件包裝，一般選擇Ⅲ類密度的EPS材料。EPS密度的選擇除了與零件有關(guān)，還與EPS制品的結(jié)構(gòu)、尺寸密切關(guān)聯(lián)，同時(shí)還需考慮承載要求。

②零件放置方式選擇

確定零件在EPS內(nèi)放置方式時(shí)，一方面要結(jié)合零件外形尺寸，通過相應(yīng)的交錯(cuò)、套嵌、疊放等方式，充分利用容器空間，減少材料用量；另一方面又要考慮通過合理放置方式，降低零件損壞的風(fēng)險(xiǎn)，減少對(duì)包裝防護(hù)的需求，進(jìn)而減少材料用量。對(duì)于部分風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)很小的零件，可以考慮讓內(nèi)部包裝的零件參與承載，降低EPS的防護(hù)等級(jí)。

③結(jié)構(gòu)優(yōu)化

EPS制品的型腔尺寸、造型確定后，EPS制品的結(jié)構(gòu)需進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)于泡沫體積較大的部位，應(yīng)結(jié)合承載需求，進(jìn)行局部鏤空，以減少材料用量。對(duì)泡沫體積較小的部位，應(yīng)考慮增加必要的加強(qiáng)筋，增強(qiáng)其承載能力，防止在流通過程中出現(xiàn)斷裂問題。

④緩沖EPS厚度確定

包裝汽車KD件時(shí)，EPS材料通常應(yīng)具備承載與緩沖[11]雙重作用，因此，需確定EPS材料的厚度以滿足緩沖需求。緩沖材料之所以能夠保護(hù)零件不受損壞，是因?yàn)楫?dāng)被包裝物體在運(yùn)輸過程受到?jīng)_擊時(shí)，緩沖材料能夠吸收部分能量[12-13]。

1) 閥門計(jì)算書中相關(guān)數(shù)據(jù)。閥桿所受的總力矩MΣ=19 042.19 N·m；活塞直徑DH=0.42 m；閥桿直徑dF=0.12 m；油缸容積VH=0.01 m3；主管內(nèi)徑d1=0.02 m；支管內(nèi)徑d2=0.01 m；油站出油口壓力p1=12 MPa；工藝要求的閥門開關(guān)時(shí)間tR=10 s。

EPS材料的承載能力可以通過壓縮強(qiáng)度和斷裂彎曲負(fù)荷等數(shù)據(jù)進(jìn)行測算。對(duì)于起緩沖作用的EPS襯墊，其厚度可通過下面的公式得到。

緩沖材料蓄積的能量是單位體積的緩沖材料的變形能與材料的面積和厚度的乘積，即

式（3）～（4）中：E為緩沖材料吸收的能量，J；

A為緩沖材料的面積，mm2；

t為緩沖材料的厚度，mm；

ε為單位面積緩沖材料吸收的變形能，J/mm2；

σ為單位面積緩沖材料受到的力，N/mm2。

單位面積EPS所受的力σ除以單位體積EPS所吸收的能量ε所得的商，即為EPS材料的緩沖系數(shù)C，

當(dāng)零件下落高度h遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于緩沖材料最大位移時(shí)，緩沖材料的厚度為

式中Gm為沖擊過程產(chǎn)生的最大加速度。

根據(jù)式（6），如果可以預(yù)計(jì)包裝件的下落高度，就可以測量包裝件的最大允許加速度Gm的值，已知EPS的緩沖系數(shù)C，可以計(jì)算材料所必須的最小厚度。

依據(jù)計(jì)算得到的EPS材料厚度，可以確定最經(jīng)濟(jì)、合理的EPS緩沖材料厚度。如此，既能夠滿足質(zhì)量需求，又可以防止材料過厚造成浪費(fèi)。

EPS包裝設(shè)計(jì)完成后，應(yīng)通過有限元等方法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，查找風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)、尺寸調(diào)整。結(jié)合上述包裝分析結(jié)果，優(yōu)化包裝設(shè)計(jì)后，再開展相應(yīng)的包裝試驗(yàn)工作[14-15]。包裝件通過相應(yīng)的環(huán)境、壓力、沖擊、振動(dòng)、機(jī)械搬運(yùn)等試驗(yàn)，設(shè)計(jì)師最終確定EPS包裝方案。

3）汽車出口企業(yè)與EPS供應(yīng)商建立戰(zhàn)略聯(lián)盟

通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，單個(gè)車型采用EPS包裝，所需模具在80副以上，一次性投資成本達(dá)500萬元以上。如果EPS包裝需求量不大，供應(yīng)商一般不會(huì)投資開發(fā)模具。因此，汽車出口企業(yè)應(yīng)選擇生命周期長、出口量大的KD件進(jìn)行EPS包裝，并與EPS供應(yīng)商簽訂相應(yīng)的戰(zhàn)略合作協(xié)議，消除包裝材料供應(yīng)商的投資顧慮，為EPS材料的應(yīng)用與推廣提供保障。

