Denna rapport avhandlar ett examensarbete på 15 hp utfört åt BillerudKorsnäs inom forskningsprojektet "A New Model for Deformation of Carton Board Packages by Manual Handling". Syftet är att analysera två olika testmetoder som används för att undersöka kartongförpackningars greppstyvhet. Detta görs genom att undersöka hur väl metoderna kan skilja på olika kartongkvaliteter. Målet är att genomföra tester på en Lloyd Instrument LR5K dragprovare och jämföra resultaten med erhållna resultat från Syntouch´s BioTac, vilket är en fingerliknande taktil sensor. Tryckprover utfördes på Örebro Universitet, på ca 120 kartongförpackningar där diverse storlekar på sfärer användes för att applicera kraft på förpackningen. Statistiska metoder användes för att avgöra metodernas tillförlitlighet. Det kunde avgöras att vid små fixa krafter så kan inte Lloyd Instrument LR5K dragprovaren differentiera olika kartongtyper åt. Däremot kan tydliga skillnader ses vid jämförelse av högsta uppmätta styvhet. BioTac kan vid små fixa krafter differentiera kartongkvaliteter. / This Bachelor’s thesis is a collaborated work done between the paper manufacturer BillerudKorsnäs and Örebro University, within the research project "A New Model for Deformation of Carton Board Packages by Manual Handling". The aim of this work is to test and evaluate two methods regarding their ability to determine grip stiffness of cartonboard packages. This was achieved by analyzing how well each method was able to distinguish between various cartonboard qualities. The two methods that were compared were: box compression tests performed by a Lloyd Instrument LR5K tensile testing unit, and BioTac which is a finger-like tactile sensory device made by Syntouch LLC. About 120 box compression tests, with varying sphere sizes, were performed on cartonboard packages supplied by BillerudKorsnäs. Statistical methods were then applied to the data from these tests in order to see whether this method was able to distinguish between the different cartonboard materials. A member of the research project had previously performed experiments using the BioTac on the same types of packages. Data from those experiments underwent the same statistical tests. The results from the two methods could thus be compared. Albeit being able to distinguish maximum stiffnesses between the cartonboard materials for arbitrary forces, the box compression method failed at this endeavor for fixed low forces. The BioTac, however, showed better results in that regard.

This report is a part of the research project "A New Model for Deformation of Carton Board Packages by Manual Handling". This project is a collaboration between Örebro University and two companies engaged in carton board packages. This report describes whether Syntouch's BioTac is an appropriate tool, compared with a consumer study when investigating the grip stiffness of consumer packaging. Syntouch's BioTac is an artificial sensor designed to imitate the force of a human fingertip. The concept of grip stiffness is used in the packaging industry to describe the packaging’s properties to withstand clamping pressure when handling by the user. That is, the robustness of the packaging. The carton board packaging should perceive as stiff, firm to grip and not deform during handling. The purpose is to perform laboratory tests with the BioTac sensor, to see if the sensor can be used as a measurement method for grip stiffness of card board materials. / Denna rapport som ingår i forskningsprojektet ”A New Model for Deformation of Carton Board Packages by Manual Handling”. Detta projekt är ett samarbete mellan Örebro Universitet och två företag som arbetar med förpackningar. I denna rapport beskrivs och analyseras om Syntouch’s BioTac är ett lämpligt verktyg, i jämförelse med en konsumentstudie vid undersökning av en förpacknings greppstyvhet. Syntouch’s BioTac är en konstgjord sensor som är utformad för att imitera kraften som en mänsklig fingertopp har. Greppstyvhet är ett begrepp som används i förpackningsindustrin och beskriver förpackningens egenskaper att kunna motstå klämtryck vid hantering. Det vill säga förpackningens robusthet. Förpackningen skall uppfattas som styv, greppvänlig och skall ej deformeras vid hantering. Syftet med det här arbetet är att utföra laborativa tester med sensorn BioTac, för att se om sensorn kan användas som en objektiv mätmetod för greppstyvhet för olika förpackningsmaterial.

