Dynamické testování obalů a balení

Vzrůstající produkce zboží je spojena s rozvojem dopravy, která již umožňuje jeho relativně snadnou a rychlou distribuci již v měřítkách planety. Tyto jevy s sebou zákonitě nesou potřebu rozvoje dalších navazujících oblastí. Jednou z těchto potřeb je důkladnější pochopení a analýza jevů a dějů, odehrávajících se během balení, manipulace a přepravy zmiňovaného zboží. Proto zaznamenáváme i adekvátní rozvoj zkušebnictví, zaměřeného především na simulace rizik, která vznikají v celém řetězci oběhu zboží a která je nutno definovat, prověřit a analyzovat. Dá se říci, že z pohledu zkoušení je tento obor zaměřen dvěma hlavními směry:

Zkoušení za účelem zajištění bezpečnosti přepravy a zamezení ohrožení zdraví, životů a negativního dopadu na okolní prostředí. Toto je zájem celé společnosti a tak zde jsou podmínky určovány především zákonnou legislativou, např. mezinárodnímy předpisy o přepravě nebezpečných věcí (ADR, RID, IMDG-code, IATA DGR…).

Zkoušení za účelem lepší ochrany zboží, snížení nákladů na balení, prevence před vznikem havárií a další, na tyto navazující účely. Zde je hlavní zájem na straně výrobců, přepravců a spotřebitelů. Jelikož v tomto případě legislativa hraje spíše pomocnou úlohu a není příliš rozvinutá (jen např. ve formě normovaných typů zkoušek, rámcových postupů, ovšem již bez upřesňujících parametrů), často se vývoj ubírá netradičními a zajímavými cestami pro dosažení požadovaného cíle.

Nebude na škodu připomenout, že zkoušením obecně rozumíme simulaci stavů, průběhů a podmínek, které jsou předmětem našeho zájmu a které je obtížné sledovat a posuzovat během jejich reálného výskytu. V tomto článku zmíním a popíši řadu základních dynamických testů, používaných ke zkoušení obalů a balení a které lze najít jak v platné legislativě, tak v různých obměnách a kombinacích i jako použitý a upravený prostředek analýzy problému. Dynamickými testy chápeme takové zkoušení, při kterém dochází k výrazným pohybům zkušebních prostředků (strojů, zařízení, přípravků) nebo zkoušených objektů (vzorků-obalů). Nejčastěji jsou používány následující dynamické zkoušky a základní namáhání:

Zkouška volným pádem

Primárním účelem zkoušky je zjištění odolnosti a ochranných vlastností obalů vůči nebezpečí pádů během manipulace a přepravy. Dá se ale aplikovat i jako základní poznatek při zjišťování  pevnosti a odolnosti obalů všeobecně. Pro svou jednoduchost a nenáročnost na vybavení v protikladu k poměrně značné vypovídající hodnotě je často zařazována jako základní zkouška do rozsáhlejších zkušebních programů.

V principu se jedná o volný pád zkoušeného objektu (v našem případě nějakého balení) z dané výšky kolmo na tvrdou tuhou podložku. Jsou definovány i nárazové povrchy a části vzorku. Pro základní geometrické tvary (kvádr, válec) nebo základní typy obalů (krabice, pytel) existují normy, popisující identifikaci těchto povrchů. Aby bylo zaručeno provedení pádu bez znepřesňujících vlivů, využívá se různých typů padostrojů. Mohou to být jednoduché, impulsem otevírané závěsy, propadla, nuceně sklopné visuté plochy s přidržováním vzorku v dané poloze a podobně. Vhodný výběr padostroje pro daný záměr záleží na velikosti a typu zkoušeného obalu.

Vyhodnocována je míra poškození a deformace jak obalu, tak i baleného zboží. Jako další doplňkový nástroj pro důkladnější posuzování nám může sloužit tzv. G-metr. Jde o snímač přetížení, měřící velikost zpoždění během nárazu v reálném čase. Snímač může být buď pouze jednoosý a pak je umisťovaný na zkušební vzorek vždy ve směru nárazu nebo může být tříosý s libovolnou orientací. V takovém případě je výstupem vektorový součet všech tří os a snímač může mít neměnnou polohu při změně orientace opakovaných pádů.  Ze strany výrobců choulostivých zařízení, jako je např. elektronika, se často setkáváme s potřebou kvantifikace přetížení, působících na zboží během takových rizikových situací.

