Cushioning Design for Cushioning Design for Shock Isolation Shock Isolation
in Shipping Packagesin Shipping Packages
Senior Projects 2003Senior Projects 2003--20042004
Mechanical Engineering DepartmentMechanical Engineering DepartmentChulalongkornChulalongkorn UniversityUniversity
OutlinesOutlinesuu MotivationMotivation
uu ObjectivesObjectives
uu Review of designReview of design and standardsand standards
uu Modeling and parametric studyModeling and parametric study
uu TestTest for Dynamic Cushioning Curvesfor Dynamic Cushioning Curves
uu Cushioning designCushioning design
uu ConclusionsConclusions
MotivationMotivationuu Fragility of shipping packages due to Fragility of shipping packages due to
vibration and shock loadsvibration and shock loads
uu Optimal design of cushion for shock Optimal design of cushion for shock isolationisolation
ObjectivesObjectivesuu Analytically investigate effects of parameters: Analytically investigate effects of parameters:
•• stiffness and damping in cushion stiffness and damping in cushion
•• product inertia product inertia
on the force transmitted to the product or on on the force transmitted to the product or on maximum acceleration of the product when maximum acceleration of the product when subjected to shocksubjected to shock
uu Design and build a simple drop test machine to Design and build a simple drop test machine to test for characteristics of cushioning materialstest for characteristics of cushioning materials
uu Design cushion for sample productsDesign cushion for sample products
uu IdentifyIdentify product product fragilityfragility in terms ofin terms ofgg--factorfactor (in unit of g(in unit of g’’s, 1g = 9.81 m/ss, 1g = 9.81 m/s22))
Design StepsDesign Steps
>115 g'sTable saws, sewing machines, machine toolsRugged
85-115 g'sMajor appliances, furnitureModerately Rugged
60-85 g'sStereos and television receivers, floppy disk drivesModerately Delicate
40-60 g'sDisplay terminals, printers, test instruments, hard disk drives
Delicate
25-40 g'sMedical diagnostic apparatus, X-ray equipmentVery Delicate
15-25 g'sAircraft altimeters, gyroscopes, items with delicatemechanical alignments
Extremely Fragile
Approximate Fragility of Typical Package Articles [1]
uu Consider other conditions: mass and drop Consider other conditions: mass and drop heightheight
uu Decide material and size of cushion usingDecide material and size of cushion usingDynamic Cushioning CurvesDynamic Cushioning Curves
uu ASTM D 1596:ASTM D 1596: Dynamic shock cushioning Dynamic shock cushioning characteristics of packaging materialcharacteristics of packaging material
=>=> Determine cushioning curveDetermine cushioning curve
Related StandardsRelated Standards
uu ASTM D 3332:ASTM D 3332: Mechanical shock fragility Mechanical shock fragility of products, using shock test machine or of products, using shock test machine or drop test machinedrop test machine
=> Determine fragility
Test blockTest specimen
uu ASTM D 4168: Transmitted shock ASTM D 4168: Transmitted shock characteristics of foamcharacteristics of foam--inin--place cushioning place cushioning materialsmaterials
ModelingModeling
,
)(tIkxxcxm δ=++ &&&
0=++ kxxcxm &&&or ghmIv 20 −==
kmgx −
=0 ,
Maximum acceleration
)2cos()( 2 εψωω ζω +−−= − tCetx dt
nn&&
21,2
,/ ζωωω
ζω −=== ndn
n mcmk
,1
222 ζω
ζω −
−−
=nd
gghA 2
n
gBω−
=
,22 BAC += ,tan 1
= −
BA
ψ ζε =sin
( )( )
>>+−−=
<<
−−
−−=
3sinor3/);2cos(
3sinor3/;
13exp1
2
212
22max
ψξψεεψω
ψξψε
ξξψε
ζω
forC
forCa
n
n
where
ParametricParametricstudystudy
Stiffer spring causes smaller deflection and Stiffer spring causes smaller deflection and higher transmitted shock to the product.higher transmitted shock to the product.
With increased With increased mm, , ωωnn is decreased. is decreased. GGmaxmaxproportional to proportional to ωωnn is hence decreased.is hence decreased.
