Identifying Critical Business Success Factors of Paperboard Tray

Työn tavoitteena oli kartonkivuoan kriittisten menestystekijöiden ja kilpailuaseman selvittäminen jäähdytettyjen ruokatuotteiden markkinoilla Euroopassa. Kilpailija- ja tavoiteanalyysi suoritettiin kahden suomalaisen pakkaajan kesken. Pakkaajien haastattelut toteutettiin joko henkilökohtaisena tai sähköpostihaastatteluna. Muovi on yleisimmin käytetty jäähdytettyjen ruokatuotteiden pakkausmateriaali. Alumiinivuokien osuus on merkittävä erityisesti laatikkoruokien pakkauksena. Kartonkivuoille on kuitenkin havaittavissa selvää menestyspotentiaalia jäähdytettyjen ruokien pakkauksena. Kartonkivuokien hyvä imago ja edistyksellinen tuotekehitystyö mahdollistavat pakkaajien erityisvaatimuksien täyttämisen ja menestymisen markkinoilla. Kartonkivuoilla on useita ainutlaatuisia kilpailuetu- ja menestystekijöitä, kuten hyvä ulkonäkö ja painojälki. Suurin haaste on saada ruokatuotteiden pakkaajat tietoisiksi kartonkivuokien tuomista pakkausmahdollisuuksista.

Development of Paperboard Forming Tools with a Focus on Intelligent Manufacturing

Tämä diplomityö käsittelee kartonginmuovaukseen käytettävien puristintyökalujen kehittämistä. Työntavoitteina oli kehittää työkalutekniikan suunnittelua ja valmistusta edullisemmaksi, nopeammaksi ja työkaluja toiminnoiltaan tehokkaammiksi. Työn tuli sisältää myös ohjeet työkalujen suunnittelemiseksi ja valmistamiseksi jatkoa ajatellen. Työn aikana selvitettiin mahdollisia työkalurakennevaihtoehtoja, valmistusmateriaaleja sekä niiden käsittelymenetelmiä ja lastuamista sekä sen tarjoamia mahdollisuuksia valmistusmenetelmänä. Työkalupari suunniteltiin modulaariseksi siten, että uusia työkaluja varten vain osa komponenteista täytyy valmistaa uudelleen, samalla työkalun osien lukumäärää pienennettiin merkittävästi. Valmistusmateriaaliksi valittiin hyvin lastuttava työkaluteräs ja sen koneistaminen tapahtui vaakakaraisessa koneistuskeskuksessa. Työn loppuvaiheessa työkalukokonaisuudelle tehtiin kustannuslaskelma jaoteltuna eri työvaiheille sekä komponenteittain. Työkalu asennettiin puristimeen ja sille suoritettiin käyttötestaus. Työn aikana karttuneen kokemuksen sekä koekäytön perusteella tehtiin jatkokehitysehdotuksia.

Priorization of Customer Needs for Paperboard Trays

The objectives of the study were to introduce current issues of chilled and frozen food packaging, priorize certain customer needs and review brand owners’ opinions and ways of actions. Packaging industry and packaged food markets were reviewed. Interviews of food industry brand owners are used as data sources. Analytic hierarchy process was used to prioritize the customer needs. Food packaging, special features of ready meals, chilled and frozen food packaging, packaging industry and packaged food markets in Europe are approached using literature and market reviews and forecasts. In empirical part the customer needs of paperboard trays are prioritized. The most important features for brand owners are related in product safety and environmental issues. Paperboard trays have benefits compared to its competing packaging solutions. Paperboard is recyclable, from renewable source and it has good printability. Emerging issues of packaging technology are biodegradable package, elderly friendly features such as easiness of opening and re-closing possibility, brand protection and tamper evident solutions.

The modular forming press for paperboard packages

In this master’s thesis the structural and functional features of a forming tool are developed to meet the needs of modern packaging production for paperboard packaging are studied. The goal of the study is to develop a new type of machine for the manufacture of the paperboard package by pressing. In the structure of the developed forming press the possibility to modify the packaging as well as the requirements of industrial production, food hygiene and other operational matters are accounted for. The press has been sized based on the main dimensions of a single food-grade paperboard tray. In the LUT Packaging Laboratory the forming press is designed suitable for on-line operation. In addition, suggestions for further development of packaging line and equipment have been made based on the information gathered during this thesis study.

