1.5 挤出中空成型机发展趋势与展望
1.5.1 创新设计理念,推动吹塑机技术革新
① 经济的快速发展推动了挤出中空成型设备的设计理念的不断转变。将工程设计与工业设计紧密结合,从实用和艺术的综合角度出发,实现产品功能与形式的完美结合,进而达到优化产品结构、提升产品性能、重塑产品品牌形象的目的。
图1-34所示吹塑机智能化生产线是苏州同大机械有限公司吹塑技术研究中心采用模块化设计与工业设计相结合研发的新一代吹塑机生产线,在充分保障吹塑成型工艺基本功能的情况下,对吹塑机生产线的外观设计和人机配合方面下了大量的工夫,使设备的外观以及维护等得到了较大的提升。
图1-34 全新的吹塑机智能化生产线
② 模块化是在传统设计基础上发展起来的一种新的设计思想,现已被广泛应用,尤其是信息时代电子产品不断推陈出新,模块化设计的产品正在不断涌现。力求以少量的模块组成尽可能多的产品,并在满足要求的基础上使产品精度高、性能稳定、结构简单、成本低廉。模块化技术设计可简化产品的连接结构和部件数量,使所设计的产品由多个功能模块组成。
③ 标准件普及理念。现如今大多数挤出中空设备生产厂家使用的液压油源、液压油缸、机械手、冷却水排等仍然停留在自产自销的阶段。扩大标准件使用范围对于企业来说可以缩短设备生产周期,降低设备维护成本。从模具行业、汽车行业等可以看出标准化的优势以及在国内中空吹塑机行业推广标准化制造的紧迫性和必要性。
④ 大量引入现代机床设计理念与成熟方法,提高吹塑机生产线的使用效能、人机功能、节能功效、稳定性与可靠性。
1.5.2 快速发展中的新技术、新工艺
① 如何实现单螺杆的高产、低能耗,实现高效熔融和混合以及实现精密挤出将是今后单螺杆挤出机的研究方向。IKV结构挤出机具有强制进料、强制冷却的优点,其机筒加料段衬套上开有宽而深且形状不同的纵向沟槽,并设计有强制冷却的夹套结构,这样就可以极大地提高物料输送效率,从而使挤出量保持稳定。目前一些大型的中空成型机制造厂家在IKV结构螺杆的基础上,将分离螺杆、屏障型螺杆形式和IKV结构形式完美结合在一起,研制出了高效、综合性能优良的单螺杆挤出机,并且已将其应用在大型中空成型机上,取得了较好的效果。这种优异的螺杆目前还没有实现系列化,随着加工技术水平不断提高,对挤出机产量及稳定性提出了更高要求,该类型螺杆将很快普及。虽然机筒衬套沟槽显著地提高了固体输送效率并实现了熔融物料的稳定输送,但是,其在理论上的缺陷也不可避免地导致挤出过程中出现了巨大的剪切热和压力梯度以及严重的设备磨损问题。潘龙在《螺旋沟槽单螺杆挤出机新型挤出理论研究》中创新性地提出了依托于双螺棱推动理论下的固体输送段正位移输送机理,新的环保高效的塑化方式如超声波塑化、微波塑化及激光塑化等。目前德国IKV研究中心对注射成型机的超声波塑化方式进行了研究,并取得了可喜的进展。
苏州同大机械有限公司吹塑技术研究中心研制成功系列化的高性能HMWHDPE挤出塑化装置,挤出机规格为70mm、80mm、90mm、100mm、120mm、150mm,长径比达32∶1,其各项性能均达到了世界先进水平。
② 旋转挤出中空吹塑设备因为各个模具速度不同,需要为每个模具挤出相应的管坯,因此其重复精度很低,要保证其精度,势必增加飞边。新型的旋转吹塑设备,在模头下方的位置速度是相同的,这样只需要挤出相同的管坯,因此具有很高的重复定位精度。旋转挤出中空吹塑是一种相当高效的挤出中空设备,以TECHNE的ROTAX机型为例。ROTAX是一台旋转型全电动吹塑机,其旋转框架上可安装24副模具,采用双模头生产典型益生菌奶瓶每小时超过5万只。Urola的M系列电液复合旋转吹塑设备也具有很高的生产效率。图1-35为旋转吹塑机生产线外观图。
