ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΙΓΑΙΟΥ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΣΧΕΔΙΑΣΗΣ ΠΡΟΙΟΝΤΩΝ ΚΑΙ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΙΓΑΙΟΥ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΣΧΕΔΙΑΣΗΣ ΠΡΟΙΟΝΤΩΝ ΚΑΙ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΜΕΛΕΤΗ ΚΑΙ ΑΝΑΛΥΣΗ STAND ΕΚΘΕΣΗΣ ΠΡΟΙΟΝΤΟΣ ΑΠΟ ΧΑΡΤΙΝΟ ΚΥΨΕΛΟΕΙΔΕΣ PANEL ΚΟΥΖΕΛΗ ΕΙΡΗΝΗ Α.Μ.511/ ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ Π.ΠΑΠΑΝΙΚΟΣ ΜΕΛΗ ΕΠΙΤΡΟΠΗΣ Ν.ΖΑΧΑΡΟΠΟΥΛΟΣ, Β.ΜΟΥΛΙΑΝΙΤΗΣ 1

2 2

3 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Κατά την εκπόνηση της συγκεκριμένης εργασίας πραγματοποιήθηκε μια μελέτη σχετικά με το χαρτί και το κυματοειδές χαρτόνι. Αρχικά αναλύθηκαν τα συστατικά του χαρτιού, ο τρόπος παραγωγής και επεξεργασίας του και οι μηχανικές ιδιότητες του. Στην συνέχεια μελετήθηκε το κυματοειδές χαρτόνι ως υλικό. Περιεγράφηκε η σύσταση του, ο τρόπος παραγωγής και επεξεργασίας του, τα είδη των κυματοειδών διαμορφώσεων που υπάρχουν, οι μηχανικές ιδιότητες του, καθώς και οι εφαρμογές του σε διάφορους τομείς. Με βάση την μελέτη αυτή, σχεδιάστηκε ένα stand έκθεσης προϊόντων από κυματοειδές χαρτόνι. Το stand σχεδιάστηκε για την τοποθέτηση και έκθεση συσκευασιών λουκουμιών. Βασικός περιορισμός στον σχεδιασμό ήταν η μη χρήση εξωτερικών εξαρτημάτων για την ένωση των στοιχείων του stand, αλλά η σύνδεση των μεταξύ τους στοιχείων με κατάλληλη διαμόρφωση των άκρων του κυματοειδούς χαρτονιού. Σχεδιάστηκαν τρία διαφορετικά concept που αφορούν τρεις διαφορετικούς τρόπους σύνδεσης μεταξύ των panel χαρτοκυψέλης. Στην συνέχεια μελετήθηκε η μηχανική συμπεριφορά των τριών concept. Στην συνέχεια μελετήθηκε η μηχανική συμπεριφορά των panel χαρτοκυψέλης με σκοπό την εύρεση των μηχανικών ιδιοτήτων τους. Οι ιδιότητες αυτές χρησιμοποιήθηκαν στην ανάλυση των τριών concept, με σκοπό να επιλεγεί η βέλτιστη σύνδεση μεταξύ των στοιχείων του stand. 3

4 ΣΚΟΠΟΣ Η παρούσα διπλωματική μελετά το χαρτί και το κυματοειδές χαρτόνι ως υλικό, με σκοπό την εφαρμογή του κυματοειδούς χαρτονιού στον σχεδιασμό ενός stand έκθεσης προϊόντων και την εξαγωγή στοιχείων που αφορούν την μηχανική συμπεριφορά του stand, αποκαλύπτοντας παράλληλα τις δυνατότητες του υλικού σε ανάλογες εφαρμογές. ΔΟΜΗ Η συγκεκριμένη εργασία έχει χωριστεί σε τρία κεφάλαια. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια μελέτη σχετικά με το χαρτί και το κυματοειδές χαρτόνι προκειμένου να αναλυθεί το κυματοειδή χαρτόνι ως υλικό. Περιγράφονται τα βασικά συστατικά τους, οι μέθοδοι παραγωγής τους, οι εφαρμογές τους και οι μηχανικές τους ιδιότητες. Στο δεύτερο κεφάλαιο περιγράφεται η διαδικασία της σχεδίασης ενός stand έκθεσης προϊόντων από κυματοειδή χαρτόνι. Σχεδιάζονται τρία διαφορετικά concept, οπού το καθένα εξετάζει έναν διαφορετικό τρόπο σύνδεσης μεταξύ των στοιχείων του stand. Στο τρίτο κεφάλαιο εξετάζεται η μηχανική συμπεριφορά των συνδέσεων των concept αυτών, προκειμένου να εξαχθούν συμπεράσματα σχετικά με την καλύτερη συνδεσμολογία. 4

5 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1.ΕΙΣΑΓΩΓΗ/ΧΑΡΤΙ ΚΑΙ ΚΥΜΑΤΟΕΙΔΕΣ ΧΑΡΤΟΝΙ ΧΑΡΤΙ ΣΥΣΤΑΤΙΚΑ ΤΟΥ ΧΑΡΤΙΟΥ ΔΙΑΧΩΡΙΣΜΟΣ ΙΝΩΝ ΑΠΟ ΤΟ ΞΥΛΟ (ΠΟΛΤΟΠΟΙΗΣΗ) ΠΡΟΕΤΟΙΜΑΣΙΑ ΑΠΟΘΕΜΑΤΩΝ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ ΤΟΥ ΧΑΡΤΙΟΥ ΣΤΗΝ ΜΗΧΑΝΗ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΧΑΡΤΙΟΥ ΚΥΜΑΤΟΕΙΔΕΣ ΧΑΡΤΟΝΙ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΚΥΜΑΤΟΕΙΔΟΥΣ ΧΑΡΤΟΝΙΟΥ ΙΣΤΟΡΙΚΑ ΤΥΠΟΙ ΚΥΜΑΤΟΕΙΔΟΥΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ ΠΟΙΟΤΗΤΕΣ ΧΑΡΤΙΟΥ ΠΟΥ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΟΥΝΤΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ ΕΚΤΥΠΩΣΗΣ ΣΤΟ ΧΑΡΤΟΝΙ (LAMINATION) ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΚΥΜΑΤΟΕΙΔΟΥΣ ΧΑΡΤΟΝΙΟΥ ΜΕΛΛΟΝΤΙΚΗ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΚΑΙ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΧΑΡΤΟΝΙΟΥ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ STAND ΕΚΘΕΣΗΣ ΠΡΟΙΟΝΤΩΝ STAND ΕΚΘΕΣΗΣ ΠΡΟΙΟΝΤΟΣ ΒΑΣΙΚΕΣ ΠΡΟΔΙΑΓΡΑΦΕΣ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΓΕΝΙΚΟΙ ΤΡΟΠΟΙ ΣΥΝΔΕΣΗΣ ΠΑΝΕΛ ΑΠΟ ΚΥΜΑΤΟΕΙΔΕΣ ΧΑΡΤΟΝΙ ΣΥΝΔΕΣΜΟΙ ΠΟΥ ΣΧΕΔΙΑΣΤΗΚΑΝ ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΚΑΙ ΑΝΑΛΥΣΗ ΣΥΝΔΕΣΕΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΤΩΝ ΠΑΝΕΛ ΔΟΜΙΚΗ ΣΥΓΚΛΙΣΗΣ ΠΑΡΑΜΕΤΡΙΚΕΣ ΑΝΑΛΥΣΕΙΣ ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΣΗ ΤΑΣΕΩΝ ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΣΥΝΔΕΣΕΩΝ ΑΝΑΦΟΡΕΣ

6 6

7 1.ΕΙΣΑΓΩΓΗ/ΧΑΡΤΙ ΚΑΙ ΚΥΜΑΤΟΕΙΔΕΣ ΧΑΡΤΟΝΙ 1.1 ΧΑΡΤΙ Το χαρτί είναι ένα υλικό που αποτελείται από ένα αλληλένδετο, τρισδιάστατο δίκτυο κυτταρινικών ινών που προέρχονται από ξύλο ή άλλες παρόμοιες φυσικές πηγές. Εκτός από τις ίνες, συνήθως περιέχει επιπλέον πρόσθετες ύλες που σκοπό έχουν να βελτιώσουν τις φυσικές και μηχανικές ιδιότητες του χαρτιού. Η προέλευση των ινών και ο τρόπος επεξεργασίας τους για την παραγωγή του χαρτιού καθορίζουν τις ιδιότητες του χαρτιού. Οι κυτταρινικές ίνες μπορεί να προέρχονται είτε από πρωτογενή, παρθένες ύλες, που προέρχονται από ξύλο, είτε από δευτερογενή ύλες που προέρχονται από ανακυκλωμένο χαρτί και χαρτόνι ΣΥΣΤΑΤΙΚΑ ΤΟΥ ΧΑΡΤΙΟΥ ΠΡΩΤΟΓΕΝΕΙΣ ΙΝΕΣ Οι ιδιότητες των πρωτογενών ινών εξαρτώνται από το είδος του δέντρου από το οποίο προήλθαν οι ίνες. Η ευελιξία, το σχήμα και η διάσταση των ινών επηρεάζουν την ικανότητα τους να σχηματίσουν ένα ομοιόμορφο πεπλεγμένο δίκτυο. Δέντρα που έχουν σχετικά μακριές ίνες όπως έλατο, πεύκο (κωνοφόρα είδη), παρέχουν μεγαλύτερη αντοχή, σκληρότητα και καλύτερη δομή. Δέντρα που έχουν κοντύτερες ίνες, όπως σημύδα, ευκάλυπτο, ακακία (φυλλοβόλα είδη), δίνουν χαμηλότερη πυκνότητα, εγγύτητα της υφής και απαλότερη επιφάνεια. Το μεγαλύτερο μήκος ινών, πρωτογενούς προέλευσης, που χρησιμοποιείται σήμερα στην βιομηχανία χαρτιού είναι 3-4 mm, ενώ το μικρότερο μήκος ινών είναι 1-1.5mm. Η ίνα τείνει να έχει σχήμα κορδέλας, μήκους περίπου 30 microns και είναι ορατή με γυμνό μάτι. ΔΕΥΤΕΡΟΓΕΝΕΙΣ ΙΝΕΣ Υπάρχουν διαφορετικές ποιότητες δευτερογενών ινών (ανακυκλωμένες ίνες), ανάλογα με την φύση της αρχικής ίνας, το πως επεξεργάστηκε και πως χρησιμοποιήθηκε ως προϊόν χαρτιού (Εικ.1.1). Κάθε φορά που το χαρτί αναπολτοποιείται και ανακυκλώνεται το μέσο μήκος των ινών και ο βαθμός διασύνδεσης μεταξύ τους μειώνεται. Αυτό, σε συνδυασμό με το γεγονός ότι πολλοί τύποι χαρτιού δεν μπορούν να ανακυκλωθούν λόγω της φύσης της χρήσης τους, σημαίνει ότι κάθε πρωτογενή ίνα που εισάγεται στην αγορά θα πρέπει να κατασκευάζεται ώστε να διατηρεί την ποιότητα και την πυκνότητα της. Υπάρχουν διαφορετικές ταξινομήσεις, ανάλογα με τον τύπο και την πηγή προέλευσης του ανακυκλωμένου χαρτιού/χαρτονιού, που αντικατοπτρίζουν την αξία επαναχρησιμοποίησης του (π.χ. ροκανίδια=υψηλή αξία ανακύκλωσης, εφημερίδα=μεσαία αξία ανακύκλωσης, μίξη ανακτημένου χαρτιού και χαρτονιού= χαμηλή αξία ανακύκλωσης). Στην Ευρώπη έχει αναπτυχθεί λίστα ταξινόμησης, πιστοποιημένη από τις βιομηχανίες όπου αναγράφονται 57 βαθμοί ταξινόμησης. 7

8 Εικόνα 1.1 Παραγωγή πολτού από δευτερογενή ίνες ΠΡΟΣΘΕΤΕΣ ΥΛΕΣ Εκτός από τις ίνες, που αποτελούν περίπου το 88% της πρώτης ύλης του χαρτιού, χρησιμοποιούνται επιπλέον πρόσθετες ύλες οι οποίες μεταβάλλουν τις φυσικές και μηχανικές ιδιότητες του χαρτιού. Αυτές οι ύλες είναι: μεταλλικές χρωστικές ουσίες για την επικάλυψη της επιφάνειας, υλικά πλήρωσης, υλικά εσωτερικής ταξινόμησης, πρόσθετα για αντοχή και δύναμη, πρόσθετα για στίλβωση της επιφάνειας και χημικές ουσίες που διευκολύνουν την διαδικασία της παραγωγής του χαρτιού. -Η επικάλυψη του χαρτιού με μεταλλικές χρωστικές ουσίες ελέγχουν την εμφάνιση της επιφάνειας, την ομαλότητα, την γυαλάδα και την ικανότητα εκτύπωσης. Η χρωστική ουσία μπορεί να είναι είτε ανθρακικό ασβέστιο, είτε καολίνη, είτε διοξείδιο του τιτανίου. -Τα υλικά πλήρωσης είναι λευκά, ανόργανα υλικά που γεμίζουν τους πόρους του χαρτιού και αυξάνουν την αδιαφάνεια, την λευκότητα και την ομαλότητα του χαρτιού. -Εσωτερική ταξινόμηση είναι η τεχνική με την οποία η επιφάνεια των ινών κυτταρίνης, που φυσικά απορροφούν το νερό, κατεργάζονται για να καταστούν υδατοαπωθητικές. Το υλικό που χρησιμοποιείται για την τεχνική αυτή είναι κόλλα που προέρχεται από ρετσίνι πεύκου και θειικό αργίλιο. -Για την αύξηση της δύναμης και της αντοχής του χαρτιού χρησιμοποιείται άμυλο, το οποίο ενισχύει την εσωτερική διασύνδεση των ινών. -Το άμυλο επιπλέον χρησιμοποιείται ως ένα είδος κόλλας στην επιφάνεια του χαρτιού με σκοπό να κάνει πιο δυνατή και ανθεκτική την επιφάνεια του. Επίσης προετοιμάζει το χαρτί πριν την επικάλυψη με χρωστική ουσία. Άλλα πρόσθετα που χρησιμοποιούνται για την καλύτερη απόδοση της επιφάνειας του χαρτιού είναι κερί και ακρυλικές ρητίνες. -Οι χημικές ουσίες που χρησιμοποιούνται στην διαδικασία της παραγωγής είναι κυρίως αντί αφρώδης ουσίες, βιοκτόνα και ρητίνες ξύλου. 8