Mechanical closing of the paperboard package and the effect of the shape of paperboard package to its manufacturability

The main objective of this thesis was to design a hinge and a closing mechanism for the plastic rim of a paperboard package. Of the hinge and closing mechanisms the 3D-models were designed using SolidWorks program and the functionality of the mechanisms was tested with rapid prototype models. When a mechanism that worked was found, the manufacturability of the mechanisms was tested in an injection molding machine with changeable inserts. Another objective of this thesis was to test the effect of the shape of paperboard package to its manufacturability. The effect of the packages shape was tested with plastic tools made for three different shaped trays. Suggestions for further research were made according to the results of the thesis.

Press forming of paperboard – advancement of converting tools and process control

Press forming is nowadays one of the most common industrial methods in use for producing deeper trays from paperboard. Demands for material properties like recyclability and sustainability have increased also in the packaging industry, but there are still limitations related to the formability of paperboard. A majority of recent studies have focused on material development, but the potential of the package manufacturing process can also be improved by the development of tooling and process control. In this study, advanced converting tools (die cutting tools and the press forming mould) are created for production scale paperboard tray manufacturing. Also monitoring methods that enable the production of paperboard trays with enhanced quality, and can be utilized in process control are developed. The principles for tray blank preparation, including creasing pattern and die cutting tool design are introduced. The mould heating arrangement and determination of mould clearance are investigated to improve the quality of the press formed trays. The effect of the spring back of the tray walls on the tray dimensions can be managed by adjusting the heat-related process parameters and estimating it at the mould design stage. This enables production speed optimization as the process parameters can be adjusted more freely. Real-time monitoring of pressing force by using multiple force sensors embedded in the mould structure can be utilized in the evaluation of material characteristics on a modified production machinery. Comprehensive process control can be achieved with a combination of measurement of the outer dimensions of the trays and pressing force monitoring. The control method enables detection of defects and tracking changes in the material properties. The optimized converting tools provide a basis for effective operation of the control system.

Hermetic sealing of food packaging trays

Suojakaasupakkaaminen on lisääntynyt voimakkaasti viime vuosina elintarvikkeiden pakkaamisessa sillä pakkaamalla elintarvike suojakaasuun voidaan sen hyllyikää pidentää ilman säilöntäaineita. Tällainen pakkaaminen vaatii kuitenkin täysin kaasutiiviin pakkauksen, jonka kaasunläpäisevyys on myös alhainen. Yleisimmin käytetyt pakkausmateriaalit suojakaasupakkaamisessa ovat monikerroksiset muovimateriaalit, joissa yhdistyy monen eri muovin parhaimmat ominaisuudet. Yleisimmin käytettyjä muovilaatuja näissä monikerrosrakenteissa ovat PE, PET, PA ja EVOH polymeerit. Myös muita perinteisiä polymeerejä käytetään jonkin verran näissä rakenteissa. Uudemmat muovilaadut, kuten biohajoavat muovit, eivät ole vielä yleistyneet kaupallisessa käytössä pääasiallisesti niiden korkean hinnan vuoksi. Muovisten pakkausten korvaamista esimerkiksi muovipäällystetyillä kartonkipakkauksilla on viime vuosien aikana tutkittu enenevissä määrin. Muovipakkausten korvaamista helpommin kierrätettävillä ja mahdollisesti biohajoavilla materiaaleilla edistävät EU:n direktiivit, jotka käsittelevät pakkausjätteen käsittelyä. Kartonkivuokien saumaamista kaasutiiviisti tutkittiin myös tässä työssä. Tavoitteena oli löytää pakkaus, joka soveltuisi kanasuikaleiden pakkaamiseen suojakaasuun. Kana on herkkä mikrobiologiselle hajoamiselle, minkä johdosta se tulee pakata suojakaasuun jossa happipitoisuuden tulee olla alle 1 % pakkauspäivästä viimeiseen käyttöpäivään saakka. Suorittamalla erilaisia tiiveystutkimuksia voitiin osoittaa, että kartonkivuoka on mahdollista saumata kaasutiiviisti luotettavalla tavalla. Tämä vaatii kuitenkin kartonkivuokien valmistuksen optimoimista päällystemuovikerroksen ja kartongin paksuuden mukaan sekä kannen saumaamista optimoiduilla saumausparametreilla. Tiivein vuoka saavutettiin muovifilmikannella, jonka saumaus perustui samaan muoviin kuin vuoan saumaus. Polyeteenillä saavutettiin tiivein ja kestävin saumaustulos.