A pilot study comparing the influence by different crease geometry on the grip stiffness of carton board packages has been executed. For this purpose, Syntouch Biotac, Lloyd LR5K tensiletester and crease measurements have been used. In total, 40 packages were manufactured and tested for this report. It was found that different crease geometries do have an effect on the difference in stiffness before and after collapse load. It was also found that vibration signals from Syntouch Biotac could be used to differentiate between different crease geometry at the instant of collapse load in the majority of cases. For continued work it is proposed that the same method used in this report should be applied on a larger number of packages. This is proposed so that a more thorough statistical analysis can be performed. It is also proposed, for continued work, that the interlaminar bonds between the plies of the carton boards be examined to gain a better understanding of the damage progress at the instant of collapse load. / En förstudie över fyra olika big-geometriers inverkan på greppstyvhet av kartongförpackningar har utförts. Syntouch Biotac, tryckprovare och bigmätningar har använts för ändamålet. Totalt har 40 kartongförpackningar tillverkats och testats för denna rapport. Det fanns att big-geometrier har en inverkan på skillnaden mellan styvhet innan och efter kollapslast av kartongförpackningen. Det fanns även att vibrationsutslag från Syntouch Biotac kunde skilja olika big-geometrier åt vid kollapslast i majoriteten av fall. Till fortsatt arbete föreslås att använda likadan metod på flera kartongförpackningar för att kunna utföra en nogrannare statistisk analys samt att undersöka styrkan hos de interlaminära bindningarna mellan kartongskikten för att bättre förstå skadeförloppet vid kollapslast.

Biomimetic tactile sensing was previously mostly performed in medical situations, such as when locating tumors in patients’ bodies. This thesis examined the effectiveness of using a biomimetic tactile sensory equipment for examining pressure distribution throughout carton board packages, made in two different carton board qualities. The purpose was to examine to what extent biomimetic tactile sensing was able to mimic the results of a group of human test subjects evaluations. Eight packages, made from two different materials, were tested. There were four packages of each of the materials. Each package had four points where displacement measurements with a force of 6N were conducted. The packages were then measured twice on a single point on the edge of the package, with the force of 12N.  The packages at disposal were compressed using a uniaxial-tensile-testing machine alongside with the aforementioned equipment. The pressure sensitive film was placed on top of the packages and a limit on the maximum force to be applied was set on the testing machine. Two limits on the applied forces were set, the first to see the distribution of pressure within the range of elastic deformation, so that no lasting deformation would have occurred. The second force limit was set to see the moment where the elastic deformation area transformed into the plastic deformation area, to see whether or not there was a difference in the distribution of pressure pre- or post-plastic deformation. From the results from compression tests, it was clear that there was a difference in pressure distribution before and after the plastic deformation had occurred. The experimental diagrams showed that the curves were vastly different in both cases. It was also clear that there was a significant difference in the distribution of pressure, depending on if the pressure was applied closer to the middle compared to closer to the center of the package (single vs multiple concentration of forces, respectively). Inspecting results from packages made in both carton board qualities, there were no clear results as the same trends could be seen throughout the tests.  It was concluded that the BioTac could be used to accurately identify concentrations of forces, differences in pressure distribution and the location of deformation. This means that the BioTac will be useful in future experiments, when objectively evaluating and defining grip stiffness, with the help of methods such as the finite-element method. / Biomimetiskt taktilt avkännande var något som tidigare mestadels utfördes för medicinala syften, såsom för att lokalisera tumörer i patienters kroppar. Detta examensarbete undersökte effektiviteten av att använda en biomimetisk taktil avkännare för att granska tryckfördelningen genom kartongförpackningar, gjorda av material från två olika kartongkvaliteter. Totalt åtta förpackningar, gjorda av två olika material, provades. Det var fyra av varje materialtyp. Varje förpackning mättes på fyra punkter med 6N och sedan två gånger på samma punkt med 12N. Förpackningarna till förfogande trycktes ihop med en enaxlad drag- och tryckprovare samt den tidigare nämnda avkännaren. En tryckkänslig film användes mellan avkännaren och förpackningen för att tydligt se tryckfördelningen på alla förpackningarna. Två gränser på den maximala tillåtna kraften upprättades i tryckmaskinen, 6N och 12N. Den lägre nivån sattes för att undersöka tryckfördelningen inom det elastiska deformationsområdet, utan att en kvarstående plastisk deformation uppstått. Den högre gränsen sattes för att undersöka skedet där det elastiska deformationsområdet övergår till det plastiska. Båda gränsvärdena valdes för att undersöka om det gick att urskilja en skillnad i tryckfördelningen innan och efter plastisk deformation, eller inte.  Från resultaten av dessa kompressionstest var det tydligt att det fanns en skillnad i tryckfördelning före och efter den plastiska deformationen uppstått. De uppställda diagrammen visade att kurvorna var mycket annorlunda i båda fallen. Det var, dessutom, relativt tydligt att det fanns en skillnad i tryckfördelning beroende av om trycket var applicerat närmre mitten av paketet jämfört med om det var applicerat närmre kanten av paketet (enskilda kraftkoncentrationer vid mitten av förpackningarna och multipla koncentrationer vid kanten av förpackningarna). Genom att undersöka resultat från förpackningar gjorda av båda kartongkvaliteter, upptäcktes ingen tydlig skillnad i förpackningarna, då liknande trender uppstod i båda materialen. Slutsatsen drogs att BioTac kunde användas för att finna kraftkoncentrationer, skillnader i tryckfördelning, samt området för deformation. Detta betyder att BioTac-sensorn kan vara nyttig vid framtida experiment, för att objektivt utvärdera och definiera greppstyvhet, med metoder som finita-element-metoden.