9 1.1.2 ΔΙΑΧΩΡΙΣΜΟΣ ΙΝΩΝ ΑΠΟ ΤΟ ΞΥΛΟ (ΠΟΛΤΟΠΟΙΗΣΗ) Στα δέντρα, οι ίνες κυτταρίνης αναμειγνύονται μαζί με ένα σκληρό, εύθρυπτο υλικό γνωστό ως λιγνίνη, ένα συγκρότημα πολυμερών, το οποίο σχηματίζει μέχρι και το 30% του δέντρου. Ο διαχωρισμός των ινών από το ξύλο είναι γνωστός ως πολτοποίηση. Η μέθοδος μπορεί να βασίζεται είτε σε μηχανικές είτε σε χημικές μεθόδους. Με τη Μηχανική πολτοποίηση, ασκείται μηχανική δύναμη στο ξύλο με σύνθλιψη ή άλεση, γεγονός που παράγει θερμότητα και μαλακώνει την λιγνίνη διαχωρίζοντας έτσι τις μεμονωμένες ίνες. Η παρουσία της λιγνίνης στην επιφάνεια και εντός των ινών τις καθιστά σκληρές, άκαμπτες και σταθερές. Αυτό σχετίζεται με το γεγονός ότι οι ίνες κυτταρίνης απορροφούν την υγρασία από την ατμόσφαιρα όταν η σχετική υγρασία είναι υψηλή, ενώ χάνουν υγρασία όταν η σχετική υγρασία είναι χαμηλή. Αυτό συνοδεύεται από μεταβολές των διαστάσεων οι οποίες μειώνονται εάν η ίνα επιχρίεται με ένα υλικό όπως η λιγνίνη. Ο βαθμός συγκόλλησης των ινών δεν είναι υψηλός. Φύλλα κατασκευασμένα από μηχανικώς διαχωρισμένες ίνες έχουν χαμηλή πυκνότητα, δηλαδή ένα σχετικά χαμηλό βάρος ανά μονάδα περιοχής για ένα δεδομένο πάχος. Η εικόνα 1.2 απεικονίζει την παραγωγή μηχανικώς διαχωρισμένου πολτού. Εικόνα 1.2 Παραγωγή μηχανικώς διαχωρισμένου πολτού Ξύλο σε μορφή ροκανιδιού μπορεί να θερμαίνεται πριν από την πολτοποίηση και σε αυτήν την περίπτωση ο πολτός είναι γνωστός ως θερμομηχανικός πολτός (ΤΜΡ). Όταν αυτός συνοδεύεται από μια περιορισμένη χημική επεξεργασία για την απομάκρυνση μέρους της λιγνίνης ονομάζεται χημικοθερμομηχανικός πολτός (CTMP). O μηχανικός πολτός διατηρεί το χρώμα του αυθεντικού ξύλου ενώ ο CTMP έχει πιο ανοιχτό χρώμα. H Χημική πολτοποίηση χρησιμοποιεί χημικές ουσίες για το διαχωρισμό της ίνας μέσω διάλυσης των μη-κυτταρικών και μη ινωδών συστατικών του ξύλου (Εικ.1.3). 9

10 Υπάρχουν δύο κύριες διαδικασίες που χαρακτηρίζονται από τα ονόματα των τύπων των χημικών ουσιών που χρησιμοποιούνται. Η πρώτη, είναι η μέθοδος των θειικών, επίσης γνωστή ως η διαδικασία Kraft. Χρησιμοποιείται ευρύτατα σήμερα, καθώς μπορεί να επεξεργαστεί όλα τα βασικά είδη ξύλου και επειδή οι χημικές ουσίες μπορούν να ανακτηθούν και να επαναχρησιμοποιηθούν. Μια άλλη διαδικασία που χρησιμοποιείται είναι η διαδικασία του θειώδους άλατος. Και στις δύο διαδικασίες, τα μη-κυτταρικά και τα μη ινώδη υλικά που εξάγονται από το ξύλο χρησιμοποιούνται ως η κύρια πηγή ενέργειας στη μονάδα χαρτοπολτού. Ο χημικά διαχωρισμένος πολτός περιλαμβάνει το 65% της παρθένου παραγωγής ινών. Έχει μικρότερη απόδοση από το μηχανικώς διαχωρισμένο πολτό, κάτι που οφείλεται στο γεγονός ότι τα μη κυτταρικά συστατικά του ξύλου έχουν αφαιρεθεί. Αυτό οδηγεί σε υψηλότερο βαθμό σύνδεσης των διαφόρων ινών. Επιπλέον, το μέσο μήκος των ινών ξύλου του ίδιου είδους είναι μεγαλύτερο από τις μηχανικά διαχωρισμένες ίνες. Επίσης, είναι πιο ευέλικτο. Οι παράγοντες αυτοί οδηγούν σε ένα ισχυρότερο και πιο εύκαμπτο χαρτί του οποίου το χρώμα είναι καφέ.[2] Εικόνα 1.3 Διαδικασία χημικής πολτοποίησης 10

11 1.1.3 ΠΡΟΕΤΟΙΜΑΣΙΑ ΑΠΟΘΕΜΑΤΩΝ Η προετοιμασία των ινών για την κατασκευή του χαρτιού είναι γνωστή ως «προετοιμασία των αποθεμάτων». Στο στάδιο αυτό, οι ιδιότητες των ινών μπορεί να τροποποιηθούν με την επεξεργασία και τη χρήση προσθέτων. Με τον τρόπο αυτό, με τη χρήση διαφορετικών τεχνικών παράγονται τροποποιημένοι πολτοί που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να φτιαχτούν διαφορετικά είδη χαρτιών όπως στυπόχαρτο, χάρτινη σακούλα ή λαδόκολλα. Η επιφανειακή δομή των ινών μπορεί να τροποποιηθεί με ελεγχόμενο τρόπο με μηχανική κατεργασία σε νερό. Η προετοιμασία του πολτού των ινών γίνεται με το πέρασμα τους μεταξύ ενός περιστρεφόμενου και ενός σταθερού κυλίνδρου. Η διαδικασία αυτή επηρεάζει το σχήμα, το μέγεθος, τη διανομή και την φυσική κατάσταση των ινών του πολτού. Οι ίνες γίνονται περισσότερο εύκαμπτες (ινιδισμός) και ελαστικές και αυξάνουν την ικανότητα τους να συγκρατούν το νερό. Οι εύκαμπτες ίνες κολλάνε πιο εύκολα μεταξύ τους και η ενυδάτωση βοηθάει στον σχηματισμό δεσμών υδρογόνου. Χαρτιά που δεν έχουν υποστεί την παραπάνω κατεργασία έχουν μικρότερη αντοχή και είναι πορώδη και ακατάλληλα για τις περισσότερες χρήσεις.[3] ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ ΤΟΥ ΧΑΡΤΙΟΥ ΣΤΗΝ ΜΗΧΑΝΗ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ Πριν ξεκινήσει η διαδικασία της διαμόρφωσης του χαρτιού στην μηχανή, το ομογενές μείγμα που έχει σχηματιστεί καθαρίζεται για την απομάκρυνση των ακαθαρσιών και των ενωμένων ινών. Η διαδικασία της διαμόρφωσης ξεκινά με το πέρασμα από μεταλλικά πλέγματα μεγάλου μήκους, όπου μεγάλη ποσότητα του νερού απομακρύνεται, επιτρέποντας στις ίνες να σχηματίσουν ένα επίπεδο φύλλο, υγρασίας 80-86%. Στη συνέχεια το φύλλο υπόκειται σε μια διεργασία υψηλής πίεσης, μειώνοντας περαιτέρω το επίπεδο της υγρασίας περίπου στο 60%. Έπειτα το φύλλο αυτό περνά από κυλινδρικά θερμικά πλέγματά, όπου υπό υψηλή πίεση και θερμοκρασία ξηραίνεται ακόμα περισσότερο, μέχρι τα επίπεδα της υγρασίας να φτάσουν το 8% περίπου. Τέλος, οδηγείται στη μηχανή περιτύλιξης και κοπής, όπου θα κοπεί σε ρολά χαρτιού συγκεκριμένου βάρους, τα οποία θα οδηγηθούν στην μεταποιητική μηχανή για παραγωγή του τελικού προϊόντος. Κατά τον σχηματισμό του φύλλου χαρτιού, οι ίνες τείνουν να ευθυγραμμίζονται προς την κατεύθυνση της κίνησης κατά μήκος της μηχανής. Αυτή η κατεύθυνση είναι γνωστή ως κατεύθυνση της μηχανής (MD). Ελάχιστες ίνες ευθυγραμμίζονται στην κατεύθυνση που δημιουργεί ορθή γωνία με την MD και ονομάζεται εγκάρσια διεύθυνση (CD).[2] 11

12 1.1.5 ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΧΑΡΤΙΟΥ Όλες οι μηχανικές ιδιότητες του χαρτιού είναι αποτέλεσμα της συμπεριφοράς των δικτύων των κυτταρινικών του ινών. Ένας κύριος παράγοντας είναι οι μηχανικές ιδιότητες των ίδιων των ινών, ενώ ένας δευτερεύον παράγοντας είναι οι σύνδεσμοι μεταξύ των μονών ινών. Μια σημαντική ιδιότητα του χαρτιού που κατασκευάζονται με την χρήση μηχανημάτων είναι ο προσανατολισμός των ινών στο δίκτυο τους. Λόγω της κατεύθυνσης λειτουργίας των μηχανημάτων στα στάδια κατεργασίας (στεγνώματος ή στα στάδια που ασκούνται τάσεις πάνω στα φύλλα) η πλειονότητα των ινών αποκτά αυτή την κατεύθυνση της λειτουργίας των μηχανημάτων, κάτι το οποίο οδηγεί το τελικό φύλλο χαρτιού να έχει μια κατευθυντική συμπεριφορά. Το χαρτί παρουσιάζει μηχανικές και φυσικές ιδιότητες που είναι εμφανώς διαφορετικές στις τρεις ορθογωνικές κατευθύνσεις. ΒΑΡΟΣ ΧΑΡΤΙΟΥ Μια από τις πιο συνηθισμένες εμπορικές προδιαγραφές του χαρτιού είναι το βάρος ή μάζα ανά μονάδα επιφάνειας (grammage, basis weight) σε g/m 2. Αρχικά, ο όρος basis weight αντιστοιχούσε στο βάρος μιας δεσμίδας χαρτιών (συνήθως 480 ή 500 φύλλων) συγκεκριμένων διαστάσεων. Επειδή ο όρος αυτός δημιουργούσε σύγχυση και απαιτούσε υπολογισμούς για τη σύγκριση χαρτιών διαφορετικών διαστάσεων, στη συνέχεια ταυτίστηκε με το βάρος ανά μονάδα επιφάνειας (grammage), το οποίο προσδιορίζεται με απλή μέτρηση του βάρους και της επιφάνειας του χαρτιού. Σήμερα το βάρος ανά μονάδα επιφάνειας μετράτε συνεχώς κατά την παραγωγή του χαρτιού στη χαρτοποιητική μηχανή, ώστε να ελέγχεται άμεσα η ποιότητα του προϊόντος. Το βάρος χαρτιού για τα χαρτιά που διαθέτουν δομή είναι εύρους 80 ως 300 g / m2[3]. Για ένα δεδομένο χαρτί ή χαρτόνι, οι περισσότερες από τις ιδιότητες που σχετίζονται με την αντοχή, αυξάνονται με την αύξηση του βάρους. Αυτό έχει επίσης εμπορικές επιπτώσεις, καθώς για ένα συγκεκριμένο προϊόν από χαρτί ή από χαρτόνι, όσο υψηλότερο είναι το βάρος του, τόσο μικρότερος είναι ο αριθμός των συσκευασιών από ένα δεδομένο βάρος υλικού συσκευασίας. Μεγαλύτερο βάρος σημαίνει περισσότερες ίνες ανά μονάδα επιφάνειας και οι περισσότερες ίνες απαιτούν την απομάκρυνση περισσότερου νερού και χαμηλότερη παραγωγή χαρτιού ή χαρτονιού[2]. 12