Test for Dynamic Test for Dynamic Cushioning CurvesCushioning Curves
uu ASTM D 4168ASTM D 4168--95:95: Standard Test Methods Standard Test Methods for Transmitted Shock Characteristics of for Transmitted Shock Characteristics of FoamFoam--inin--Place Cushioning MaterialPlace Cushioning Material
uu FreeFree--fall package drop testfall package drop test
LDPELDPE--J4324 (LowJ4324 (Low--density Polyethylene) density Polyethylene) EthafoamEthafoam (Trade name) (Trade name)
with different thicknesseswith different thicknesses
Drop test mechanism 2003
Drop test mechanism 2004
0.060.0580.290.240.030.0580.290.230.060.02150.20.107520.030.02150.20.10751
Thickness (m)Area (m2)length (m)Width (m)set
F = 108404x
F = 51220x
F = 302662x
F = 146829x
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
0 0.005 0.01 0.015
Deflection , x (m)
Forc
e , F
(N)
เล็ก บาง
เล็ก หนา
ใหญ บางใหญ หนา
Test for stiffness coefficients of Ethafoam
K=EA/L
E = 147,000 N/m2
Cushioning curves ofCushioning curves ofEthafoamEthafoam
0
50
100
150
200
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
Static Load
G-m
ax (G
's)
foam 3 cmfoam 6 cmfoam 9 cmfoam 12 cmfoam 15 cm
0
100
200
300
400
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
Static Load
G-m
ax (G
's)
foam 1 cmfoam 2 cmfoam 3 cmfoam 6 cmfoam 12 cm
79 cm drop height
94 cm drop height
(Kg/m2)
Analytical vs. Test ResultsAnalytical vs. Test Results
Analytical vs. Test ResultsAnalytical vs. Test Results
uu GGmaxmax decreases when the cushion is thickerdecreases when the cushion is thickerThicker cushion implies softening Thicker cushion implies softening spring and higher dampingspring and higher damping
uu For thin cushion, the cushioning curve are For thin cushion, the cushioning curve are different from theoretical prediction different from theoretical prediction
•• Impact force is not a perfect impulseImpact force is not a perfect impulse•• Cushion not behave like linear springCushion not behave like linear spring
and linear damperand linear damper
Cushioning DesignCushioning Design
uu Performance testPerformance test
uu Design of cushion size to reduce Design of cushion size to reduce GGmaxmax
ลักษณะผลิตภัณฑ
28.57to
165.08
1.8 to
10.4Test block
85.711.8B
44.441.4AUniform
StaticLoad
(kg/m2)
ขนาดของผลิตภัณฑและโฟมกันกระแทก (cm.)
มวล(kg)บรรจุภัณฑ
21 cm.
30 cm.
21 cm.
30 cm.
12.5 cm.
25 cm.
7cm.
Performance testPerformance test
foam 1 cm.foam 2 cm.foam 3 cm.
foam 4 cm.foam 5 cm.
0
50
100
150
200
250
0 20 40 60 80 100 120 140
Static Load
G-m
ax (g
's)
บรรจุภัณฑ A โฟม 1 cm
บรรจุภัณฑ A โฟม 2 cm
บรรจุภัณฑ A โฟม 3 cm
บรรจุภัณฑ A โฟม 4 cm
บรรจุภัณฑ A โฟม 5 cm
ตําแหนงความเรงสูงสุดของผลิตภัณฑ A บน Dynamic Cushioning Curves
12.5 cm.
25 cm.44.44
(kg/m2)
Package A
foam 1 cm.foam 2 cm.foam 3 cm.
foam 4 cm.foam 5 cm.
0
50
100
150
200
250
0 20 40 60 80 100 120 140
Static Load
G-m
ax (g
's)
1 cm foam thickness 2 cm foam thicknesscm3 cm foam thickness4 cm foam thickness5 cm foam thickness
ตําแหนงความเรงสูงสุดของผลิตภัณฑ B บน Dynamic Cushioning Curves
21 cm.
30 cm.
7cm.85.71
(kg/m2)
Package B
A-โฟมหนา 5 cm.รองรับเต็มพื้นท่ี
B-โฟมหนา 7.5 cm.รองรับเต็มพื้นท่ี
ลักษณะการรองรับ
ตําแหนงการวัด
Design C-โฟมหนา 5 cm.รองรับ 2/3 พื้นท่ี
Sizes of CushionSizes of Cushion
1
2
3A B C
ดานยาว
ดานกวาง
87-8985-8783-8581-8379-8177-79
คาความเรงสูงสุดสําหรับมวลทดสอบขนาด 4.80 กิโลกรัม ทีร่ะดับความสูง 64 เซนติเมตร เมื่อรองรับดวยโฟมหนา 5 เซนติเมตร เต็มพื้นที่
Case-A
1
2
3A
BC
60
62
64
66
68
70
72
ด านยาว
ด านกว า ง
70- 72
68- 70
66- 6864- 66
62- 64
60- 62
Case-B
g’s
คาความเรงสูงสุดสําหรับมวลทดสอบและระดับความสูงเดียวกัน เมื่อรองรับดวยโฟมหนา 7.5 เซนติเมตร เต็มพื้นที่
1
1 23
60626466687072G
-max
(G's
)
.
ดานยาว
ดานกวาง
70-7268-7066-6864-6662-6460-62
Case-C
2
1
3AB
C
คาความเรงสูงสุดสําหรับมวลทดสอบและระดับความสูงเดียวกันเมื่อรองรับดวยโฟมหนา 5 เซนติเมตร 2/3 ของพื้นที่
g’s
หลังจากจบโครงการหลังจากจบโครงการ นิสิตนิสิตuu สามารถออกแบบขนาดวัสดุกันกระแทกไดจากขอมูลสามารถออกแบบขนาดวัสดุกันกระแทกไดจากขอมูล
Dynamic Cushioning CurvesDynamic Cushioning Curvesuu เขาใจถึงผลทางกายภาพของพารามิเตอรตางๆเขาใจถึงผลทางกายภาพของพารามิเตอรตางๆ ตอตอความเรงท่ีเกิดกับผลิตภัณฑความเรงท่ีเกิดกับผลิตภัณฑ
uu สามารถสรางกลไกท่ีใชทําการทดสอบอยางงายไดสามารถสรางกลไกท่ีใชทําการทดสอบอยางงายได
ConclusionsConclusions