This is a thesis project done on behalf of BillerudKornäs in collaboration with Örebro University in a research project investigating grip stiffness of carton board packages. This is of interest because a better understanding of it would allow optimizing of the packaging design and result in a better product. In this thesis the mission has been to develop a setup for a sensor enabling a method of testing on packages. This has been carried out as a product development project. After a preparation study a specification of requirements was written. With the use of this a number of concepts were generated. Through evaluation one concept was chosen for further development and built as a prototype model. The prototype did not work satisfactory at the end of the project but could with some improvements be useful in testing packages with the intended sensor. / Detta är ett examensarbete utfört åt BillerudKorsnäs i samarbete med Örebro universitet inom ett forskningsprojekt där greppstyvhet hos kartongförpackningar undersöks. Det här är intressant eftersom att en djupare förståelse inom området skulle möjliggöra optimering av förpackningsdesignen och resultera i en bättre produkt. Uppgiften i detta examensarbete har varit att utveckla en testrigg för en sensor med syfte att möjliggöra en laborativ metod för att testa förpackningar. Detta har bedrivits som ett produktutvecklingsprojekt. Efter att en förstudie gjorts togs en kravspecifikation fram. Med hjälp utav vad som definierats i denna generades ett antal koncept. Genom utvärdering valdes ett koncept för vidareutveckling och byggdes sedan som prototypmodell. Prototypen fungerade inte tillfredställande vid projektets slut men skulle efter vissa förbättringar kunna vara användbar vid tester av förpackningar med den avsedda sensorn.

The work has been carried out mainly for Tetra Pak within the project "A New Model for Deformation of Carton boardPackages by Manual Handling". Tetra Pak is specialized in food packaging, its processing and distribution. The purpose of this thesis was to implement a new carton board model for the finite element method which describes both the elastic and plastic deformation, this is called Hill’s model.This model is used to describe orthotropic materials, which a carton board is. Next, examine the differences that occurred in terms of principal stress and force-displacement diagram for different carton board packages when loaded with different objects. Simulations were performed in the finite element program Ansys APDL. To start with, a literature study was performed to cover the theory of the problem, problem causes and other work carried out in the same area. Then the material model was constructed and the simulations were performed. After this, all the data was gathered and analyzes performed. The introduction of the new material model was successful. The result shows how the carton board packages act until the maximum force the package can engage, in some cases also what happens after this state. The results also show how the principal stresses develop and the size of these. / Examensarbetet har utförts för i huvudsak Tetra Pak inom projektet "A New Model for Deformation of Carton Board Packages by Manual Handling". Tetra Pak är specialister på livsmedelsförpackningar, dess bearbetning och distribution. Syftet för detta examensarbete var att införa en kartongmodell för finita elementmetoden som beskriver både elastiskt och plastiskt tillstånd, denna kallas Hills modell. Modellen används för att beskriva ortotropa material, vilket kartong är. Därefter undersöka skillnader som uppstod vad gäller huvudspänningar och kraftförskjutningsdiagram för olika kartongförpackningar när dessa utsattes för olika tryckande objekt. Simuleringar utfördes i finita elementprogrammet, Ansys APDL. Till att börja med utfördes en litteraturstudie för att täcka teorin om problemet, problemorsaker och andra utförda arbeten inom samma område. Därefter gjordes materialmodellen var på simuleringarna utfördes. Efter detta samlades all data in och analyser utfördes. Införandet av den nya materialmodellen lyckades. Resultatet visar hur kartongförpackningarna agerar fram till den maximala kraften som förpackningen kan ta upp, i vissa fall även vad som händer efter detta tillstånd. Resultaten visar också hur huvudspänningarna utbreder sig och storleken på dessa.