Kuitupakkausten konvertointilaitteet – nykytila ja kehitysnäkymät

Diplomityössä selvitettiin kartonkipakkausten konvertoimiseen käytettäviä laitteistoja ja niiden valmistajia. Tuote johon työssä keskityttiin, oli muovipinnoitetusta taivekartongista valmistettu kartonkivuoka. Työssä käsiteltiin ensin yleistä asiaa kartongeista ja niiden ominaisuuksista, jonka jälkeen esiteltiin kartonkivuokien konvertoimiseen käytettäviä menetelmiä. Menetelmistä työssä keskityttiin erityisesti leikkaukseen, nuuttaukseen ja muodonantoon. Leikkaus ja nuuttaus, eli stanssaus suoritetaan joko tasostanssilla, rotaatiostanssilla tai mallileikkurilla. Muodonanto suoritetaan prässäämällä tai taivuttamalla käyttäen vuoanmuodostajaa. Näistä prässääminen soveltuu paremmin primääripakkauksena toimivan vuoan muodostamiseen. Nykyaikaisissa prässeissä muovaavia työkalupareja voi olla yhdestä viiteen kappaletta. Työssä oli vertailuosio, jossa pistemenetelmän avulla pisteytettiin neljä erilaista linjavaihtoehtoa. Vertailussa painotettiin tuotantokapasiteettia, linjan yleistä joustavuutta, sekä joustavuutta häiriön sattuessa. Vertailussa korkeimman pistemäärän sai laite, jossa samaan laitteeseen on yhdistetty stanssaus ja muodonanto. Jos aihionsiirto saadaan luotettavasti automatisoitua, on tulevaisuuden linjavaihtoehdoissa varteenotettava vaihtoehto linja, jossa tasostanssi hoitaa leikkauksen ja nuuttauksen, ja tämän jälkeen prässääviä laitteita on useampi kappale. Myös mallileikkuri on varteenotettava vaihtoehto osaksi vuoan valmistuslinjaa, jos sen nopeutta saadaan nostettua.

Vuokamallisten kartonkipakkausten laadunvarmistuslaitteiston kehittäminen

Diplomityön tavoitteena oli kehittää vuokamallisille kartonkipakkauksille laadunvarmistuslaitteisto. Kirjallisen osan alussa esiteltiin vuokamallisten kartonkipakkausten valmistusprosessia. Tästä siirryttiin laatuasioihin, jossa tärkeimmät asiat olivat kartonkivuokien valmistuksessa esiintyvät laatupoikkeamat ja konenäkö. Tutkimusosan alussa esitellään Lappeenrannan teknillisessä yliopistossa kehitetty kartonkivuokien valmistuslinjasto. Tämän jälkeen vaatimuslistan pohjalta suunnitellaan kyseiseen linjastoon sopiva automaattinen laadunvalvontalaite, johon sisältyy myös kartonkivuokien siirtolaite. Suunnitteluprosessi aloitettiin koekuvaamalla kartonkivuokia erilaisilla kameroilla ja valaistusmenetelmillä. Koekuvausten perusteella valittiin konenäkölaitteisto. Tämän jälkeen toiminnoista luotiin periaatepiirroksia, joista kehitettiin varsinainen suunnitelma. Työn tuloksena saatiin suunnitelma konenäköön perustuvan automaattisen laadunvalvontalaitteen rakentamiselle.