13 ΠΑΧΟΣ ΧΑΡΤΙΟΥ Το χαρτί είναι ένα λεπτό, σχεδόν δισδιάστατο υλικό. Το πάχος του εξαρτάται από διάφορους παράγοντες, όπως η περιεκτικότητα σε υγρασία, το ραφινάρισμα και γενικά η επεξεργασία των επιφανειών. Το πάχος μετράτε είτε σε millimeter (0,001 χιλιοστά ή Μ) ή σε σημεία (1 σημείο είναι 0,001 in. ή ένα χιλιοστό της ίντσας). Το πάχος των χαρτιών έχει εύρος από 0.1 mm έως 1.5 mm και το χαρτί με το μεγαλύτερο πάχος λέγεται χαρτόνι. Το χαρτί και το χαρτόνι, είναι ινώδεις δομές και συμπιέσιμες, επομένως το βάρος του μετριέται με ένα μικρόμετρο αμυδρού μεγέθους, το οποίο εφαρμόζει ένα σταθερό βάρος πάνω σε μια σταθερή περιοχή. Για ειδικά χαρτιά και χαρτόνια, το πάχος αυξάνεται όσο αυξάνεται το βάρος και συνεπώς αυξάνονται και οι ιδιότητες που σχετίζονται με την αντοχή[15]. ΠΥΚΝΟΤΗΤΑ Η φαινομενική πυκνότητα είναι ο λόγος του βάρους ανά μονάδα επιφάνειας προς το πάχος του χαρτιού. Γενικά, το χαρτί με μεγαλύτερο βάρος έχει και μεγαλύτερη πυκνότητα, με κάποιες εξαιρέσεις όπως είναι για παράδειγμα τα χνουδωτά χαρτιά. Οι τιμές της ποικίλλουν από 0,5 g/cm 3 για τα χαρτιά με χαμηλό βαθμό διασύνδεσης των ινών (bulky) έως 0,75 g/cm 3 για τα χαρτιά με υψηλό βαθμό διασύνδεσης (highly bonded). Ορισμένα χαρτιά (όπως το glassine) εμφανίζουν πολύ υψηλή πυκνότητα ίση με 1-1,4 g/cm 3, ενώ άλλα (όπως τα κρεπαρισμένα χαρτιά συσκευασίας) πολύ χαμηλή, έως 0,1g/cm 3. Το αντίστροφο μέγεθος της φαινόμενης πυκνότητας είναι ο ειδικός όγκος (bulk), ο οποίος εκφράζει τον όγκο (σε cm 3 ) 1 gχαρτιού.[2] ΕΦΕΛΚΥΣΤΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ Ο όρος μηχανική αντοχή του χαρτιού ή της χαρτομάζας περιγράφει τη συμπεριφορά ενός δοκιμίου χαρτιού ή χαρτομάζας στην επίδραση διαφόρων τάσεων. Τάση ονομάζεται ο λόγος της δύναμης προς το εμβαδόν της επιφάνειας στην οποία ασκείται. Όταν η δύναμη έχει τέτοια διεύθυνση, ώστε να προκαλεί έκταση του υλικού, η ασκούμενη τάση ονομάζεται τάση εφελκυσμού (tensile stress) και το δοκίμιο επιμηκύνεται. Το χαρτί εμφανίζει μεγάλη αντοχή σε εφελκυσμό. Η εφελκυστική αντοχή εξαρτάται από την αντοχή των μονών κυτταρινικών ινών και των συνδέσμων μεταξύ των ινών. Σε μικρές φορτίσεις, το χαρτί παρουσιάζει γραμμική συμπεριφορά τάσης παραμόρφωσης. Σε υψηλότερες φορτίσεις, η κλίση μειώνεται σταδιακά μέχρι την αστοχία. Η εφελκυστική σχέση τάσης παραμόρφωσης συνήθως υπολογίζεται με την χρήση μιας διγραμμικής καμπύλης (Εικόνα1.4)[4]. Η αστοχία σε εφελκυσμό οφείλεται στην τοπική διαταραχή των συνδέσμων που συνδυάζεται με την αστοχία των ινών. Η περιοχή της αστοχίας στην συνέχεια επεκτείνεται μέχρι να επιτευχθεί καθολική αστοχία στο χάρτινο φύλλο. Η εφελκυστική αντοχή του χαρτιού στην κατεύθυνση MD (machine direction) είναι 13

14 υψηλότερη από την CD (cross direction), κάτι το οποίο οφείλεται στον προσανατολισμό των κυτταρινικών ινών κατά την κατεύθυνση λειτουργίας των μηχανών. Η αντοχή σε εφελκυσμό των δομημένων χαρτιών ποικίλει από 9ΜΡa έως 35ΜΡa στην κατεύθυνση CD ενώ στην κατεύθυνση MD είναι υψηλότερη και ποικίλει από 17 ΜΡa έως και πάνω από 75 ΜΡa.[5,6,7,8] Οι τιμές του μέτρου ελαστικότητας ποικίλουν από 2000 ΜΡa έως και ΜΡa, μια τυπική τιμή για ένα δομημένο χαρτί είναι περίπου 5000 ΜΡa στην κατεύθυνση MD και 2500 ΜΡa στην κατεύθυνση CD[9]. Τέλος ο λόγος Poisson κυμαίνεται από 0.17 έως 0.5[10,11]. Εικόνα 1.4 Καμπύλη τάσης παραμόρφωσης σε θλίψη, εφελκυσμό και διάτμηση ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΚΑΜΨΗΣ Ακαμψία του χαρτιού χαρακτηρίζεται η αντίστασή του στις δυνάμεις που προσπαθούν να το κάμψουν ή να το καμπυλώσουν. Είναι πολύ σημαντική για τη λειτουργικότητα αρκετών ειδών χαρτιού. Η ακαμψία είναι από τις σημαντικότερες ιδιότητες του χαρτονιού συσκευασίας. Τα κουτιά πρέπει να παραμένουν άκαμπτα και να μην παραμορφώνονται, όταν είναι γεμάτα με προϊόντα, όταν δέχονται βάρη ή τοποθετούνται το ένα επάνω στο άλλο. Κάποιος βαθμός ακαμψίας είναι απαραίτητος κατά την τροφοδοσία του χαρτιού σε μορφή φύλλων σε διάφορα εκτυπωτικά μηχανήματα. Αντίθετα, ορισμένα είδη χαρτιού (όπως τα χαρτιά υγιεινήςκαθαριότητας) πρέπει να είναι μαλακά και εύκαμπτα. Οι ετικέτες πρέπει να είναι σχετικά εύκαμπτες, ώστε να προσαρμόζονται εύκολα σε μη επίπεδες επιφάνειες. Οι 14

15 κυριότεροι παράγοντες που επηρεάζουν την ακαμψία του χαρτιού είναι το πάχος, η πυκνότητα και η υγρασία του, η επιφανειακή επεξεργασία του χαρτιού (με άμυλο ή κηρούς), το μέτρο ελαστικότητας Young της χαρτομάζας, οι τάσεις κατά τη διαδικασία ξήρανσης του χαρτιού, η διασύνδεση και ο προσανατολισμός των ινών. Η καμπύλη παραμόρφωσης (κάμψης) σε σχέση με την ροπή κάμψης του χαρτιού είναι γραμμική. Αυτό ακολουθείται από μια περίοδο μη γραμμικής συμπεριφοράς. Στην κατεύθυνση MD η αστοχία πραγματοποιείται ξαφνικά, γεγονός που οφείλεται στην κατεύθυνση των ινών. Αντίθετα, στην κατεύθυνση CD επιτυγχάνεται μια μέγιστη ροπή κάμψης και διατηρείται με την αύξηση της καμπυλότητας. [11] (Εικ.1.5) Η ακαμψία στη κατεύθυνση CD είναι δύο με τέσσερις φορές μικρότερη από την ακαμψία στην κατεύθυνση MD, εξαιτίας της κατεύθυνσης των ινών. [11]. Η καμπτική ακαμψία του χαρτιού εξαρτάται από το πάχος του, το βάρος του και από το μέτρο ελαστικότητας. Αστοχία σε κάμψη οφείλεται από την κάμψη των ινών κατά τις θλιπτικές ενέργειες των χάρτινων φύλλων. Η επάλειψη της επιφάνειας με κόλα μπορεί να βελτιώσει την ακαμψία σε κάμψη του χαρτιού λόγω του υψηλού μέτρου ελαστικότητας της κόλας. [12] Εικόνα 1.5 Καμπύλη τάσης κάμψης-παραμόρφωσης κάμψης του χαρτιού ΘΛΙΠΤΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ Μια άλλη μηχανική ιδιότητα που σχετίζεται εν μέρει με την ακαμψία, είναι η αντοχή στη θλίψη (compression strength), η οποία εξετάζεται κυρίως στην περίπτωση των χαρτονιών για παραγωγή χαρτοκιβωτίων. Η ιδιότητα αυτή προσδιορίζει ουσιαστικά την ικανότητα των κιβωτίων να ανθίστανται στην ανάπτυξη στατικών φορτίων από την επίδραση του βάρους των κιβωτίων και του περιεχομένου 15

16 τους κατά την τοποθέτηση και παραμονή του ενός πάνω στο άλλο (stacking strength) για μεγάλα χρονικά διαστήματα. H καμπύλη τάσης παραμόρφωσης σε θλίψη παρουσιάζει μια γραμμική κλίση σε μικρές δυνάμεις. Στο τελικό στάδιο αυτής της γραμμικής κλίσης το χαρτί αστοχεί ξαφνικά και για αυτό το λόγο η συμπεριφορά του χαρτιού στη θλίψη μπορεί να θεωρηθεί γραμμική και ελαστική (Εικ.1.4). Η θλιπτική αντοχή στην κατεύθυνση ND είναι διαφορετική από αυτή της κατεύθυνσης CD, καθώς η CD θλιπτική αντοχή είναι περίπου τα δύο τρίτα της ND θλιπτικής αντοχής. Τα μέτρα ελαστικότητας του χαρτιού σε θλίψη και εφελκυσμό είναι παρόμοια και για αυτό το λόγο συχνά θεωρούνται ίσα. Η αντοχή του χαρτιού σε θλίψη είναι περίπου δύο με τρεις φορές μικρότερη από την αντοχή σε εφελκυσμό. Η θλιπτική αστοχία στα χαρτιά υποθέτουμε ότι οφείλεται στην κάμψη ενός ελεύθερου τμήματος μιας κυτταρινικής ίνας και στη συνέχεια στη διαδοχική αστοχία των γύρω ινών. Αυτό εξηγεί γιατί η θλιπτική αντοχή των χαρτιών σχετίζεται με το βάρος του χαρτιού. Στα πυκνά χαρτιά σχηματίζονται περισσότεροι δεσμοί ανά ίνα και ως εκ τούτου τα ελεύθερα τμήματα των ινών μεταξύ των δεσμών είναι μικρά κάτι που οδηγεί σε μικρότερες κάμψεις. Η θλιπτική αντοχή στις ακμές των περισσότερων χαρτιών που κυκλοφορούν στο εμπόριο έχει εύρος από 5 Mpa έως 17 Μpa στη CD διεύθυνση και από 10 Μpa έως 28 Mpa στην MD διεύθυνση. ΔΙΑΤΜΗΤΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ Κατά τη διαδικασία διάτμησης στο επίπεδο το χαρτί αρχικά εμφανίζει γραμμική ελαστική συμπεριφορά επιτρέποντας τον καθορισμό του μέτρου διάτμησης. Σε υψηλότερες φορτίσεις η κλίση της καμπύλης τάσης παραμόρφωσης μειώνεται μέχρι να εμφανιστεί αστοχία (Εικ.1.4). Η αστοχία με καθαρή διάτμηση συνήθως δεν επιτυγχάνεται καθώς το υλικό αστοχεί με θλίψη με τη δημιουργία ρωγμών σε γωνία 45 μοιρών από την διεύθυνση της ασκούμενης διατμητικής τάσης. Σε μια μελέτη των Setterholme et al. [13]αποδεικνύεται ότι η αντοχή σε διάτμηση αυξάνεται με την υψηλότερη αναλογία ινών μαλακού ξύλου σκληρού ξύλου. Οι Baum et al.[14] ανακάλυψαν ότι τόσο η διαδικασία της πίεσης σε υγρό περιβάλλον όσο και η διαδικασία ραφιναρίσματος αυξάνουν το μέτρο διάτμησης σημαντικά. Οι πρωταρχικοί παράγοντες που επηρεάζουν τις διατμητικές ιδιότητες του χαρτιού και ως εκ τούτου τον αριθμό και την αντοχή δεσμών μεταξύ των ινών είναι οι εξής: Οι ίνες που προέρχονται από μακριά και από πιο χοντρά μαλακά ξύλα προσφέρουν μεγαλύτερη επιφάνεια για την δημιουργία δεσμών, οι πιέσεις σε υγρά περιβάλλοντα αυξάνουν τον αριθμό των δεσμών πιέζοντας τις ίνες κοντά μεταξύ τους και τέλος το ραφινάρισμα το οποίο αυξάνει τον ινιδισμό και κατά συνέπεια τον αριθμό των πιθανών περιοχών των δεσμών. Οι τιμές του μέτρου διάτμησης του χαρτιού κυμαίνονται από 1 Mpa έως 2 Μpa [13,13]. Στη μελέτη των Setterholme et al, η τάση αστοχίας του χαρτιού σε διάτμηση (λυγισμός) αναφέρεται ότι είναι περίπου 7 Mpa. 16

17 1.2 ΚΥΜΑΤΟΕΙΔΕΣ ΧΑΡΤΟΝΙ Το κυματοειδές χαρτόνι ακολουθεί την δομή των υλικών τύπου sandwich. Αποτελείται από τον κυματοειδή στρώση χαρτιού που είναι ο πυρήνας και τα επίπεδα φύλλα χαρτιού. Η σύνδεση μεταξύ τους γίνεται με κόλλα με βάση το άμυλο, η οποία εφαρμόζεται στις κορυφές των κυματοειδών διαμορφώσεων. Η κύρια λειτουργία του πυρήνα είναι να διαχωρίζει τα επίπεδα φύλλα και να τα συγκρατεί σε συγκεκριμένη απόσταση, προκειμένου να επιτευχθεί μια δομή με μεγάλη ακαμψία. Ο πυρήνας πρέπει να είναι άκαμπτος και με μεγάλη αντοχή σε θλίψη, εφελκυσμό και διάτμηση. Τα εξωτερικά φύλλα είναι αυτά που δέχονται όλες τις ενέργειες κάμψης του επιπέδου. Κατασκευάζονται διάφορα είδη κυματοειδών διαμορφώσεων, ανάλογα με τις απαιτήσεις της εκάστοτε κατασκευής (Εικ.1.6). Η διαμόρφωση μονής επιφάνειας αποτελείται από τον πυρήνα και ένα επίπεδο φύλλο χαρτιού. Η διαμόρφωση μονού τοιχώματος ακολουθεί την τυπική δομή sandwich και αποτελείται από τρία επίπεδα, τον πυρήνα και δύο επίπεδα φύλλα χαρτιού. Οι διαμορφώσεις διπλού και τριπλού τοιχώματος έχουν αντίστοιχα δύο και τρία επίπεδα επιπλέον. Εικόνα 1.6 Είδη κυματοειδών διαμορφώσεων Διαμόρφωση μονής επιφάνειας Χρησιμοποιείται ως κύρια προστασία για εύθραυστα αντικείμενα και παρέχει επιπλέον προστασία σε ήδη πακεταρισμένα αντικείμενα. Δεν έχει την αντοχή των υπολοίπων τύπων αλλά είναι ιδιαίτερα οικονομικό. Διαμόρφωση μονού τοιχώματος Είναι ο πιο διαδεδομένος τύπος κυματοειδούς διαμόρφωσης. Χρησιμοποιείται ευρέως ως μέσο συσκευασίας προϊόντων και ως συσκευασία μεταφοράς προϊόντων καθώς είναι ιδιαίτερα ανθεκτικό, απορροφάει τους κραδασμούς, είναι ανακυκλώσιμο και παρέχει και μια επιφάνεια κατάλληλη να τυπωθεί. Μπορεί να γίνει αδιάβροχο, ανθεκτικό στην υγρασία, κατάλληλο για αποθήκευση εν ψυχρό. Στις 17