Grip stiffness is an important property of carton board packaging. The structure of the packaging needs to withstand the handling of one or many consumers. A carton board packaging that feels stiff when handled conveys a sense of luxury to the consumer, one example of this is the packages containing new flagship smart phones. If a package is more or less stiff is at this moment subjectively interpreted by test panels. An objective method of measuring grip stiffness is sought after for repeat ability and speed. This master thesis investigates the influence of geometry and material parameters on the grip stiffness of a carton board packages. The purpose is to determine how the measured point loads differ between different geometries for one particular material.  Measurements are conducted using a tensile tester and a sensory device, Syntouch Biotac. Only two of the 19 sensors are analyzed in this thesis. Ther data analyzed in this thesis comes from experiments conducted by the author and experiments conducted during a bachelors thesis at Örebro University. The same equipment was used for both experiments. The authors experiments were aimed at finding how a rotation of the packaging would affect the results whereas no rotations were made during experiments not conducted by the author. The authors own experiments were also made using an actual human finger, but only on packages that were not rotated. A finite element study was performed to validate the results from the Syntouch Biotac. X-ray computed tomography was used to investigate if the damage done to the carton board material by a human finger was similar to the damage done to the carton board material by the Syntouch Biotac.  Results from the Syntouch Biotac show that it is possible to tell where along and how close to the edge of the packaging the Syntouch Biotac is touching the packaging and that it is possible to discern between materials if the surface weights are different enough. The X-ray computed tomography show that damages done to the carton material cone by either the Syntouch Biotac or a human finger, are not possible to tell apart with the method of analysis used in this thesis. / Greppstyvhet är en viktig egenskap hos kartongförpackningar. Strukturen behöver kunna motstå hantering av en eller flera kunder. En kartongförpackning som upplevs som styv när den hanteras ger kunden ett intryck av lyx, ett exempel är förpackningar för nya smarttelefoner. Om en kartongförpackning är mer eller mindre greppstyv avgörs just nu subjektivt av en testpaneler. En objektiv och upprepningsbar metod för att mäta greppstyvhet snabbare behövs. I den här masteruppsatsen undersökts geometri- och materialparametrars påverkan på kartongförpackningars greppstyvhet. Syftet var att avgöra hur de olika punktlasterna skiljer sig åt mellan olika geometrier för ett givet material.  Mätningar gjordes med en dragprovare och en sensorisk mätenhet, Syntouch Biotac. Endast två av 19 sensorer analyseras i det här arbetet. Datan som analyseras i det här arbetet kommer från experiment utförda av författaren samt experiment gjorda i samarbete med en kandidatuppsats vid Örebro Universitet. Samma utrustning användes för båda experiment. Författarens experiment gjordes för att undersöka hur rotation av kartongförpackningarna påverkade resultaten. Ingen rotation utfördes under experimenten som gjordes i samband med kandidatuppsatsen på Örebro Universitet. Experiment utförda av författaren innehåller även kompression av förpackningar gjorda med ett mänskligt finger, detta gjordes endast på förpackningar som inte roterades. En FEM-studie utfördes för att validera resultaten från Syntouch Biotac. Datortomografi användes för att undersöka om skador som uppkommit på kartongmaterialet av mänskligt finger var lika de som uppkommit från Syntouch Biotac. Resultaten från Syntouch Biotac visar att det är möjligt att se var längs med eller hur nära kanten på förpackningen som Syntouch Biotac trycker på förpackningen, samt att det är möjligt att skilja mellan material om deras ytvikter skiljer sig tillräckligt mycket. Datortomografin visar att skador som uppkommit på kartong materialet av mänskligt finger eller Syntouch Biotac inte går att särskilja med den analysmetod som använts i det här arbetet.