Zkouška vibracemi

Tato zkouška je cílena na simulaci rizik vibrací, vznikajících zejména během různých druhů přeprav. Jelikož tato vibrační rizika mají veliké množství podob a teorie vibrací je složitou problematikou, je i převedení těchto jevů do simulací velmi náročné jak na zkušební techniku, tak i na správné metodiky zkoušek. Existuje poměrně široké spektrum vibračních strojů a stolic, založených na mechanickém, pneumatickém, hydraulickém nebo elektromagnetickém principu. Setkáváme se od nejjednodušších vertikálních mechanických systémů s pevnou amplitudou až po složité soustavy hydraulických jednotek se sofistikovaným PC řízením ve všech třech osách. Nelze se na tomto místě hlouběji věnovat celé oblasti, ale alespoň zmíním hlavní dnešní trend při zkouškách přepravních obalů, ke kterému dospěl vývoj. Asi nejrozšířenějším systémem jsou jednoosé elektromagnetické vibrátory, které jsou schopny „přehrávat“ počítači generované tzv. „náhodné vibrace“. Pod tímto pojmem si lze představit měnící se směs frekvencí a amplitud, určenou jakousi statistickou vibrační mapou nebo spíše vibračním spektrem, vymezeném frekvenčním rozsahem a výkonovou křivkou průměrného zrychlení pro jednotlivé frekvence.  Každý druh dopravy a každá situace má své osobité vibrační spektrum. Volbou takové vhodné „mapy“ jsme pak schopni se při vibračních simulacích velmi přiblížit reálným podmínkám nebo nastavit přesnou velikost vibrační zátěže, která má reálný charakter. Navíc existují systémy, které pomocí snímače umístěného do přepravního prostředku zaznamenají vibrační průběh cesty a následně ho přesně přehrávají na zkušební stolici.

Zkouška opakovanými otřesy

Název zkoušky svádí domnívat se, že se také jedná o vibrační zkoušku. Principem provedení řekněme ano, ale odehrává se při velmi malých frekvencích. Dále zatímco při vibracích je tendence vzorky pevně kotvit k vibračnímu stolu, v tomto případě spíše ponecháváme volnost pro možný odskok vzorku od stolu. Smyslem této zkoušky je vystavit balení přesnému počtu přesně definovaných otřesů. Většinou se tím snažíme nasimulovat nějaký „šok“ nebo „šoky“, které se můžou náhle vyskytnou v běžném spektru namáhání.  Konkrétně např. při vibrační zkoušce simulace nákladní přepravy takto na balení prověříme i neočekávanou překážku na cestě (kámen, zanedbaný žel. přejezd, výmol, přehlédnutý retardér, nezakrytý kanál…). U přepravy zboží na dlouhé vzdálenosti máme normy, které se snaží vyčíslit očekávané množství  a velikost takových otřesů.

Zkouška horizontálními rázy (přetíženími)

Doposud u všech uvedených testů převládalo zatěžování v jednom (vertikálním) směru. Balené zboží je při svém oběhu samozřejmě rovněž vystaveno různým typům namáhání také v horizontálním směru. Proto je nutné nezapomenout i na tento důležitý druh zkoušek, který prověřuje také tuto oblast. Typickým příkladem může být působení setrvačných a odstředivých sil na přepravované balené zboží při přepravě. Základním nástrojem pro simulace a zkoušení těchto podmínek je vozík, s umístěným testovaným vzorkem, pohybující se na určité dráze. Může se jednat o nakloněnou rovinu, kde je potom vozík volně spouštěn, následně nuceně zastavován a tím je vyvozováno požadované zpomalení. Nebo dráha může být vodorovná a v takovém případě je nutný nucený a řízený pohyb vozíku, např. elektromotorem. Nejvíce je zkouška užívaná u paletových jednotek, kde je na paletu baleno zboží i do značných výšek a vzniká tím citlivost na stabilitu při takovém typu namáhání. Za příklad tohoto využití poslouží zařízení společnosti Ekobal, které je s nastavitelným sklonem nakloněné roviny, se záznamem dosahovaných přetížení a s optickým měřením celého průběhu dynamické výchylky testované jednotky během zastavení vozíku (tzv. Pallet Dynamic Test, zkráceně „PalDynTest“). Je používán pro analýzu balení paletových jednotek do stretch fólie a společnost Ekobal tím úspěšně zefektivňuje balící procesy u svých zákazníků a ve větších měřítkách sériovosti tak dosahuje nezanedbatelných úspor.

Při výčtu popsaných zkoušek je třeba si uvědomit, že jde pouze o hrubé seznámení se základními principy. Můžeme narazit i na jiné druhy zkoušení a nebo zejména na různé kombinace a podoby vyjmenovaných. I názvosloví může být odlišné, použil jsem terminologii užívanou v ČSN EN normách.