18 περισσότερες περιοχές, πάνω από το 50% του κυματοειδούς χαρτονιού, χρησιμοποιείται στην συσκευασία τροφίμων και ποτών. Διαμόρφωση διπλού τοιχώματος H διαμόρφωση διπλού τοιχώματος παρέχει έναν συνδυασμό προστασίας, καλής αντοχής στο στοίβαγμα και μια καλή επιφάνεια εκτύπωσης. Χρησιμοποιούνται κυρίως σε συσκευασίες για την μεταφορά προϊόντων. Διαμόρφωση τριπλού τοιχώματος Η διαμόρφωση τριπλού τοιχώματος είναι εξαιρετικά δυνατή και χρησιμοποιείται σε πολλές περιπτώσεις ως υποκατάστατο του ξύλου, όταν απαιτείται παρόμοια αντοχή μαζί με σημαντική μείωση του βάρους. Πολλές φορές χρησιμοποιείται και σε συνδυασμό με το ξύλο. Οι γεωμετρικές παράμετροι του κυματοειδούς χαρτονιού παρουσιάζονται στην εικόνα 1.7. Οι κύριες διαστάσεις είναι το συνολικό πάχος d της διαμόρφωσης, το μήκος κύματος λ του κυματισμού και το ύψος h του κυματισμού. Το πάχος του πυρήνα και των επίπεδων στρωμάτων είναι d fluting και d liner και το συνολικό πάχος του χαρτονιού είναι dcorr=2dliner+ hcore. Οι ίνες του χαρτιού είναι προσανατολισμένες κάθετα προς τον άξονα των πτυχώσεων. (Εικόνα 1.8) Εικόνα 1.7 Γεωμετρικοί παράμετροι κυματοειδούς χαρτονιού 18

19 Εικόνα 1.8 Σύνθεση του κυματοειδούς χαρτονιού ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΚΥΜΑΤΟΕΙΔΟΥΣ ΧΑΡΤΟΝΙΟΥ Το κυματοειδές χαρτόνι κατασκευάζεται σε μεγάλες μηχανές υψηλής ακρίβειας. Η διαδικασία ξεκινάει με την θέρμανση του χάρτινου ιστού με ατμό, με σκοπό να μαλακώσει. Στην συνέχεια το χαρτί περνά μέσα από ένα εργαλείο δημιουργίας αυλακώσεων, ώστε να διαμορφωθεί και να πάρει την κυματοειδή μορφή. Εφαρμόζεται κόλλα στην κορυφή των αυλακώσεων από την μία πλευρά και τοποθετείται πάνω σε αυτές ένα προ θερμασμένο επίπεδο φύλλο χαρτιού (διαμόρφωση μονής επιφάνειας). Έπειτα αναθερμαίνεται, εφαρμόζεται κόλλα στην άλλη πλευρά των αυλακώσεων και ένα δεύτερο φύλλο χαρτιού συνδέεται (χαρτόνι μονού τοιχώματος). Τέλος ακολουθεί μια διαδικασία στεγνώματος του χαρτονιού με την εφαρμογή θερμότητας. Για την δημιουργία χαρτονιών διπλού ή τριπλού τοιχώματος η διαδικασία επαναλαμβάνεται. Προβλήματα που προκύπτουν κατά την κατασκευή του κυματοειδές χαρτονιού είναι όταν τα επίπεδα υγρασίας μεταξύ των επιπέδων δεν είναι σε ισορροπία. Τότε το κυματοειδές χαρτόνι, είτε παραμορφώνεται και λυγίζει, ή δημιουργούνται βαθουλώματα στις αυλακώσεις.[15][17] Εικόνα 1.9 Διαδικασία παραγωγής κυματοειδούς χαρτονιού 19

20 Εικόνα 1.10 Μηχανισμός δημιουργίας αυλακώσεων ΙΣΤΟΡΙΚΑ Το 1856 δύο Άγγλοι, οι Healy και Allen, έλαβαν την πρώτη πατέντα ευρεσιτεχνίας κυματοειδούς χαρτιού. Με μία απλή χειροκίνητη μηχανή, που αποτελούνταν από δύο ρολά με αυλακώσεις, παρήγαγαν το πρώτο κυματοειδές χαρτί, το οποίο χρησιμοποιήθηκε ως επένδυση σε ψηλά καπέλα. Αργότερα, το 1871, ο Albert Jones, χρησιμοποιεί την θερμότητα για την κυμάτωση του χαρτιού και προσθέτει ένα επίπεδο φύλλο χαρτιού στην μία πλευρά. Το νέο, πιο ισχυρό κυματοειδές χαρτόνι χρησιμοποιείται ως περιτύλιγμα για γυάλινα προϊόντα. Στην συνέχεια,το 1874 ο Oliver Long βελτιστοποιεί τον σχεδιασμό του Jones, προσθέτοντας φύλλο χαρτιού και στις δύο πλευρές. Την ίδια χρονιά κατασκευάστηκε το πρώτο μηχάνημα για την παραγωγή μεγάλων ποσοτήτων κυματοειδούς χαρτιού από τον G. Smyth. Η ιδέα των προ-κομμένων επίπεδων φύλλων χαρτονιού που μπορούν να διπλωθούν δημιουργώντας κουτί, προήλθε κατά λάθος από τον από τον Robert Gair, το 1890, στην Αμερική. Καθώς τύπωνε μια παραγγελία συσκευασίας σπόρων, ένας μεταλλικός χάρακας που χρησιμοποιούνταν για την δημιουργία πτυχώσεων σε χάρτινες σακούλες, παρέκκλινε από την θέση του, κόβοντας τες. Ο Gair ανακάλυψε ότι κόβοντας και διπλώνοντας το χαρτί με συγκεκριμένο τρόπο, μπορούσε να δημιουργήσει προ κατασκευασμένα κουτιά και εφάρμοσε αυτή την ιδέα στο κυματοειδές χαρτόνι. Έτσι, από τις αρχές του 20 ου αιώνα, όταν το κυματοειδές χαρτόνι ήταν πλέον διαθέσιμο, τα ξύλινα κιβώτια και κουτιά άρχισαν να αντικαθίστανται.[26][δ8] ΤΥΠΟΙ ΚΥΜΑΤΟΕΙΔΟΥΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ Υπάρχουν διαφορετικοί τύποι κυματοειδών διαμορφώσεων οι οποίοι ορίζουν το μέγεθος της διαμόρφωσης. Τα γράμματα που ορίζουν την ονομασία του κάθε τύπου έχουν δοθεί με βάση την σειρά που η κάθε γεωμετρία εισήλθε στην αγορά. Επειδή το μήκος κύματος και το ύψος δεν μπορούν να οριστούν επακριβώς, καθώς 20

21 διαφέρουν ελάχιστα από κατασκευαστή σε κατασκευαστή, χρησιμοποιείται ως πιο αξιόπιστη μονάδα μέτρησης ο αριθμός των κυματισμών ανά μονάδα μήκους. Χαρτόνια με μικρότερο κυματισμό έχουν περισσότερες αυλακώσεις ανά μονάδα μήκους. Η αναλογία του μήκους της μη κυματοειδούς διαμόρφωσης προς το μήκος του κυματοειδούς χαρτονιού ονομάζεται συντελεστής απορρόφησης. Οι τιμές του συντελεστή απορρόφησης δίνονται κατά προσέγγιση καθώς εξαρτώνται από την κατάσταση και την φθορά των εργαλείων αυλακώσεων. Γενικά οι διαμορφώσεις με μεγαλύτερο κυματισμό παρέχουν μεγαλύτερη αντοχή και καλύτερη απορρόφηση των κραδασμών, ενώ οι διαμορφώσεις με μικρότερο κυματισμό μπορούν πιο εύκολα να αναδιπλωθούν και να τυπωθούν. Οι διαφορετικοί τύποι διαμορφώσεων συνδυάζονται μεταξύ τους, ανάλογα με τις ανάγκες που υπάρχουν, είτε για καλύτερο εκτυπωτικό αποτέλεσμα, είτε για μεγαλύτερη αντοχή, είτε για καλύτερη απορρόφηση των κραδασμών, είτε για να διαχειριστεί το συνολικό πάχος του χαρτονιού.[18] ΤΥΠΟΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗΣ ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗΣ ΥΨΟΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ [mm] ΜΗΚΟΣ ΚΥΜΑΤΟΣ[mm] Ο Ν G F E B C A K D Πίνακας 1Τύποι κυματοειδούς διαμόρφωσης 21

22 Α flute Η πρώτη διαμόρφωση που εισήλθε στην βιομηχανία. Έχει το μεγαλύτερο ύψος διαμόρφωσης και 36 κυματισμούς ανά πόδι. Χρησιμοποιείται κυρίως για την στοίβαξη και την προστασία προϊόντων, καθώς παρέχει υψηλή αντοχή σε κάμψη και καλή απορρόφηση των κραδασμών. B flute Έχει μικρότερο ύψος διαμόρφωσης από την Α και περισσότερους κυματισμούς ανά πόδι(50). Αυτό σημαίνει ότι ο πυρήνας συγκρατεί τα εξωτερικά φύλλα σε περισσότερα σημεία, παρέχοντας έτσι μια επιφάνεια σκληρή, ανθεκτική και εύκολη να κοπεί, να διαμορφωθεί και να τυπωθεί. Προτιμάται στις υψηλής ταχύτητας αυτόματες γραμμές συσκευασίας και για μαξιλάρια, διαχωριστικά και άλλους τύπους εσωτερικής συσκευασίας. Είναι κατάλληλα για αναδίπλωση σε περίπλοκα σχήματα και για την δημιουργία εγκοπών. C flute Η διαμόρφωση C δημιουργήθηκε για να εξομαλύνει την διαφορά ανάμεσα στις διαμορφώσεις Α και Β. Είναι λεπτότερο από το Α flute, πιο παχύ από το B flute, έχει 42 κυματισμούς ανά πόδι και προσφέρει καλή απορρόφηση των κραδασμών, είναι κατάλληλο για στοίβαγμα και εύκολο να τυπωθεί. Είναι ο πιο ευρέως χρησιμοποιούμενος τύπος διαμόρφωσης. Εκτιμάται ότι το 80% των εμπορευματοκιβωτίων είναι κατασκευασμένα από C flute. E flute Η συγκεκριμένη διαμόρφωση έχει τον μεγαλύτερο αριθμό αυλακώσεων (92 ανά πόδι), παρέχοντας της τη μεγαλύτερη αντίσταση σε θλίψη και την πιο επίπεδη επιφάνεια, κατάλληλη για εκτύπωση υψηλής ποιότητας. Το πάχος της διαμόρφωσης είναι το ¼ του πάχους της C flute, μειώνοντας έτσι τον όγκο των συσκευασιών και εξοικονομώντας χώρο στην αποθήκευση. Χρησιμοποιείται στην συσκευασία καλλυντικών, στην συσκευασία εύθραυστων προϊόντων (γυάλινων, κεραμικών) και στη συσκευασία ευαίσθητων οργάνων. Μια ακόμα χρήση της συγκεκριμένης διαμόρφωσης είναι στη συσκευασία τροφίμων ( κουτί pizza ), όπου απαιτείται μια συσκευασία χαμηλού κόστους, με καλά γραφικά, που να παρέχει υψηλή προστασία προϊόντος. F flute O νεότερος τύπος διαμόρφωσης στην βιομηχανία των κυματοειδών χαρτονιών. Το πάχος του είναι λίγο περισσότερο από το ήμισυ του πάχους του Ε flute. Η ιδέα πίσω από την δημιουργία του είναι η δημιουργία συσκευασιών με χαμηλότερη περιεκτικότητα σε ίνες, παρέχοντας έτσι μεγαλύτερη ακαμψία και λιγότερα στερεά απόβλητα στους χώρους υγειονομικής ταφής. Χρησιμοποιείται σε συσκευασίες 22

23 ειδικού σχεδιασμού, στις συσκευασίες καλλυντικών και κοσμημάτων και στις συσκευασίες παπουτσιών. R flute Έχει σχεδιαστεί ως μια ενναλακτική λύση για το B flute. Σε σύγκριση με το B flute έχει μικρότερη και πιο κλειστή αυλάκωση, η οποία οδηγεί σε μια βελτιωμένη επιφάνεια εκτύπωσης και λιγότερα απόβλητα κατασκευής. ΣΥΝΔΥΑΣΜΟΙ A/C flute Είναι ο πιο παχύς συνδυασμός διπλού τοιχώματος που μπορεί να παραχθεί. Χρησιμοποιείται ως υποκατάστατο του τριπλού τοιχώματος και είναι κατάλληλο για την μεταφορά βαρέων, ασυσκεύαστων προϊόντων. Πάχος περίπου 9 mm. B/C flute Είναι ο πιο κοινός συνδυασμός διπλού τοιχώματος. Χρησιμοποιείται κυρίως σε κοντέινερ πλοίων και για την μεταφορά ασυσκεύαστων προϊόντων μεσαίου βάρους ή όταν το φορτίο απαιτεί υψηλό βαθμό προστασίας. Παρέχει εξαιρετική αντίσταση κατά το στοίβαγμα και αντίσταση στην διάτρηση. Πάχος περίπου: 6-7 mm. B/E flute Χρησιμοποιείται όταν απαιτείται αντοχή, προστασία και μια επίπεδη επιφάνεια, κατάλληλη για εκτύπωση υψηλής ποιότητας. Πάχος περίπου mm. ACC flute H συγκεκριμένη διαμόρφωση αποτελεί έναν συνδυασμό τριπλού τοιχώματος. Χρησιμοποιείται ευρέως στην αγορά προϊόντων για την μεταφορά χύμα φορτίων, κυρίως φρούτων και λαχανικών. Χρησιμοποιείται επίσης για τη συσκευασία μεγάλων βιομηχανικών μηχανημάτων και όταν απαιτείται μέγιστη προστασία του προϊόντος κατά τη διάρκεια της διανομής. Πάχος περίπου: 15 mm.[δ1][δ2] ΠΟΙΟΤΗΤΕΣ ΧΑΡΤΙΟΥ ΠΟΥ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΟΥΝΤΑΙ Για την κατασκευή των εξωτερικών επίπεδων φύλλων χαρτιού χρησιμοποιούνται κυρίως δύο ποιότητες χαρτιού, το χαρτί τύπου Kraftliner και του χαρτί τύπου Testliner. Ο όρος Kraft είναι σκανδιναβικής προέλευσης και σημαίνει δυνατός. Το χαρτί τύπου Kraft αναφέρεται σε χαρτί βάρους g/m2, το οποίο έχει υποστεί επεξεργασία με θειικά άλατα, είναι κατά κανόνα αδρό και χαρακτηρίζεται για τη μεγάλη του αντοχή. Αποτελείται από πολτό κυτταρίνης με μια ελαφριά προσθήκη ανακυκλωμένων ινών, συνήθως 20 %. Το χαρτί Topliner είναι μια 23

