最適な「緩衝材厚さ」 とは

裁量で包装設計を行っていませんか？
包装設計を見直すことで、輸送費を大幅に削減できるかもしれません。

最適な包装設計は、物流データから理論的に求めることが出来ます。


１.包装設計の目的


包装設計の目的には主に下記の2つがあります。
　・内容品の保護
　・物流コストの削減
貨物は内容品が破損することなくエンドユーザーへ届けられる必要があり、
内容品を保護するために緩衝設計がなされます。
製品に発生する衝撃加速度を小さくするためには、大きな梱包箱を用意し、多量に緩衝材を封入すればよいのです。

一方で、物流コストを削減するためには、
箱の大きさを小さくすることで一回の運搬量を増やし、
配送回数を減らすことが必要になります。
箱の大きさを小さくし、緩衝材の使用量を少なくすることで、
緩衝材の材料費を削減することにも繋がります。

以上より、内容品の保護、物流コスト削減を考慮すると、
内容品に発生する加速度が許容加速度を超えない範囲で
可能な限り貨物の大きさを小さくすることが、
最適な包装設計であると考えることが出来ます。


２.緩衝とは

緩衝材が変形することによるエネルギー吸収量は、
落下前の貨物の位置エネルギーと等しく下記で表されます。
　　Ep＝mgh [ J ]
位置エネルギーを吸収する緩衝体の体積は、
受圧面積をA、緩衝体厚さをtとしたとき、
　　V=At
となり、緩衝材1cm3当たりに吸収するエネルギー量は
　　 ε＝Ep/V
で表されます。
このことから、εが大きくなれば、緩衝材の使用量を減らすことができることになります。

図1　εとVの関係

 

３．最適な緩衝材寸法
力学的エネルギーは、縦軸を力F、横軸を変位xとしたとき、
Fx図の面積（図2　左下）で表され、
これは緩衝部全体（V=At）の変形による吸収エネルギー、
つまり貨物落下前の位置エネルギーEpに相当します。

また、受圧部全体に加わる力をFとすると、
単位面積（1cm2）に加わる力（応力）は
　　σ＝F/A[N/cm2]
となります。また、厚さt[cm]における変位x[cm]は、
厚さ1[cm]における変位として
　　S=x/t
で表します。Sは一般的にひずみと呼ばれます。
この時、縦軸を応力σ、横軸をひずみSとしたグラフを描くと
応力ひずみ曲線下の面積がε（1cm3当たりに吸収するエネルギー）です。 

図2　εとは



 

Gファクターを

　　G ＝ a/g　（ a：製品発生加速度、g：重力加速度）

と定義すると、最大応力は

　　σm ＝ F/A ＝ mgG/A

と表され、下記式に変形できる。

　　mg/A ＝ σm /G　 ・・・①

また　ε＝ Ep/V ＝ mgh/At　より

　　t ＝ mgh / εA　　・・・②

となり、①、②より

　　t ＝ σm h / εG

となる。ここで C＝σm/ε （緩衝係数）と定義すると

緩衝体の厚さが

　　t ＝ Ch/G

で表されます。

 

図3　緩衝係数Cの求め方

 

そこで、物流中に想定される最大落下高さをh、

製品の許容加速度をGgとすると、必要緩衝材厚さは下記になります。

　　t＝Ch/G

この式から、Cが小さいほど必要緩衝材厚さが小さくなる、

つまり梱包貨物の大きさを小さくすることが出来ます。

ここで、σ、εが変化すればCの値も変化するため、

応力ひずみ曲線の任意の点からCを求める必要があります。

そこで、図4右下のように、ここでは例として5点のCを計算します。

 

各点における緩衝係数は、図4の左下のように求まります。

そして、横軸を応力σ、縦軸を緩衝係数Cとしたグラフを描くと

右上の図のような曲線が描けます。

緩衝係数が小さいほど、梱包材の大きさを小さくすることが出来るため、

ここでは曲線の最小値であるC3、そしてその時の応力σ3を採用します。

そのC3、σ3から、最適な緩衝材厚さt、その時の受圧面積Aが次式で求まります。

　　 t ＝ C3h/G

　　A＝ mgG/σ3

 

 

図4　最適な貨物の大きさ決定

 

 

 

４．緩衝材料による違い

 

応力ひずみ線図から緩衝材の性質がわかります。

図5の応力ひずみ線図の曲線aは、ひずみが大きくなるにつれ、

曲線の傾きが大きくなります。

これは、圧縮するにしたがって硬くなる性質を持ち

尖った緩衝材や、通気性のある気泡緩衝材などがある。

 

それに対し、cの曲線は圧縮するに従い柔らかくなる性質を持ち、

段ボール・紙といった、座屈系緩衝材が挙げられる。

 

また、曲線bは応力がひずみに比例していることから、

弾性を持ったバネに近い緩衝材であることが分かる。

 

 

図5　応力ひずみ線図からわかる特徴

 

 

５．緩衝性能評価手法

 

緩衝性能の評価方法はJIS Z 0235 - 2002に規定されており、

規格に準拠した試験機として弊社ではACSTを販売しております。

 

ACSTの特長は、サンプル上方より重錘を落下させることにより、

落下衝突時のサンプル圧縮変位、重錘発生加速度を計測します。

重錘に発生した加速度と、サンプル・重錘の情報から、

サンプルに発生する応力を計算します。

また磁歪センサによる変位計測により、

サンプルサイズからひずみを求めます。

この応力、ひずみを用いて、緩衝係数を解析することができ、

梱包貨物の最適緩衝材厚さを求めることができます。

 

図6　緩衝性能評価方法

 

 

緩衝材料評価試験装置　ACST-200



 



詳細は弊社HPをご確認下さいませ。

 

神栄テストマシナリー㈱　HP

https://www.shinyei-tm.co.jp/

 

神栄テストマシナリー

事業開発部　波夛野 諭志