2.2 建立完善的質(zhì)量控制體系

如果不能很好地控制包裝質(zhì)量，EPS包裝的劣勢會(huì)更加突出，甚至給汽車KD件出口帶來災(zāi)難性的后果。其中，EPS 包裝含水率超標(biāo)和翹曲變形是重點(diǎn)解決的問題。

1）EPS材料含水率

降低EPS材料含水率主要有兩種途徑，一是自然晾干，二是加熱烘干。在規(guī)?；a(chǎn)狀態(tài)下，受交貨周期和存儲(chǔ)場地等因素限制，自然晾干難以實(shí)施。因此，批量化生產(chǎn)時(shí)，EPS制品采用烘干房烘干。如果EPS材料中的水分沒有揮發(fā)完畢（即含水率未降至2%以下），則易導(dǎo)致被包裝物出現(xiàn)質(zhì)量問題（銹蝕、霉變等）。EPS供應(yīng)商需從以下幾個(gè)方面控制EPS材料含水率。

①EPS材料堆碼方式。EPS材料一般碼放在托盤上進(jìn)入烘房。若泡沫開有通風(fēng)孔、透氣孔，則可以按照正常狀態(tài)進(jìn)行碼放。若堆碼后其型腔為封閉結(jié)構(gòu)（見圖1），則內(nèi)部空氣難以流動(dòng)，此時(shí)需選擇蒸汽易進(jìn)入EPS型腔的堆碼方式（見圖2），以提高烘干效率。

圖1 堆碼后型腔封閉狀態(tài)示意圖Fig. 1 The closed cavity after stacking

圖2 烘房內(nèi)EPS材料錯(cuò)位碼放狀態(tài)示意圖Fig. 2 Dislocation placement of EPS material in the drying room

②烘干時(shí)間。受結(jié)構(gòu)、尺寸等諸多因素的影響，不同EPS的烘干時(shí)間是不同的。企業(yè)應(yīng)先驗(yàn)證各種EPS泡沫的烘干時(shí)間，再根據(jù)此測試數(shù)據(jù)，烘干EPS泡沫。

③含水率。EPS含水率的檢測原理是通過將EPS試樣加熱至恒重，測量其質(zhì)量變化，進(jìn)而核算含水率。為防止測量誤差較大，用EPS泡沫含水率檢測專用儀器測量EPS試樣含水率。

含水率檢測時(shí)，樣件選取很關(guān)鍵。同一個(gè)EPS泡沫，不同位置的結(jié)構(gòu)不同，厚度也不同，烘干的難易程度也不同，含水率也就各不相同，因此檢測時(shí)應(yīng)選擇最難以烘干的位置進(jìn)行測量，從而確保整個(gè)泡沫含水率都能達(dá)到技術(shù)指標(biāo)要求。

2）壁厚不足、翹曲變形等問題

壁厚不足的主要原因是進(jìn)料不充分。應(yīng)通過增加注料口、注料時(shí)間、氣眼或及時(shí)更換不合格氣眼等方式加以解決。對(duì)于高度較高、壁厚較薄的EPS泡沫，脫模后需及時(shí)送入烘干房進(jìn)行烘干、定型，以防翹曲變形。加工制造時(shí)，部分EPS泡沫需增加水冷時(shí)間，以避免因水冷不足而導(dǎo)致局部發(fā)鼓、表面不平整的現(xiàn)象出現(xiàn)。

3）科學(xué)、合理的質(zhì)量跟蹤管理制度

EPS不可壓縮、折疊，體積相對(duì)較大，物流過程經(jīng)常會(huì)有移庫、轉(zhuǎn)運(yùn)等操作，使產(chǎn)品狀態(tài)信息容易混淆，后續(xù)處理時(shí)易引發(fā)質(zhì)量問題。因此，建立科學(xué)、合理的質(zhì)量跟蹤管理制度，如粘貼隨箱記錄卡和二維碼、填寫相關(guān)數(shù)據(jù)表單等，可以有效追蹤EPS材料的整個(gè)加工過程，清晰反映EPS泡沫所處的加工狀態(tài)，避免不合格產(chǎn)品流入汽車KD件包裝環(huán)節(jié)。

