Computational design and material selection for shipping packaging

Abstract

This research aims to computationally design and study polymeric material selection for shipping packaging. The computational design was drawn by the SolidWorks program. After that, the rapid prototypes were fabricated by Fused Deposition Modeling 3D-printing technology to produce protective cushions to protect packed products inside the paper box. Three commercial polymeric filaments; Group 1 as engineering plastics consisting of ABS, PA, PC and PETG, Group 2 as PLA and PLA composites consisting of Carbon fiber PLA (CFPLA), Soft PLA (SPLA) and Wood PLA (WPLA), Group 3 as elastomers consisting of TPE and TPU. Part 1, Investigation of thermal and rheological properties of polymeric filaments used in 3D-printing found that the onset temperature of thermal degradation of all three polymeric filament groups had higher than the nozzle temperature. Shear thinning behavior of all polymeric filaments was observed so they could be fabricated by 3D-printing technology. The thermoplastic filaments were melted then fed through a moving nozzle and solidified on temperature-controlled platform, to fabricate the layer by layer structure. Injection moulded specimens were prepared for comparison on material properties. Part 2, The study of the effect of printing speed on mechanical properties of 3D-printed prototypes using raster orientation as 45o/-45o because it was reported that the open porosity is lower for in comparison with raster orientation as 0o/90o. Varying 3D-printing speeds of 30, 40 and 50 mm/s revealed that the increasing in the printing speed improve tensile strength and tensile modulus, especially those of CFPLA and WPLA composites due to the better arrangement of carbon fiber and wood powder in the matrix, respectively. Part 3, The study on packaging structure for shipping packaging by computationally designing 5 models including 8Drill, Hex, Spin, Sweep and Tri models. Only The 3D-printed prototypes of polymeric filaments of group 2 were fabricated because it could be biodegradable. The compressive test indicated the Hex model prototype had the highest compressive strength at break due to this prototype has a symmetric hexagonal shape, which had larger area to absorb load, providing better load transfer.

งานวิจัยนี้เป็นการจำลองการออกแบบและศึกษาการเลือกใช้วัสดุสำหรับบรรจุภัณฑ์เพื่อการขนส่ง โดยการออกแบบจะทำโดยโปรแกรม SolidWorks แล้วทำการขึ้นรูปชิ้นงานต้นแบบรวดเร็วด้วยเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติ ประเภทการพิมพ์แบบหัวฉีด เพื่อขึ้นรูปชิ้นงานเป็นวัสดุป้องกันการกระแทกที่จะทำให้เกิดความเสียหายกับสินค้าที่บรรจุภายในกล่องกระดาษ การศึกษาการเลือกใช้วัสดุจะใช้เส้นฟิลาเมนต์พอลิเมอร์ที่มีขายเชิงการค้า 3 กลุ่ม ได้แก่ กลุ่มที่ 1 คือ Engineering plastics ประกอบด้วย ABS, PA, PC และ PETG กลุ่มที่ 2 คือ PLA และ PLA composites ประกอบด้วย Carbon PLA (CFPLA), Soft PLA (SPLA) และ Wood PLA (WPLA) กลุ่มที่ 3 คือ Elastomers ประกอบด้วย TPE และ TPU ส่วนที่ 1 การศึกษาสมบัติทางความร้อนและพฤติกรรมการไหลของวัสดุพอลิเมอร์ที่ใช้เป็นเส้นฟิลาเมนต์ในการขึ้นรูปด้วยเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติ พบว่า อุณหภูมิในการเริ่มสลายตัวของเส้นฟิลาเมนต์ ทั้ง 3 กลุ่ม มีค่าสูงกว่าอุณหภูมิที่ใช้ในการขึ้นรูปด้วยเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติ และแสดงพฤติกรรมการไหลแบบ Shear thinning แสดงว่าเส้นฟิลาเมนต์ดังกล่าวสามารถใช้ในการขึ้นรูปชิ้นงานต้นแบบด้วยเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติ ที่มีการให้ความร้อนแล้วทำให้พอลิเมอร์หลอมเหลวไหลผ่านหัวฉีดที่เคลื่อนที่ได้ลงมาบนฐานรองรับแล้วจึงเกิดแข็งตัวที่ทำให้เกิดโครงสร้างของการขึ้นรูปชิ้นงานทีละชั้น ในงานวิจัยนี้ได้มีการขึ้นรูปชิ้นงานที่ขึ้นรูปด้วยกระบวนการฉีดเข้าแม่พิมพ์เพื่อทำการเปรียบเทียบสมบัติต่างๆ ของวัสดุ ส่วนที่ 2 การศึกษาสมบัติเชิงกลของวัสดุแต่ละชนิดของความเร็วในการพิมพ์ในการขึ้นรูปชิ้นงานด้วยเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติ ที่มุมขึ้นรูป 45o/-45o เนื่องจากมีการรายงานว่าค่ารูพรุนเปิดภายในชิ้นงานน้อยกว่าการขึ้นรูปชิ้นงานโดยใช้มุมขึ้นรูป เท่ากับ 0o/90o การศึกษาผลของการเปลี่ยนแปลงความเร็วในการพิมพ์ เท่ากับ 30, 40 และ 50 มิลลิเมตรต่อวินาที พบว่า เมื่อเพิ่มความเร็วในการพิมพ์ส่งผลให้ค่า Tensile strength และ Tensile modulus ของชิ้นงานที่ขึ้นรูปโดยใช้เส้นฟิลาเมนต์กลุ่มที่ 2 โดยเฉพาะ CFPLA และ WPLA composites มีค่า Tensile strength และ Tensile modulus เพิ่มขึ้น เนื่องจากเกิดการจัดเรียงตัวของเส้นใยคาร์บอนและผงไม้ในเมทริกซ์ได้ดีขึ้นตามลำดับ ส่วนที่ 3 การศึกษาผลของการออกแบบและรูปแบบโครงสร้างบรรจุภัณฑ์เพื่อการขนส่ง ซึ่งในงานวิจัยนี้ได้ทำการออกแบบชิ้นงานต้นแบบที่ขึ้นรูปด้วยเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติ จำนวน 5 รูปแบบ ได้แก่ 8Drill, Hex, Spin, Sweep และ Tri โดยเลือกใช้เส้นฟิลาเมนต์กลุ่มที่ 2 มาใช้ในการขึ้นรูป เนื่องจากสามารถย่อยสลายทางธรรมชาติได้ จากการทดสอบความต้านทานต่อแรงกด พบว่า ชิ้นงานต้นแบบที่ขึ้นรูปชิ้นงานโดยใช้รูปแบบ Hex มีค่าความต้านทานต่อแรงกดที่จุดแตกหักมากที่สุด เนื่องจากชิ้นงานต้นแบบมีโครงสร้างเป็นรูปหกเหลี่ยมที่สมมาตร จึงทำให้มีพื้นที่ในการรับแรงมากขึ้นและเกิดการถ่ายโอนแรงได้ดี