24 υποκατηγορία του Kraft και αναφέρεται στο χαρτί, όπου ο πολτός κατά την παραγωγή έχει δεχτεί λεύκανση (bleached pαper). Όταν απαιτείται προηγμένη εκτύπωση χρησιμοποιείται λευκό χαρτί τύπου Kraft, το οποίο είναι επικαλυμμένο με χρωστική ουσία. Το χαρτί τύπου Testliner αποτελείται από δύο στρώματα χαρτιού. Αυτή η κατασκευή επιτρέπει την χρήση πολτού τύπου Kraft για το επάνω στρώμα και ανακυκλωμένες ίνες για το κάτω στρώμα. Όλο και περισσότερο παράγεται από 100 % ανακυκλώσιμες ίνες. Είναι εγγενώς πιο αδύναμο σε σχέση με το Kraft και πιο ελαφρύ. Όσο αναφορά τα πλεονεκτήματα του, είναι λιγότερο δαπανηρό στην κατασκευή του και περιβαλλοντικά πιο ορθό. Παρόμοια με το Kraft, όταν απαιτούνται υψηλής ποιότητας γραφικά, χρησιμοποιείται χαρτί τύπου Testliner, όπου το πάνω στρώμα είναι επικαλυμμένο με λευκή χρωστική ουσία. Για τον πυρήνα του χαρτονιού χρησιμοποιούνται δύο τύποι χαρτιού. Είτε χάρτινος πολτός που έχει παραχθεί με ημιχημική διεργασία, είτε ανακυκλώσιμο χαρτί, συνήθως από παλιά κυματοειδή χαρτόνια. Ο ανακυκλώσιμος πυρήνας είναι πιο αδύναμος αλλά πιο εύκολος στην διαμόρφωσή του. Για να βελτιωθούν οι μηχανικές ιδιότητες του ανακυκλώσιμου πυρήνα προστίθεται άμυλο στην δομή του με μια διαδικασία που περιγράφεται ως συγκόλληση. Το άμυλο προστίθεται είτε μέσα στον ανακυκλωμένο πολτό, είτε προστίθεται αργότερα στην επιφάνεια του χαρτιού. Ο ημιχημικά κατεργασμένος πυρήνας περιέχει περίπου 70% ημιχημικά κατεργασμένο πολτό που προέρχεται από σκληρό ξύλο (σημύδα). Το υπόλοιπο ποσοστό αποτελείται κυρίως από ανακτημένο χαρτί. Για την σύνδεση των στρωμάτων του κυματοειδούς χαρτονιού χρησιμοποιούνται κόλλες με βάση το άμυλο οι οποίες είναι βιοδιασπώμενες και προέρχονται από ανανεώσιμες πηγές. Τα βασικά συστατικά τους είναι φυσικό ή επεξεργασμένο άμυλο, καυστική σόδα, νάτριο και νερό. [17] ΜΕΘΟΔΟΙ ΕΚΤΥΠΩΣΗΣ ΣΤΟ ΧΑΡΤΟΝΙ (LAMINATION) H πιο κοινή μέθοδος εκτύπωσης πάνω σε χαρτόνι είναι η μέθοδος της φλεξογραφίας. Παλαιότερα γνωστή ως εκτύπωση ανιλίνης, χρησιμοποιεί πλάκες από εύκαμπτα καουτσούκ ή από πολυμερές για να μεταφέρει μια εικόνα στο χαρτόνι, σαν μια μηχανοποιημένη σφραγίδα. Χρησιμοποιούνται μελάνια με βάση το νερό που στεγνώνουν γρήγορα, τα οποία επιτρέπουν γρήγορες ταχύτητες εκτύπωσης. Η ποιότητα της εκτύπωσης εξαρτάται από πολλές μεταβλητές, και επηρεάζεται από την απορροφητικότητα του υλικού πάνω στο οποίο γίνεται η εκτύπωση. Από τη φύση του το χαρτόνι είναι πολύ απορροφητικό και έτσι η μέθοδος αυτή δεν συνιστάται για γραφικά υψηλής ευκρίνειας. Η μέθοδος αυτή είναι ιδανική για εικόνες με ένα ή δυο χρώματα ή για κείμενο. Μια άλλη μέθοδος που χρησιμοποιείται είναι η λιθογραφία. Στην μέθοδο αυτή, ουσιαστικά η εκτύπωση γίνεται πρώτα σε ένα φύλλο χαρτιού με τη χρήση ενός 24

25 λιθογράφου/εκτυπωτή και στην συνέχεια το τυπωμένο φύλλο ενσωματώνεται στο χαρτόνι, χρησιμοποιώντας μια κόλλα με βάση το νερό. Ο λιθογράφος χρησιμοποιεί δύο πλάκες, την θετική και την αρνητική. Η θετική πλάκα είναι μια λεία επιφάνεια η οποία είναι δεκτική στο μελάνι με βάση το λάδι και απωθεί το νερό. Η αρνητική πλάκα έχει τραχιά υφή, απορροφά το νερό και απωθεί το μελάνι. Στην συνέχεια κύλινδροι από καουτσούκ πιέζουν, απωθώντας όλο το νερό, συγκρατώντας μόνο το μελάνι και το εφαρμόζουν σε ένα φύλλο χαρτιού. Αύτη η μέθοδος οδηγεί σε γραφικά υψηλής ευκρίνειας και χρησιμοποιείται κυρίως σε μεγάλες γραμμές παραγωγής. Τέλος εφαρμόζεται η τεχνική της μεταξοτυπίας στην οποία χρησιμοποιείται ένα πλαίσιο, πάνω στο οποίο είναι καλά τεντωμένο ένα πλέγμα από πολυεστερικές ίνες, το οποίο φέρει το μελάνι. Η μέθοδος αυτή δίνει καλύτερα γραφικά αποτελέσματα σε σχέση με την φλεξογραφία και χρησιμοποιείται κυρίως σε μικρές και μεσαίες γραμμές παραγωγής.[2][δ3][δ5] ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΚΥΜΑΤΟΕΙΔΟΥΣ ΧΑΡΤΟΝΙΟΥ Το κυματοειδές χαρτόνι, χάρη στα πλεονεκτήματα που παρουσιάζει ως υλικό, χρησιμοποιείται σήμερα ευρέως σε μια ποικιλία από εφαρμογές, που κυμαίνονται από την συσκευασία, τη μεταφορά προϊόντων και την βιομηχανία τροφίμων, ως την επιπλοποιία και την αρχιτεκτονική. Το κύριο πλεονεκτήματα του χαρτονιού ως υλικό είναι η μεγάλη αντοχή, σταθερότητα και η ακαμψία που παρουσιάζει, σε σχέση με το χαμηλό του βάρος. Επίσης είναι εύκολα διαχειρίσιμο. Μπορεί να κοπεί, να αναδιπλωθεί να επεξεργαστεί και να τυπωθούν στην επιφάνειά του υψηλής ποιότητας γραφικά. Το κόστος παραγωγής του είναι αρκετά χαμηλό. Όσον αφορά τα περιβαλλοντικά πλεονεκτήματα του, το κυματοειδές χαρτόνι είναι ένα από τα πιο ευρέως ανακυκλώσιμα υλικά στη γη. Κάποιες ποιότητες κυματοειδούς χαρτονιού είναι κατασκευασμένες από 100% ανακυκλωμένες πρώτες ύλες, ενώ ο μέσος όρος της παραγωγής αποτελείται κατά 70-90% από ανακυκλώσιμα υλικά. Επίσης έχει χαμηλό περιβαλλοντικό αντίκτυπο, ανακυκλώνεται και αποτελεί την πιο «πράσινη» λύση, κυρίως στον τομέα της συσκευασίας. Ως προς τα μειονεκτήματά του, παρουσιάζει μεγάλη ευαισθησία στην υγρασία, στις αλλαγές θερμοκρασίας και είναι εύφλεκτο. Το κύριο υλικό συσκευασίας που χρησιμοποιείται σήμερα στα περισσότερα προϊόντα είναι το κυματοειδές χαρτόνι. Οι συσκευασίες από κυματοειδές χαρτόνι είναι ελαφριές, ανθεκτικές, ευέλικτες, περιβαλλοντικά υπεύθυνες και οικονομικές. Ανάλογα με τις ανάγκες του προϊόντος, το χαρτόνι μπορεί να διαμορφωθεί και να διπλωθεί σε οποιοδήποτε σχήμα και μέγεθος, ικανοποιώντας τις απαιτήσεις της κάθε συσκευασίας. Επίσης οι δυνατότητες εκτύπωσης πάνω στο χαρτόνι είναι προσαρμόσιμες, ανάλογα με τις απαιτήσεις του προϊόντος, παρέχοντας την δυνατότητα εκτύπωσης από απλά γραφικά, ως και γραφικά υψηλής ποιότητας. Τέλος 25

26 αποτελεί μια πολύ αξιόπιστη επιλογή συσκευασίας καθώς η κυματοειδής διαμόρφωση προστατεύει το προϊόν. Στη βιομηχανία τροφίμων, το κυματοειδή χαρτόνι χρησιμοποιείται ευρέως είτε ως πρωτογενή συσκευασία, δηλαδή συσκευασία που έρχεται σε άμεση επαφή με το τρόφιμο (π.χ. κουτί πίτσας), είτε ως δευτερογενή συσκευασία που χρησιμοποιείται για τη μεταφορά συσκευασμένου προϊόντος. Όταν χρησιμοποιείται ως πρωτογενή συσκευασία για την μεταφορά φρέσκων ή υγρών τροφίμων, προστίθεται πλαστική ή κέρινη, αφαιρούμενη μεμβράνη που λειτουργεί ως εμπόδιο υγρασίας. Το χαρτόνι 26

27 αποτελεί ένα υλικό χαμηλής επικινδυνότητας για την ασφάλεια τροφίμων, καθώς δεν θέτει σε κίνδυνο την ανθρώπινη υγεία και δεν επιφέρει απαράδεκτη μεταβολή στη σύσταση των τροφίμων ή αλλοίωση των οργανοληπτικών τους χαρακτηριστικών. Στην συσκευασία για την μεταφορά προϊόντων, το κυματοειδές χαρτόνι χρησιμοποιείται ευρέως, καθώς συνδυάζει την δομική ακαμψία με ιδιότητες απορρόφησης των κραδασμών. Βαριά προϊόντα, εύθραυστο περιεχόμενο συμπεριλαμβανομένων των προϊόντων γυαλιού, ηλεκτρονικά είδη και χημικά υγρά παραμένουν προστατευμένα και μεταφέρονται με ασφάλεια. Ανάλογα με το ποσοστό προστασίας και της αντοχής που απαιτείται, χρησιμοποιούνται οι 27

28 αντίστοιχοι τύποι κυματοειδούς διαμόρφωσης. Επίσης το κυματοειδή χαρτόνι είναι ανθεκτικό στο σκίσιμο, συγκρατώντας έτσι την συσκευασία άθικτη και προστατεύει τα προϊόντα από την έκθεση. Όσον αφορά το κόστος μεταφοράς, το κυματοειδές χαρτόνι πλεονεκτεί λόγω του χαμηλού του βάρους, καθώς λιγότερο βάρος σημαίνει μείωση του ναύλου μεταφοράς. Τα τελευταία χρόνια, το κυματοειδές χαρτόνι χρησιμοποιείται ολοένα και περισσότερο ως υλικό για την κατασκευή επίπλων. Στην προσπάθεια για έναν πιο οικολογικό και βιώσιμο σχεδιασμό, πολλές εταιρίες χρησιμοποιούν το χαρτόνι για την κατασκευή ανακυκλώσιμων επίπλων. Το 2010 η εταιρία Cardboard Future Ltd, λάνσαρε το γραφείο Paperweight, το οποίο αναγνωρίστηκε ως το πρώτο γραφείο από χαρτόνι που συμμορφώνεται με τα ευρωπαϊκά πρότυπα δύναμης και αντοχής ενός συμβατικού γραφείου από χάλυβα ή ξύλο. Το γραφείο πιστεύεται ότι είναι το πρώτο 100% πλήρως βιώσιμο γραφείο στον κόσμο. Τα έπιπλα από χαρτόνι είναι ελαφριά, μπορούν να μεταφερθούν εύκολα, είναι οικονομικά, έχουν μεγάλη αντοχή και 28

29 σταθερή δομή, συναρμολογούνται και αποσυναρμολογούνται εύκολα και είναι ανακυκλώσιμα. Μια ακόμα χρήση του κυματοειδούς χαρτονιού είναι ως δομικό στοιχείο για τον διαχωρισμό χώρων και ως δομικό στοιχείο στο εσωτερικό των αυτοκινήτων και σε πόρτες. Στον τομέα της αρχιτεκτονικής, σε μια προσπάθεια για δημιουργία εγκαταστάσεων και χώρων οικολογικών, ανακυκλώσιμων, με χαμηλό περιβαλλοντικό αντίκτυπο, το χαρτόνι βρίσκει εφαρμογή ως κατασκευαστικό υλικό. Η κυματοειδής διαμόρφωση μπορεί να συγκριθεί σε δύναμη, σταθερότητα, και ακαμψία με άλλα οικοδομικά υλικά, ενώ παράλληλα προσφέρει ευελιξία ως προς την κατασκευή, την κατεδάφιση και τη διάθεση. Ωστόσο, οι περισσότερες εφαρμογές στον τομέα της αρχιτεκτονικής 29