2.3 建立專業(yè)的EPS廢棄物回收渠道

EPS廢棄物難以降解處理，給環(huán)境造成了嚴(yán)重污染。有效處理EPS廢棄物使之再資源化，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。EPS廢棄物回收技術(shù)主要有再生利用、熱分解回收低分子化合物和焚燒回收熱能等。近些年，國內(nèi)外企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)對(duì)EPS回收利用進(jìn)行了大量的研究，其研究成果有的已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化。加拿大Pyrowave公司研發(fā)出一種新的催化微波解聚技術(shù)，將聚苯乙烯分解轉(zhuǎn)化為苯乙烯。隨后，莉薇聚合物公司、 Pyrowave公司和英力士苯領(lǐng)公司合作推出了北美聚苯乙烯回收鏈，該回收再生利用系統(tǒng)能使材料在循環(huán)經(jīng)濟(jì)中保持最佳效用和價(jià)值。我國EPS廢棄物回收技術(shù)也越來越成熟，EPS回收利用的主要途徑是將其加工處理成聚苯乙烯。從經(jīng)濟(jì)、資源、環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展來看，EPS回收再生利用不僅是一個(gè)技術(shù)問題，更是一個(gè)社會(huì)系統(tǒng)工程問題。

汽車出口企業(yè)可根據(jù)目的國EPS廢棄物回收技術(shù)的成熟情況，尋找一種有效的EPS回收方式。全球EPS泡沫顆粒市場需求不斷增長，企業(yè)可在海外工廠自行回收利用EPS廢棄物，即購買EPS回收設(shè)備，就地回收、造粒，然后將塑料粒子對(duì)外銷售，以獲取額外利潤。目前，購買EPS回收設(shè)備（見圖3）費(fèi)用在30萬元以內(nèi)。面積約為1000 m2的回收?qǐng)龅丶纯蓾M足需求，其中，設(shè)備占地面積約為100 m2，泡沫臨時(shí)存儲(chǔ)場地約為600 m2，成品粒子存儲(chǔ)場地約為50 m2。

圖3 EPS材料回收工作流程Fig. 3 Recycling work flow of EPS material

2.4 降低消防安全隱患

EPS是一種有機(jī)碳?xì)浠衔?，且為發(fā)泡多孔狀態(tài)。一般的EPS泡沫為易燃制品，易被火點(diǎn)燃，甚至遇到焊裝車間的火花，也能發(fā)生燃燒。離開火焰后，EPS材料能繼續(xù)燃燒并有濃煙和熔融滴落。可見，大規(guī)模使用EPS材料包裝汽車KD件，存在較大的消防安全隱患。

為消除EPS包裝件在流通、存儲(chǔ)、配送等環(huán)節(jié)的火災(zāi)隱患，可在EPS原料中增加阻燃劑[16]，使EPS材料具有阻燃能力（即將EPS材料點(diǎn)燃后，移走火源，3 s內(nèi)自然熄滅）。目前EPS材料的阻燃技術(shù)已經(jīng)比較成熟。環(huán)境保護(hù)部環(huán)境保護(hù)對(duì)外合作中心郭曉林等，對(duì)擠塑聚苯乙烯泡沫塑料的阻燃技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢作了深入研究。北京化工大學(xué)炭纖維及功能高分子教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張勝等，對(duì)聚苯乙烯泡沫塑料阻燃方法、工藝過程等進(jìn)行了較為詳細(xì)的闡述。因此，企業(yè)可以根據(jù)EPS阻燃性能要求，為汽車KD件包裝選取擇合適的EPS阻燃原料。

3 結(jié)語

本課題組分析了EPS包裝材料在汽車KD件出口包裝中的應(yīng)用現(xiàn)狀，并提出了相應(yīng)的解決方案。1）利用成本模型進(jìn)行相關(guān)經(jīng)濟(jì)分析，選擇適合采用EPS包裝的零件。從密度、零件放置方式、結(jié)構(gòu)和厚度等方面優(yōu)化EPS包裝設(shè)計(jì)，減輕其質(zhì)量，降低成本。此外，汽車出口企業(yè)與EPS供應(yīng)商建立戰(zhàn)略聯(lián)盟，降低EPS供應(yīng)商的投資風(fēng)險(xiǎn)。2）從含水率、壁厚、質(zhì)量跟蹤等方面完善EPS材料的質(zhì)量控制體系。3）汽車出口企業(yè)可在海外工廠建立專業(yè)的EPS廢棄物回收渠道，增加額外利潤。4）通過在EPS原料中增加阻燃劑，降低EPS材料的消防安全隱患。

EPS材料擁有良好的質(zhì)量保障體系后，可在汽車KD件出口包裝中推廣應(yīng)用。在應(yīng)用過程中，還需要結(jié)合具體的包裝方案進(jìn)行分析、驗(yàn)證，避免出現(xiàn)新的問題，影響被包裝件質(zhì)量。