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.

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.

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.

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.

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.

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.

Kartonkimateriaalien muotoutuvuus vuokien valmistuksessa

Diplomityön tavoitteena oli tutkia erilaisten elintarvikekartonkien muotoutuvuutta prässäämällä valmistettujen vuokien valmistuksessa. Kirjallisuusosassa käsiteltiin mm. kartongin muotoutuvuuteen vaikuttavia ominaisuuksia sekä lämpötilan ja kosteuden vaikutusta muotoutuvuuteen. Lisäksi kirjallisuusosassa käytiin läpi vuokien valmistusprosessi, jossa vuoka-aihiot valmistetaan stanssaamalla ja vuoat prässäämällä. Lopuksi on esitetty vuokien valmistuksessa kartongin muotoutuvuuteen vaikuttavia ajoparametrejä. Kokeellisessa osassa valmistettiin prässäämällä vuokia erilaisista kartonkimateriaaleista. Jokaiselle materiaalille etsittiin sopivat ajoparametrit erilaisissa kosteuspitoisuuksissa ja vertailtiin niiden muotoutuvuutta. Työ sisälsi myös kaksi laminointikoeajoa, jonka tuloksena saatuja materiaaleja verrattiin referenssi vuokakartonkiin. Vuokien todettiin muotoutuvan parhaiten kosteuden ollessa 7 – 9,4 % välillä. Työssä erottui kartongit, jotka muotoutuivat muita paremmin sekä kartongit, jotka muotoutuivat muita huonommin. Näiden muotoutuvuutta pyrittiin selvittämään mitattujen paperiteknisten ominaisuuksien avulla, mutta selvää yksittäistä selittävää ominaisuutta ei löytynyt. Parhaiten muotoutuvuutta kuvasivat kartonkien kuitukoostumukset. Laminoitujen rakenteiden todettiin muotoutuvan vuokakartonkia paremmin. Tähän vaikuttivat laminaattien korkeammat lujuus- ja venymäarvot.

Kartonkipakkauslinjaston anturointi

Tässä diplomityössä tutkitaan kartonkiastioiden valmistukseen tarkoitetun linjaston ohjausjärjestelmän anturoinnin tarpeita. Linjasto on suunniteltu Lappeenrannan teknillisen ylipiston pakkauslaboratorioon vastaamaan nykyaikaisen pakkaustuotannon tarpeita. Linjasto on suunniteltu modulaariseksi sekä mahdollisimman helposti muunneltavaksi. Työn tavoitteena on selvittää anturoinnin tarpeet moduulikohtaisesti sekä tehdä tarvittava mekaniikkasuunnittelu. Suunnittelussa otetaan huomioon elintarvikehygienia, turvallisuus, modulaarisuuden vaatimukset, tuotantomäärän tarpeet sekä muut toiminnan kannalta kriittiset tekijät. Tutkimuksen lopputuloksena saadaan valmistettavan prototyypin oikean toiminnan edellyttämät edulliset anturointiratkaisut oleellisimpien moduuleiden osalta. Lisäksi työssä esitetään jatkokehitysehdotuksia kun prototyyppi saadaan valmiiksi jolloin mittaustuloksia voidaan alkaa tutkimaan.

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.