30 είτε παραμένουν σε επίπεδο πρωτοτύπου, είτε έχουν έναν εφήμερο χαρακτήρα, λόγω των περιορισμών του χαρτονιού, όπως ευαισθησία στην υγρασία, υπεριώδη ακτινοβολία, αλλαγές θερμοκρασίας και φωτιά. Μία ακόμα χρήση του κυματοειδούς χαρτονιού είναι στην κατασκευή stand έκθεσης προϊόντων. O τομέας της διαφήμισης και πώλησης προϊόντων χρησιμοποιεί τα stand ως ένα μέσο για την έκθεση και την προώθηση τους σε διάφορα σημεία πώλησης ή εκθεσιακούς χώρους. Ως ένα μέσο διαφήμισης, σκοπός του stand είναι να κεντρίσει 30

31 το ενδιαφέρον του καταναλωτή. Για να το επιτύχει αυτό απαιτείται ένας καλός σχεδιασμός και χρήση γραφικών. Τα χαρακτηριστικά που πρέπει να έχει ένα stand είναι ελκυστική εμφάνιση, σταθερή δομή, εύκολη συναρμολόγηση, γρήγορη αποσυναρμολόγηση και να είναι εύκολο στην μεταφορά του. Τα υλικά που χρησιμοποιούνται στην κατασκευή των σταντ είναι αλουμίνιο, ατσάλι, πλαστικό, ξύλο και κυματοειδή χαρτόνι. Το κυματοειδή χαρτόνι ικανοποιεί τις παραπάνω απαιτήσεις και επιπλέον αποτελεί και μια οικονομική και οικολογική λύση. Τα stand μπορούν να είναι επιτραπέζια, επιδαπέδια ή τύπου κρεμάστρας. 31

32 1.2.7 ΜΕΛΛΟΝΤΙΚΗ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΚΑΙ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ Το κυματοειδές χαρτόνι, παρουσιάζει ένα πολλά υποσχόμενο μέλλον αν και διάφορα υλικά συσκευασίας όπως επαναχρησιμοποιήσιμα πλαστικά κιβώτια ή δοχεία είναι επίσης αναδυόμενα. Η εξέλιξη αυτή οφείλεται κατά κύριο λόγο στις πολιτικές της Ευρωπαϊκής Ένωσης, η οποία ενθαρρύνει την ανακύκλωση και επαναχρησιμοποίηση απορριμμάτων συσκευασίας. Έτσι, το κυματοειδές χαρτόνι, αποτελεί μια φυσική και ανανεώσιμη πηγή και έχει ένα μεγάλο περιβαλλοντικό ρεκόρ. Έχει το καλύτερο ποσοστό ανακύκλωσης από κάθε υλικό συσκευασίας που χρησιμοποιείται σήμερα. Στη βιομηχανία της συσκευασίας, το κυματοειδές χαρτόνι κατέχει σημαντικό ρόλο στην προστασία αγαθών κατά τη διάρκεια της μεταφοράς τους. Επιστημονική έρευνα που μελετάει την μελλοντική του ανάπτυξη, επικεντρώνεται στις ιδιότητες του, στην μηχανική του συμπεριφορά και στην αντίδραση του στην υγρασία με σκοπό την ανεύρεση βελτιστοποιημένων λύσεων για τα υλικά συσκευασίας που χρησιμοποιούνται σε ακραίες κλιματικές συνθήκες, για μακροχρόνια φόρτιση ή για ειδικά προϊόντα (π.χ. κατεψυγμένη πίτσα). Ακόμη, ως το υλικό συσκευασίας με το χαμηλότερο κόστος σήμερα, αποδίδει σημαντική συνεισφορά όταν χρησιμοποιείται ως μέσο και για μεταφορά, και για αποθήκευση και για διαφήμιση και για έκθεση προϊόντος. Η μελλοντική του ανάπτυξη κατευθύνεται με τέτοιο τρόπο ώστε να υποστηρίζεται αυτή η τάση. Επίσης χάρη στην ανάπτυξη νέων τύπων κυματοειδών διαμορφώσεων με χαμηλό ύψος διαμόρφωσης (micro flute), το κυματοειδή χαρτόνι καθίσταται αρκετά ανταγωνιστικό σε σχέση με το απλό χαρτόνι.η υψηλή αντοχή του λεπτού κυματοειδούς χαρτονιού σε συνδυασμό με την μικρή ποσότητα υλικού που χρησιμοποιείται, το καθιστά καλή εναλλακτική επιλογή για τις συσκευασίες αγαθών κατανάλωσης. Σε μελλοντικό επίπεδο, το κυματοειδές χαρτόνι θα παρουσιάσει αρκετές βιομηχανικές επενδύσεις. Η επίπεδη επιφάνεια εκτύπωσης του,θα αξιοποιηθεί σε ψηφιακές πλατφόρμες, όπως smartphone εφαρμογές και κώδικες Quick Response με τους οποίους ο καταναλωτής θα έχει άμεση πρόσβαση σε διάφορες πληροφορίες για το προϊόν. Καινοτομία σημειώνεται και στον τομέα ποτών, με τον σχεδιασμό συσκευασίας για μπουκάλια μπύρας, με αδιάβροχη επένδυση στο εσωτερικό της, μετατρέποντας την σε cooler box, όταν την γεμίσουμε με πάγο ή νερό. Στόχος μέσα στα επόμενα έτη είναι η μείωση του βάρους του κυματοειδούς χαρτονιού ούτως ώστε να ελαττωθεί τόσο το κόστος παραγωγής του όσο και το συνολικό κόστος στην αλυσίδα μεταφοράς προϊόντων, ενώ παράλληλα για οικολογικούς λόγους γίνεται προσπάθεια για μείωση των καταλοίπων άνθρακα που παράγονται από το χαρτόνι. Έτσι λοιπόν, η μελλοντική του ανάπτυξη διαμορφώνεται με τέτοιο τρόπο έτσι ώστε να αξιοποιηθούν τα πλεονεκτήματα του ενώ παράλληλα η χρήση του να πραγματοποιείται στους προαναφερθέντες τομείς.[19] 32

33 1.2.8 ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΧΑΡΤΟΝΙΟΥ Οι μηχανικές ιδιότητες του κυματοειδούς χαρτονιού εξαρτώνται από τις ιδιότητες των συστατικών από τα οποία αποτελείται, καθώς επίσης και από την κυματοειδή γεωμετρία. Γι αυτό τον λόγο μπορούν να προσαρμόζονται μεταβάλλοντας τη διατομή γεωμετρίας, για παράδειγμα με την χρήση διαφορετικών μεγεθών κυματοειδούς διαμόρφωσης ή επίσης με διαφορετικούς συνδυασμούς διαφορετικών τύπων κυματοειδούς διαμόρφωσης και ποιοτήτων χαρτιού. Εφελκυστικές ιδιότητες Η συμπεριφορά σε εφελκυσμό εξαρτάται άμεσα από την συμπεριφορά σε εφελκυσμό των συστατικών του χαρτιού. Σε τάσεις παράλληλες με τον άξονα της κυματοειδούς διαμόρφωσης, η αντοχή σε εφελκυσμό στην CD (cross-direction) διεύθυνση τόσο των επίπεδων φύλλων όσο και των φύλλων με την κυματοειδή διαμόρφωση θα συμβάλουν, ενώ τάσεις κάθετης διεύθυνσης οι αντοχή σε εφελκυσμό επηρεάζεται μόνο από την αντοχή της επίπεδης στρώσης στην διεύθυνση της μηχανής MD (machine direction). Ιδιότητες θλίψης Η αντοχή σε θλίψη (ECS) του κυματοειδούς χαρτονιού, παράλληλα στον άξονα των πτυχώσεων σχετίζονται με την αντοχή σε θλίψη των χάρτινων συστατικών του, όπως επίσης και την κυματοειδή γεωμετρία. Με την χρήση χαρτιού μεγαλύτερης πυκνότητας με μεγαλύτερη αντοχή σε θλίψη γενικά αυξάνει την ECS του χαρτονιού. Στην βιομηχανία του χαρτιού αυτή η ιδιότητα του κυματοειδούς χαρτιού υπολογίζεται με τον παρακάτω τύπο: ECS = k (2 ECS liner + ECS medium ) όπου k είναι ένας συντελεστής ο οποίος εξαρτάται από το περιβάλλον κατασκευής και συνήθως είναι 0.7. Οι τιμές της θλιπτικής αντοχής των ακμών του κυματοειδούς χαρτονιού κυμαίνονται από 3 KN/m για το χαρτόνι μονού τοιχώματος έως 20 KN/m για το χαρτόνι διπλού και τριπλού τοιχώματος [1]. 33

34 Ιδιότητες κάμψης Τα χαρακτηριστικά κάμψης του κυματοειδούς χαρτονιού εξαρτώνται σημαντικά από το μέτρο ελαστικότητας των συστατικών του καθώς επίσης και από την γεωμετρία του χαρτονιού. Η καμπτική ακαμψία του κυματοειδούς χαρτονιού μπορεί να υπολογιστεί από το άθροισμα της καμπτικής ακαμψίας της κάθε στρώσης n, όπως φαίνεται στον παρακάτω τύπο: n 2 i=1 = E i I i + E i A i x i όπου E t, Ι ι, Αι, x L είναι το μέτρο ελαστικότητας, η ροπή αδρανείας, το εμβαδόν διατομής και η απόσταση μεταξύ των κέντρων βάρους των στρώσεων i και του χαρτονιού αντίστοιχα. Για κάμψεις σε άξονα κάθετο στον άξονα της κυματοειδούς διαμόρφωσης η συμβολή των κυματοειδών στρώσεων είναι υψηλότερη σε σχέση με την κάμψη σε άξονα παράλληλα σε αυτή, όπου τα επίπεδα φύλλα χαρτιού ασκούν μεγαλύτερη επιρροή την συνολική συμπεριφορά. Επίπεδα φύλλα (liners) με μεγάλο μέτρο ελαστικότητας έχουν μεγαλύτερο αντίκτυπο στην καμπτική ακαμψία της διατομής (όπως στις σάντουιτς δομές), σε σχέση με την χρήση κυματοειδών στρώσεων με μεγαλύτερο μέτρο ελαστικότητας. Η καμπτική ακαμψία στην κατεύθυνση MD ( machine direction) μπορεί να παίρνει τιμές από 3Nm έως και πάνω από 80Nm για διαμορφώσεις μονού τοιχώματος και πολλαπλών τοιχωμάτων αντίστοιχα. Η ακαμψία στην CD κατεύθυνση είναι περίπου το 50% με 70% της ακαμψίας στην MD κατεύθυνση [20,21,22,23,24]. Διατμητικές ιδιότητες στο επίπεδο Σε κυματοειδές χαρτόνι μονού τοιχώματος τις διατμητικές δυνάμεις τις δέχεται κυρίως η κυματοειδής στρώση (όπως στις σάντουιτς δομές). Λόγω της γεωμετρίας η αντοχή διάτμησης του χαρτονιού είναι υψηλή στην κατεύθυνση CM(cross-machine) και χαμηλή στην κατεύθυνση μηχανής MD των συστατικών του χαρτιού. Στην κατεύθυνση MD η μικρή αναλογία του ύψους της κυματοειδούς διαμόρφωσης προς το μήκος κύματος της κυματοειδούς διαμόρφωσης οδηγεί σε υψηλότερη αντοχή σε διάτμηση[25]. Το μέτρο διάτμησης του κυματοειδούς χαρτονιού έχει αναφερθεί ότι κυμαίνεται μεταξύ 1.8 MPa και 11.6Mpa στην κατεύθυνση MD και μεταξύ 11.2MPa και 31.5MPa στην CD κατεύθυνση, ανάλογα με την μέθοδο μέτρησης και την διαμόρφωση του χαρτονιού[25]. 34

35 2.ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ STAND ΕΚΘΕΣΗΣ ΠΡΟΙΟΝΤΩΝ 2.1 STAND ΕΚΘΕΣΗΣ ΠΡΟΙΟΝΤΟΣ O τομέας της διαφήμισης και πώλησης προϊόντων χρησιμοποιεί τα stand ως ένα μέσο για την έκθεση και την προώθηση προϊόντων σε διάφορα σημεία πώλησης ή εκθεσιακούς χώρους. Ένα stand έκθεσης προϊόντος, αποτελεί ένα εργαλείο διαφήμισης που έχει άμεσο αντίκτυπο στις πωλήσεις του προϊόντος. Από λειτουργική άποψη, το stand ενσωματώνει τις λειτουργίες που χρησιμοποιεί ο τομέας του μάρκετινγκ σε επίπεδο λιανικής (Point of Purchase marketing). Ο τομέας αυτός του μάρκετινγκ χρησιμοποιεί τα stand ως ένα μέσο που σκοπό έχει να επηρεάσει τον καταναλωτή να αγοράσει μια συγκεκριμένη μάρκα ή να πραγματοποιήσει μια παρορμητική αγορά. Επικεντρώνεται στην επιθυμία των καταναλωτών να αγοράζουν αγαθά και σκοπός του είναι να κεντρίσει την προσοχή, το ενδιαφέρον και την επιθυμία του καταναλωτή, καθώς και να αποτυπώνεται εύκολα στη μνήμη του. Στα stand ενσωματώνεται χρώμα, κείμενο, υψηλής ποιότητας γραφικά καθώς και στοιχεία εσωτερικού σχεδιασμού που αποτυπώνουν την μάρκα του προς πώληση προϊόντος. Η χρήση τους μπορεί να είναι μόνιμη, ημιμόνιμη ή προσωρινή, σε καταστήματα λιανικής πώλησης ή σε εκθεσιακούς χώρους. Τα είδη των stand ποικίλουν σε επιδαπέδια, επιτραπέζια, τύπου κρεμάστρας, κινητά, σταθερά, και περιστρεφόμενα. Πολλά ενσωματώνουν και σύστημα φωτισμού. Οι κατασκευαστές χρησιμοποιούν διάφορα υλικά ανάλογα με την χρήση του εκάστοτε stand και τις απαιτήσεις στον σχεδιασμό: Χάλυβας και αλουμίνιο Ακρυλικά και πλαστικά υλικά Ξύλο Κυματοειδές χαρτόνι 35