Vaakatasossa toimivan modulaarisen pakkausyksikön prässin suunnittelu kartonkipakkauksille

Kartonkivuokien käyttö elintarviketeollisuudessa on kasvanut vuosi vuodelta ja kuluttajat ovat löytäneet kartonkipakkaukset niiden ekologisuuden, graafisen ulkoasun sekä turvallisuuden ansiosta. Vuokien valmistus mekaanisella prässäyksellä kehittyy jatkuvasti ja uusi teknologia mahdollistaa täysin uudentyyppisten prässien valmistuksen. Työn tavoitteena on tutkia voidaanko mekaaninen prässäys toteuttaa vaakatasossa uutta teknologiaa hyödyntämällä kustannustehokkaasti. Lisäksi tavoitteena on selvittää, millä voimantuottomenetelmällä prässiltä vaadittava voimantuotto on edullisinta toteuttaa. Suunnittelussa otetaan huomioon olemassa olevat työkalut, modulaarisuus, EU:n elintarvikelainsäädäntö sekä muut kriittiset tekijät. Työssä sovelletaan metodisen konstruoinnin mukaisesti systemaattista ongelmanratkaisua (VDI 2221). Lisäksi työssä käydään läpi kilpaileva menetelmä arvoanalyysi. Suunnittelua ja komponenttivalintoja analysoidaan SWOT- sekä pisteanalyysien avulla. Suunnittelussa syntyneiden ratkaisujen lujuusominaisuuksia tarkastellaan FEM-analyysillä. Tuloksista havaittiin, että vaakatasossa suoritettava prässäyksen voimantuotto on edullisinta ja yksinkertaisinta toteuttaa sähkömekaniikalla, että halutut ominaisuudet voidaan saavuttaa ja rakenne pitää mahdollisimman kompaktina. Kustannustehokkuuden saavuttamiseksi hankinnat on syytä kilpailuttaa huolellisesti. Työn lopussa esitetään mahdollisia jatkokehityskohteita, joita syntyi tämän diplomityön aikana.

Factors Affecting Runnability of Press Forming Equipment

The growth of the food packaging industry has raised more interest in bio-based fibre packing. The use of petroleum based packages is unfriendly to the environment while bio-based is a sustainable option for food packing. In this Master Thesis the aim was to discover how the press forming machineries runnability is affected by parameters of the press and how it also affects formability of paperboard trays. Familiarisation of the working operation parameters was done with the KAMA ST 75 flat-bed die cutting machine and the VP3-70 mould press. Some small test runs of moulding trays where done to get acquainted to the adjustment parameters of the machines. Literature study was done on how paperboards physical properties react to the forces applied during press forming. The study of what kind of defects to the paperboard tray might occur during forming process and the causes for these defects. Also how the parameters of the press forming machine affects formability of the tray. Maintenance procedures was done to the press forming machine to enhance the reliably of production process. Tool alignment measurement was done to determine proper alignment. Laboratory test of the physical properties of the test material was done to find any connection to how the test material performs in press forming. An evaluation criterion was made to evaluate the dimensions and defects of the tray. From the test result a conclusion can be drawn on how the parameters of the press forming process affect the paperboard material. Based on the results the adjustment the parameters of moulding machines to the mechanical properties of paperboard it is possible to produce high quality fibre passed trays for the food packaging industry.

Development of a Testing Method for Convertibility of Paperboard

Työssä tutkittiin muovattujen kartonkivuokien sekä muovattujen kartonkinäytteiden rinnastettavuutta. Puristusvaiheen prosessiolosuhteiden miellettiin vaikuttavan eniten multidimensionaliseen muodonmuutokseen. Multidimensionaalista muodonmuutosta simuloitiin uudella muovaamiseen soveltuvalla muovauslaitteella. Kirjallisuusosassa keskeisiä teemoja ovat kartongin muovaus sekä kuitupohjaisen materiaalin reologinen käyttäytyminen. Kirjallisuusosassa esitellään lisäksi yksi tekninen sovellus, jonka avulla kyetään ennustamaan kuitumateriaalin muovautuvuutta sekä mittaamaan tapahtunutta muodonmuutosta. Prosessiparametrien teoreettista vaikutustakuituihin tarkastellaan myös kirjallisuusosassa. Kokeellisessa osassa toteutettiin kartonkivuokien valmistus puristamalla. Vastaavilla prosessiparametreilla muovattiin myös pienemmät testinäytteet. Perinteiset yksidimensionaliset deformaatiomittaukset toteutettiin lujuusominaisuuksien laboratoriomäärityksinä. Myös kitka, joka toimii tärkeänä muuttujana prässäysprosessissa, mitattiin laboratorio-olosuhteissa. Tämän työn tulokset osoittavat uuden kehitetyn muovausmenetelmän toimivuuden. Asema-voima kuvaajat ovat selkeitä sekä helposti luettavia. Tuloksissa havaittiin materiaalin muovauspotentiaalin sekä asema-voima kuvaajan välillä vallitseva yhteys. Erittäin merkittävä huomio oli myös, että muovipäällystetyllä kartongilla oli yhteys päällystämättömän kartongin asema-voima kuvaajaan. Tämä tulos osoittaa, että muovipäällystetyn kartongin muovautuvuutta voi olla mahdollista ennustaa pohjakartongin muovautuvuustulosten perusteella. Perinteiset yksidimensionaliset laboratoriomittaukset eivät kykene antamaan riittävää informaatiota muovautuvuuden ennustamiseen. Tästä näkökulmasta on tärkeää että kartongin multidimensionalista muotoutuvuutta voidaankin tutkia kehitetyllä muovausmenetelmällä.