36 Τα κύρια χαρακτηριστικά που πρέπει να έχει ένα stand έκθεσης προϊόντος είναι: Ελκυστική εμφάνιση Σταθερή δομή Ελεύθερη συναρμολόγηση Γρήγορη αποσυναρμολόγηση Εύκολη και γρήγορη μεταφορά [Δ7] Το κυματοειδές χαρτόνι είναι ένα υλικό που χρησιμοποιείται ευρέως στην κατασκευή stand έκθεσης προϊόντων, καθώς με την εφαρμογή του ως υλικό ικανοποιούνται τα παραπάνω χαρακτηριστικά που απαιτείται να έχει ένα stand. Επίσης είναι αρκετά οικονομικό και φιλικό προς το περιβάλλον. Υπάρχουν δύο τρόποι για την κατασκευή ενός stand από κυματοειδή χαρτόνι. Τα καρφωτά στο πλάι, όπου ο κορμός του σταντ αποτελείται από δύο φύλλα κυματοειδούς χαρτονιού που ενώνονται στο πλάι και τα σταντ από ένα ενιαίο φύλλο χαρτονιού. Η σύνδεση των στοιχείων του γίνεται είτε με κατάλληλη διαμόρφωση των άκρων τους, είτε με εξωτερικά εξαρτήματα, είτε με χρήση κόλλας. Στο πάνω μέρος του stand τοποθετείται ένα επιπλέον κάθετο στοιχείο, η κορωνίδα, στην οποία αναγράφονται τα στοιχεία της μάρκας του προϊόντος. Κατά την εκπόνηση της συγκεκριμένης εργασίας σχεδιάστηκε ένα stand έκθεσης προϊόντος από κυματοειδή χαρτόνι για την τοποθέτηση και έκθεση συσκευασιών λουκουμιών. Ιδιαίτερη βαρύτητα δόθηκε στον τρόπο σύνδεσης των πάνελ κυματοειδούς χαρτονιού. Βασικός περιορισμός ήταν η μη χρήση πρόσθετων εξαρτημάτων για την ένωση των στοιχείων του stand, αλλά η κατάλληλη διαμόρφωση των άκρων τους. Σχεδιάστηκαν τρεις διαφορετικές συνδέσεις για την ένωση του κορμού του σταντ με τα ράφια, με σκοπό να γίνει μια ποιοτική αξιολόγηση αυτών. Ο σχεδιασμός των ενώσεων καθώς και του συνόλου του σταντ βασίστηκε στην καθαρή και απλή γεωμετρία. Ο σχεδιασμός του stand έγινε με βάση τις τυποποιημένες διαστάσεις φύλλων χαρτονιού που χρησιμοποιεί η εταιρία ( ).Οι διαστάσεις αυτές είναι 100 x 140 cm και 80 x 140 cm. Με βάση αυτές τις διαστάσεις το μέγιστο ύψος κορμού που μπορεί να σχεδιαστεί είναι 135 cm. Το ύψος του συνολικού stand μαζί με την κορωνίδα μπορεί να φτάσει τα 180 cm. 2.2 ΒΑΣΙΚΕΣ ΠΡΟΔΙΑΓΡΑΦΕΣ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ Απλός-καθαρός σχεδιασμός Διαμόρφωση μεγέθους ραφιού ώστε να επιτρέπει την τοποθέτηση συσκευασίας διαστάσεων 8,5 x 18,5 x 3,50 cm Να πραγματοποιείται η καλύτερη δυνατή τοποθέτηση των συσκευασιών Χρήση όσο το δυνατόν λιγότερου υλικού 36

37 Η σύνδεση των ραφιών με τον κορμό να πραγματοποιείται με την κατάλληλη διαμόρφωση των άκρων των πάνελ κυματοειδούς χαρτιού Το μέγιστο ύψος του κορμού να είναι 135 cm 2.3 ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ Η διάσταση της προς τοποθέτηση συσκευασίας λουκουμιών είναι 8,5 x 18,5 x 3,5 cm και έχει βάρος 435 γραμμάρια. Η τοποθέτηση τους πάνω σε ένα ράφι μπορεί να πραγματοποιηθεί είτε κατά μήκος του ραφιού, είτε κατά πλάτος. Λαμβάνοντας υπόψιν ότι οι τυποποιημένες διαστάσεις ενός πάνελ κυματοειδούς χαρτονιού είναι 100 x 140 cm ή 80 x 140 cm, παρατηρήθηκε ότι με την τοποθέτηση των συσκευασιών κατά πλάτος, η χρήση ενός πάνελ κυματοειδούς χαρτονιού διαστάσεων 100 x 140 cm αρκεί για να αποτελέσει την πλάτη και τα πλαϊνά του σταντ. Στο παρακάτω σχήμα φαίνονται οι διαστάσεις του κορμού σε χιλιοστά, καθώς και το πλάτος και βάθος του ραφιού. Το πάχος του χαρτονιού που χρησιμοποιήθηκε για τον κορμό του σταντ έχει πάχος 3 cm. Το ύψος του κορμού έχει ύψος 135 cm και η κορωνίδα 20 cm. Τα ράφια συνδέονται με τον κορμό στην πλάτη και στις άκρες των δύο πλαϊνών στοιχείων. Στην πλάτη υπάρχουν εγκοπές διαστάσεων 55 x 20 cm στις οποίες τοποθετούνται οι αντίστοιχες προεξοχές των ραφιών. Για την ένωση των ραφιών με τα πλαϊνά του σταντ σχεδιάστηκαν τρεις διαφορετικές συνδέσεις με κατάλληλη διαμόρφωση των άκρων. Τα ύψη για την τοποθέτηση των ραφιών επιλέχτηκαν με βάση των αριθμό των συσκευασιών που θα τοποθετούνται σε κάθε ράφι. Από κάτω προς τα πάνω, στο πρώτο ράφι μπορούν να τοποθετηθούν έως 11 συσκευασίες κατά ύψος, αφήνοντας ένας περιθώριο 2.5 cm για να μπορεί εύκολα να απομακρυνθεί η συσκευασία. Κατά μήκος μπορούν να τοποθετηθούν έως 6 συσκευασίες, αφήνοντας ένα περιθώριο 2 cm. Το μέγιστο σύνολο λοιπόν των συσκευασιών που χωρούν στο πρώτο ράφι είναι 66 συσκευασίες. Αντίστοιχα, στο δεύτερο και τρίτο ράφι μπορούν να τοποθετηθούν έως 9 συσκευασίες κατά ύψος και 6 συσκευασίες κατά μήκος, άρα από 54 συσκευασίες στο κάθε ράφι. Ο συνολικός αριθμός των συσκευασιών που μπορούν να τοποθετηθούν στο συγκεκριμένο σταντ είναι 174. Λαμβάνοντας υπόψιν το βάρος της κάθε συσκευασίας (435 γραμμάρια), υπολογίζεται ότι το ράφι με την μεγαλύτερη χωρητικότητα πρέπει να αντέχει βάρος 28,710 kg και τα άλλα δύο από 23,490 kg. Το συνολικό βάρος που πρέπει να αντέχει το σταντ σε πλήρη φόρτιση είναι 75,690 kg. 37

38 Εικόνα 2.1 Διαστασιολόγηση κορμού του stand 2.4 ΓΕΝΙΚΟΙ ΤΡΟΠΟΙ ΣΥΝΔΕΣΗΣ ΠΑΝΕΛ ΑΠΟ ΚΥΜΑΤΟΕΙΔΕΣ ΧΑΡΤΟΝΙ Η χρήση του κυματοειδούς χαρτονιού σε ολοένα και περισσότερες εφαρμογές δημιούργησε την ανάγκη για ανάπτυξη νέων τρόπων σύνδεσης μεταξύ των πάνελ από κυματοειδές χαρτόνι προκειμένου να ενωθούν είτε κάθετα, είτε παράλληλα μεταξύ τους. Η σύνδεση αυτή επιτυγχάνεται είτε με τη χρήση εξωτερικών 38

39 εξαρτημάτων, είτε με την κατάλληλη διαμόρφωση των πλευρών των πάνελ. Γενικά συνηθίζεται να μην χρησιμοποιούνται εξαρτήματα ή εμφυτεύματα για την σύνδεση των χάρτινων πάνελ, εκτός αν το απαιτεί η κατασκευή. Κατά την εκπόνηση της συγκεκριμένης εργασίας, μελετήθηκαν οι συνδεσμολογίες που πραγματοποιούνται με την κατάλληλη μορφοποίηση των άκρων των πάνελ. Οι συνδέσεις αυτές είναι οι ίδιες που συναντάμε σε ξύλινες κατασκευές, όπως η σύνδεση tongue and groove, η δακτυλοειδή σύνδεση (finger-joint) και η lap. TONGUE AND GROOVE Στα ελληνικά η μέθοδος αυτή είναι γνωστή ως σύνδεση γλώσσας-σχισμής. Είναι η πιο διαδεδομένη μέθοδος που χρησιμοποιείται για την σύνδεση χάρτινων πάνελ. Πρόκειται για μια απλή μέθοδο σύνδεσης όπου ουσιαστικά το ένα πάνελ σχηματίζει μια εγκοπή και το άλλο μια προεξοχή που εφάπτεται ακριβώς μέσα στην εγκοπή. Επιτρέπει την κάθετη σύνδεση των πάνελ. LAP JOINT Εικόνα 2.2 Παράδειγμα σύνδεσης tongue and groove Οι ενώσεις αυτές χρησιμοποιούνται ευρέως σε ξύλο, μέταλλο και πλαστικό. Πρόκειται για μια τεχνική που επιτρέπει την ένωση δύο πάνελ κυματοειδούς χαρτονιού μέσω επικάλυψης. Η επικάλυψη αυτή μπορεί να είναι είτε πλήρη επικάλυψη είτε επικάλυψη κατά το ήμισυ. Οι συνδέσεις αυτές δίνουν την δυνατότητα κάθετης σύνδεσης δυο πάνελ καθώς και τη δυνατότητα δημιουργίας τρισδιάστατης δομής, με την χρήση ενός πάνελ ως κεντρικό στοιχείο στο οποίο διατάσσονται κυκλικά πάνελ κομμένα στο ίδιο σχήμα. Half lap Στην περίπτωση της σύνδεσης half lap (κατά το ήμισυ), αφαιρείται το μισό του υλικού σε κάθε ένα από τα προς ένωση πάνελ κυματοειδούς χαρτονιού, έτσι ώστε να ταιριάζουν μεταξύ τους και η ένωση που προκύπτει να έχει το ίδιο πάχος με το κάθε ένα από τα μέλη της σύνδεσης. 39

40 Εικόνα 2.3 Παράδειγμα σύνδεσης half lap Full lap Στην περίπτωση της σύνδεσης full lap, δεν αφαιρείται υλικό από τα μέλη της σύνδεσης και το πάχος της σύνδεσης που προκύπτει είναι ο συνδυασμός του πάχους των δυο μελών. Εικόνα 2.4 Παράδειγμα σύνδεσης full lap FINGER JOINT Κατά την δακτυλοειδή σύνδεση ακολουθείτε η κοπή μιας σειράς συμπληρωματικών ορθογωνίων σε δυο πάνελ κυματοειδούς χαρτιού, τα οποία στην συνέχεια αλληλοσυνδέονται σε γωνία 90 μοιρών. Με την σύνδεση αυτή κατασκευάζονται κλειστές τετραγωνικές δομές. - Εικόνα 2.5 Σύνδεση finger joint 40

41 2.5 ΣΥΝΔΕΣΜΟΙ ΠΟΥ ΣΧΕΔΙΑΣΤΗΚΑΝ Κατά την εκπόνηση της εργασίας σχεδιάστηκαν τρεις διαφορετικοί σύνδεσμοι για την ένωση του κορμού του stand με τα ράφια. Η ένωση των στοιχείων πραγματοποιείται στην πλάτη του κορμού και στα πλαϊνά. Και στα τρία concept ακολουθείται ο ίδιος τρόπος σύνδεσης με την πλάτη, με την δημιουργία δύο εγκοπών για κάθε ράφι, διαστάσεων 55 x 20 cm. Διαφοροποιείται ο τρόπος σύνδεσης με τα δύο πλαϊνά του κορμού. Concept 1 (εσοχή) Κατά την συγκεκριμένη συνδεσμολογία σχεδιάστηκε από μια εσοχή στα πλαϊνά στοιχεία του stand βάθους 13 cm και πλάτους 2 cm. Στην εσοχή αυτή εφαρμόζει το ράφι με την αντίστοιχη προεξοχή. Το πάχος του ραφιού είναι 2 cm. Στα παρακάτω σχήματα αναγράφονται οι πλήρης διαστάσεις του ραφιού και οι διαστάσεις της εσοχής στα πλαϊνά του stand όπου γίνεται η ένωση. Εικόνα 2.6 Διαστασιολόγηση ραφιού concept1 41

42 Εικόνα2.7 Διαστάσεις εσοχής concept 1 Concept 2 (Half lap) Στην συγκεκριμένη συνδεσμολογία η εσοχή έχει βάθος 4 cm και πλάτος 1,5 cm (το ήμισυ του πάχους του χαρτονιού που χρησιμοποιήθηκε στον κορμό). Το πάχος του ραφιού είναι 2 cm. Στα παρακάτω σχήματα αναγράφονται οι πλήρης διαστάσεις του ραφιού και οι διαστάσεις της εσοχής στα πλαϊνά του stand όπου γίνεται η ένωση. 42

43 Εικόνα 2.8 Διαστασιολόγηση ραφιού concept2 Εικόνα 2.9 Διαστάσεις εσοχής concept 2 43