Possibility to add a barrier layer to a fibre tray package in the moulding stage

The main objective of the present study was to analyze the best approach on how to coat paperboard trays at the pressing stage. The coating gives the paperboard enhanced barrier and mechanical properties. The whole process chain of the barrier coating development was studied in the research. The methodology applied includes obtaining the optimum temperature at which good adhesion and bonding is formed between paperboard and skin film. Evaluation of mechanical properties after the coatings; such as cracking, curling and barrier properties was performed.

Effect of ambient conditions on dimensional stability and stiffness of commercial paperboard and paperboard trays

The objective of this study was to develop laboratory test methods for characterizing the effects of changed moisture content on paperboard trays produced by press-forming process. Influence of moisture on the properties of unconverted paperboard such as bending stiffness, bursting strength, and curling was studied. Paperboard and tray samples were tested after storing in different relative humidity conditions (35, 50, 65, 80 and 95% RH). The effect of PE and PET extrusion coatings on these properties was also studied. It was found that increase in moisture content of paperboard decreases bending and bursting strength, dimensional stability and stiffness of paperboard trays. Such physical and mechanical properties as bending stiffness and curling of paperboard seem to define the stiffness of ready-made trays and their dimensional stability. Paperboards and trays with extruded PE and PET one sided coatings demonstrated higher strength properties but at the same time had lower dimensional stability comparing to uncoated paperboards. Samples with smaller polymer coat weight had better dimensional stability than respective samples with higher coat weight. It was also found that preconditioning of paperboard in lower humidity environment before press-forming could improve dimensional stability and stiffness of ready-made tray.

Leak-proof Heat Sealing of Press-Formed Paperboard Trays

Three-dimensional (3D) forming of paperboard and heat sealing of lidding films to trays manufactured by the press forming process are investigated in this thesis. The aim of the work was to investigate and recognize the factors affecting the quality of heat sealing and the leak resistance (tightness) of press-formed, polymer-coated paperboard trays heatsealed with a multi-layer polymer based lidding film. One target was to achieve a solution that can be used in food packaging using modified atmosphere packaging (MAP). The main challenge in acquiring adequate tightness properties for the use of MAP is creases in the sealing area of the paperboard trays which can act as capillary tubes and prevent leak-proof sealing. Several experiments were made to investigate the effect of different factors and process parameters in the forming and sealing processes. Also different methods of analysis, such as microscopic analysis and 3D-profilometry were used to investigate the structure of the creases in the sealing area, and to analyse the surface characteristics of the tray flange of the formed trays to define quality that can be sealed with satisfactory tightness for the use of MAP. The main factors and parameters that had an effect on the result of leak-proof sealing and must be adjusted accordingly were the tray geometry and dimensions, blank holding force in press forming, surface roughness of the sealing area, the geometry and depth of the creases, and the sealing pressure. The results show that the quality of press-formed, polymer-coated paperboard trays and multi-layer polymer lidding films can be satisfactory for the use of modified atmosphere packaging in food solutions. Suitable tools, materials, and process parameters have to be selected and used during the tray manufacturing process and lid sealing process, however. Utilizing these solutions and results makes it possible for a package that is made mostly from renewable and recyclable sources to be a considerable alternative for packages made completely from oil based polymers, and to achieve a greater market share for fibre-based solutions in food packaging using MAP.