44 Concept 3 (Through) Στην συγκεκριμένη συνδεσμολογία έχει σχεδιαστεί μια εσοχή βάθους 4 cm και πλάτους 3 cm, που ισούται με το πάχος του χαρτονιού του κορμού. Το πάχος του ραφιού είναι 2 cm. Στα παρακάτω σχήματα αναγράφονται οι πλήρης διαστάσεις του ραφιού και οι διαστάσεις της εσοχής στα πλαϊνά του stand όπου γίνεται η ένωση. Εικόνα 2.10 Διαστασιολόγηση ραφιού concept 3 44

45 Εικόνα 2.11 Διαστάσεις εσοχής concept 3 45

46 3 ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΚΑΙ ΑΝΑΛΥΣΗ ΣΥΝΔΕΣΕΩΝ Στο κεφάλαιο αυτό μελετάται η μηχανική συμπεριφορά των συνδέσεων των 3 concepts που σχεδιάστηκαν στο προηγούμενο κεφάλαιο. Αρχικά είναι αναγκαίο να υπολογιστεί η μηχανική συμπεριφορά των πάνελ χαρτοκυψέλης με στόχο την εύρεση των μηχανικών του ιδιοτήτων, οι οποίες θα χρησιμοποιηθούν για την ανάλυση των τριών συνδέσεων που θα παρουσιαστούν σε επόμενη ενότητα. 3.1 ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΤΩΝ ΠΑΝΕΛ Η μηχανική συμπεριφορά των πάνελ έγινε με χρήση του προγράμματος πεπερασμένων στοιχείων ANSYS. Χρησιμοποιήθηκε το μοντέλο που αναπτύχθηκε στην [1]. Αρχικά μοντελοποιήθηκε παραμετρικά η περιοδική δομή του πάνελ, η γεωμετρία της οποίας καθορίζεται από το πλάτος, το ύψος και το πάχος (Εικόνα 3.1). Το πλάτος και το ύψος ενός στοιχειώδους κελιού καθώς και ο αριθμός τους είναι μεταβλητές του μοντέλου. Το πάχος θεωρήθηκε σταθερό και ίσο με το πάχος της χαρτοκυψέλης που χρησιμοποιήθηκε (20 mm). Εικόνα 3.1 Μοντέλο της χαρτοκυψέλης Το χαρτί από το οποίο κατασκευάζεται η χαρτοκυψέλη έχει τις εξής ιδιότητες [1]: E 1 =2675 MPa στην διεύθυνση CD, E 2=7805 MPa στην διεύθυνση ΜD, G =1690 MPa και n 12 =0,35, n 21 =0,12. Το πάχος του χαρτιού είναι 0,1 mm για την κυματοειδή διαμόρφωση και 0,3 mm για τις δύο επίπεδες βάσεις. Για τον πλήρη τρισδιάστατο χαρακτηρισμό του πάνελ εφαρμόστηκαν 6 διαφορετικές φορτίσεις της χαρτοκυψέλης [ΧΧ1], όπως φαίνονται στην Εικόνα 3.2. Σε κάθε φόρτιση το ένα 46

47 άκρο της χαρτoκυψέλης είναι πακτωμένο, ενώ στο άλλο άκρο εφαρμόζεται ορθή ή γωνιακή παραμόρφωση ίση με 1%. Από την ανάλυση υπολογίζονται οι αντιδράσεις και είναι δυνατός ο υπολογισμός των αντίστοιχων τάσεων και μέτρων ελαστικότητας ή διάτμησης. Από τις εγκάρσιες παραμορφώσεις στις 3 πρώτες φορτίσεις υπολογίζονται και οι αντίστοιχοι λόγοι Poisson ΔΟΜΙΚΗ ΣΥΓΚΛΙΣΗΣ Πριν προχωρήσουμε στις παραμετρικές αναλύσεις, είναι αναγκαίο να καθορίσουμε τον αριθμό των στοιχειωδών κελιών που πρέπει να μοντελοποιηθούν για να είναι ακριβής ο προσδιορισμός των μηχανικών ιδιοτήτων. Για το σκοπό αυτό έγιναν 11 συνολικά αρχικές αναλύσεις με συνεχόμενα αυξανόμενο αριθμό κελιών (ίδιος αριθμός στο πλάτος και ύψος). Εξετάστηκε η μεταβολή του μέτρο ελαστικότητας E x συναρτήσει του αριθμού των κελιών, όπως φαίνεται στην Εικόνα 3.2. Παρατηρούμε ότι περίπου στα 6 με 8 κελιά έχουμε αρκετή καλή σύγκλιση στη τιμή του μέτρου ελαστικότητας και ο αριθμός αυτός θα χρησιμοποιηθεί στις ακόλουθες αναλύσεις ΠΑΡΑΜΕΤΡΙΚΕΣ ΑΝΑΛΥΣΕΙΣ Χρησιμοποιώντας τις φορτίσεις του Πίνακα 3.1, μελετήθηκαν 8 διαφορετικοί τύποι χαρτοκυψέλης. Ο κάθε τύπος καθορίζεται από το πλάτος και το ύψος του στοιχειώδους κελιού. Οι τιμές παρουσιάζονται στον Πίνακα 3.2. Τα αποτελέσματα των αναλύσεων παρουσιάζονται στις Εικόνες 3.3 και 3.4. Παρατηρούμε ότι έχουμε σημαντική επίδραση στις τιμές των E x και E z ενώ η τιμή του E y δεν φαίνεται να επηρεάζεται σημαντικά από τον τύπο της χαρτοκυψέλης. Ανάλογη συμπεριφορά δείχνει και το μέτρο διάτμησης G yz. Για τον τύπο Α που είναι ο τύπος της χαρτοκυψέλης από τον οποίο κατασκευάστηκαν τα πρότυπα έπιπλα, οι τιμές των ελαστικών σταθερών που υπολογίστηκαν είναι: E x =431 MPa, E y =179 MPa, E z =225 MPa, G xy =46,1 MPa, G yz =33,3 MPa, G xz =30,8 MPa, n xy =0,25, n yx =0,20, n yz =0,02, n zy =0,01, n xz =0,08 και n zx =0, ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΣΗ ΤΑΣΕΩΝ Στη συνέχεια υπολογίστηκε η συγκέντρωση τάσης στο χαρτί, λόγω της φόρτισης της χαρτοκυψέλης. Στον τύπο Α χαρτοκυψέλης εφαρμόστηκε για τις 3 πρώτες φορτίσεις τάση ίση με 1 MPa. Οι μέγιστες (εφελκυστικές) και ελάχιστες (θλιπτικές) κύριες τάσεις στην συνολική δομή αποτελούν την αντίστοιχη συγκέντρωση τάσεων. 47

48 Πίνακας 3.1 Τύποι φόρτισης και μηχανικές ιδιότητες Τύπος φόρτισης Ποσότητες που υπολογίζονται 1 Εφελκυσμός στον άξονα x E x, n xy, n xz 2 Εφελκυσμός στον άξονα y E y, n yx, n yz 3 Εφελκυσμός στον άξονα z E z, n zx, n zy 4 Διάτμηση στο επίπεδο xy G xy 5 Διάτμηση στο επίπεδο yz G yz 6 Διάτμηση στο επίπεδο xz G xz 48

49 Εx (MPa) Αριθμός κελιών Εικόνα 3.2 Δοκιμή σύγκλισης Πίνακας 3.2 Περιπτώσεις γεωμετρίας που εξετάστηκαν Τύπος Πλάτος (mm) Ύψος (mm) Κ 15 8 Α 8 5 C 7,5 3,5 B 6 2,5 D 4,5 2 E 3,2 1,4 F 2,3 0,9 G 1,8 0, Μέτρο ελαστικότητας (MPa) Εx Εy Εz K A C B D E F G Τύπος διαμόρφωσης Εικόνα 3.3 Μέτρα ελαστικότητας συναρτήσει του τύπου διαμόρφωσης 49

50 350 Μέτρο διάτμησης (MPa) Gxy Gyz Gxz 50 0 K A C B D E F G Τύπος διαμόρφωσης Εικόνα 3.4 Μέτρα διάτμησης συναρτήσει του τύπου διαμόρφωσης Στις επόμενες εικόνες ( ) παρουσιάζεται η κατανομή των μέγιστων και ελάχιστων κύριων τάσεων για τις 3 φορτίσεις. Η μέγιστη κύρια τάση παίρνει τις ακόλουθες μέγιστες τιμές για τις 3 φορτίσεις: 23, 46 και 1 ΜPa. Αν και η μέγιστη συγκέντρωση φαίνεται να αναπτύσσεται στην φόρτιση 2, παρατηρώντας προσεκτικά θα δούμε ότι αυτή είναι συγκεντρωμένη σε μια πολύ μικρή περιοχή του χαρτιού. Αντίθετα, στη φόρτιση 1, συγκέντρωση τάσεων ίση με 20 είναι σε μια πολύ μεγάλη περιοχή του χαρτιού. Μπορούμε λοιπόν να θεωρήσουμε ότι αυτή είναι μέγιστη συγκέντρωση τάσεων σε εφελκυσμό. Για τις θλιπτικές τάσεις, παρατηρούμε ανάλογα ότι η μέγιστη συγκέντρωση θλιπτικών τάσεων παρουσιάζεται στην φόρτιση 3 και είναι περίπου ίση με 12. Θεωρώντας μια μέση ελάχιστη αντοχή του χαρτιού 20 MPa σε εφελκυσμό (κυμαίνεται από 9-35 MPa στη διεύθυνση CD) και μια μέση ελάχιστη αντοχή σε διάτμηση 12 MPa (κυμαίνεται από 5-17 MPa στη διεύθυνση CD), μπορούμε να συμπεράνουμε ότι η μέγιστη επιτρεπόμενη τάση στην χαρτοκυψέλη, τόσο σε εφελκυσμό όσο και σε θλίψη, είναι περίπου 1 MPa. Αυτή η τιμή θα χρησιμοποιηθεί στην ενότητα 3.3 για τον προσδιορισμό της αντοχής των συνδέσεων. 50

51 Εικόνα 3.5 Κατανομή μέγιστης κύριας τάσης κατά την φόρτιση 1 Εικόνα 3.6 Κατανομή μέγιστης κύριας τάσης κατά την φόρτιση 2 51

52 Εικόνα 3.7 Κατανομή μέγιστης κύριας τάσης κατά την φόρτιση 3 Εικόνα 3.8 Κατανομή ελάχιστης κύριας τάσης κατά την φόρτιση 1 Εικόνα 3.9 Κατανομή ελάχιστης κύριας τάσης κατά την φόρτιση 2 52

53 Εικόνα 3.10 Κατανομή ελάχιστης κύριας τάσης κατά την φόρτιση ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΣΥΝΔΕΣΕΩΝ Σε αυτή την ενότητα μοντελοποιείται η μηχανική συμπεριφορά των συνδέσεων που αντιστοιχούν στα τρία concepts που παρουσιάστηκαν στο κεφάλαιο 2. Για την μοντελοποίηση χρησιμοποιήθηκε το πρόγραμμα Creo. Κάθε concept μοντελοποιήθηκε ξεχωριστά χρησιμοποιώντας μόνο ένα ράφι και ένα τμήμα του κορμού, το οποίο θεωρήθηκε πακτωμένο στο κάτω μέρος του (Εικόνες ). Λόγω της επαφής μεταξύ του κορμού και των ραφιών, η ανάλυση είναι μη γραμμική. Θεωρήθηκε μια ομοιόμορφη κατανεμημένη δύναμη στο ράφι και εφαρμόστηκε σταδιακά από 0 έως 50 kg (500 N) με βήμα 12,5 Kg (125 N). Το υλικό της χαρτοκυψέλης θεωρήθηκε ορθότροπο και εισήχθηκαν όλες οι ιδιότητες που υπολογίστηκαν στην ενότητα 3.1, όπως φαίνεται στην Εικόνα Εικόνα 3.11 Μοντέλο σύνδεσης του concept 1 53

54 Εικόνα 3.12 Μοντέλο σύνδεσης του concept 2 Εικόνα 3.13 Μοντέλο σύνδεσης του concept 3 54

55 Εικόνα 3.14 Εισαγωγή ιδιοτήτων χαρτοκυψέλης Στην συνέχεια εξετάστηκε η κατανομή των μέγιστων και ελάχιστων κυρίων τάσεων καθώς και των μέγιστων μετατοπίσεων συναρτήσει του εφαρμοζόμενου φορτίου. Στόχος είναι να επιλέξουμε την κατάλληλη σύνδεση. Στις επόμενες εικόνες παρουσιάζονται οι κατανομές των μέγιστων και ελάχιστων κύριων τάσεων και των μετατοπίσεων και για τα τρία concepts για την μεγαλύτερη φόρτιση των 50 kg. Για την περίπτωση του concept 1 η μέγιστη κύρια τάση (εφελκυσμός) είναι μεγαλύτερη στο πίσω μέρος της επαφής μεταξύ του κορμού και του ραφιού και είναι 3,54 MPa (Εικόνα 3.15). H ελάχιστη κύρια τάση (θλίψη) είναι μεγαλύτερη στο μπροστινό μέρος της επαφής και είναι 2,90 MPa (Εικόνα 3.16). Η μέγιστη μετατόπιση (μέτρο) παρουσιάζεται στο μπροστινό μέρος του ραφιού και είναι περίπου 4 mm (Εικόνα 3.17). Για το concept 2 οι αντίστοιχες τιμές είναι 3,31 MPa, 5,48 MPa και 5 mm (Εικόνες ). Παρατηρούμε ότι η σύνδεση αυτή παρουσιάζει πολύ μεγαλύτερη θλιπτική τάση και μεγαλύτερη μετατόπιση. Για το concept 3 οι αντίστοιχες τιμές είναι 3,75 MPa, 3,95 MPa και 4,5 mm (Εικόνες ). Παρατηρούμε ότι η σύνδεση αυτή παρουσιάζει μεγαλύτερη θλιπτική τάση και μεγαλύτερη μετατόπιση από το concept 1 αλλά μικρότερες τιμές από το concept 2. Οι τιμές των μετατοπίσεων και των εφελκυστικών και θλιπτικών τάσεων συναρτήσει του φορτίου παρουσιάζονται στις Εικόνες Παρατηρούμε ότι σε όλες τις περιπτώσεις η συμπεριφορά είναι γραμμική. Από λεπτομερή εξέταση της επίλυσης, φαίνεται ότι η 55