图1-35 旋转吹塑机生产线外观图
③ 传统的吹塑过程中,吹塑模具夹持住由挤出机头挤出的管坯,同一塑料型坯下只有一个模腔,只能成型一个制品。串联吹塑是一个塑料型坯成型多个制品,从而使产量翻倍。目前国外Bekum、Kautex等厂家以及国内一些厂家都推出了串联吹塑设备。新型的串联吹塑模具,除了有一对口对口模腔外,还有一个单独吹塑的模腔。口对口的制品由横向插入的吹针进行吹气,单独吹塑的模腔由下吹针吹气,国内一些吹塑机制造企业也在抓紧进行这方面的研发工作。图1-36为口对口吹塑工艺示意图。
图1-36 口对口吹塑工艺示意图
④ 异形吹塑制品(汽车用风管等)成型工艺中,传统方法是通过手工将料坯摆放进模腔内,这种方法成品率极低而且安全事故频发。针对这种情况,Kautex等知名吹塑厂商开发了智能化的吹塑设备,使用机器人进行放料坯、取制品等动作。也可以采用吸管坯的方法成型三维弯管。华南理工大学黄汉雄发明了一种采用风动力牵引三维吹塑设备,利用风环产生的气流牵引型坯沿着弯曲状的模腔移动,其结构紧凑、能耗低、易于实现、生产成本低,大幅度减少飞边,产品的力学性能好。图1-37为气流牵引吹塑成型实物图。
图1-37 气流牵引吹塑成型实物图
苏州同大机械有限公司近年来结合吹塑机生产线的创新设计,成功研究出适应于多种不同规格、不同型号、不同塑料材料的负压牵引吹塑机生产线与配套模具及工艺技术,其吹塑机生产线与相关负压牵引技术已经实现全部配套。
⑤ 中空挤出吹塑行业的传统多层技术,一般通过圆柱多层嵌套,每层由独立的挤出机系统供料。微层吹塑技术指制品由几十乃至上千微层堆叠而成。美国陶氏化学的Crabtree和另外几位研究人员开发出了这种技术,在物料进入机头之前,产生一种物料交替的微层叠层。微层可能是几分之几毫米,将新型层增技术与独特的机头几何技术结合在一起,得到具有更多层数的结构。他们在实验室成功开发成型了一个350mL的波士顿圆瓶,圆瓶具有1.25mm的壁厚,包含33层HDPE和LLDPE的交替层。陶氏使用了一套包含两台38.1mm和一台32mm挤出机的共挤系统,以及自己设计的供料头和“层倍增器”,所用直角式模头的直径为25.4mm,固定模头间隙为1.5mm,该模头与多层薄膜模头相比,采用了更加特殊的设计,以实现对微层流动路径的控制。陶氏还生产了一种30多层的瓶,在不发泡的微层间交替发泡材料层,因而Boston圆瓶减重30%。
苏州同大机械有限公司与北京化工大学合作,研制了制品容量达到30L的49层微层吹塑机生产线。
图1-38是苏州同大机械有限公司同北京化工大学合作研发的微层挤出机机头,采用3套70挤出机供料,可以生产49层或193层的30L以下吹塑制品。
图1-38 30L 49层微层吹塑机头外观
1—机头接头;2~6—机头主体;7—液位线挤出机
1.5.3 挤出吹塑机技术研究重点与发展趋势
随着国内外吹塑制品市场的不断发展以及技术要求的提高,挤出吹塑中空成型机的研发将可能出现以下一些重点研究方向。
① 大型、超大型挤出吹塑专用中空成型机的研制。
② 多层、多工位高速大中型中空成型机的研制。
③ 全电动、电动与液压系统相结合的高速中空成型机的研制。
④ 配套齐全的吹塑生产线的研制。
⑤ 具有远程网络服务功能的全自动吹塑生产线的研制。
中空成型机的零部件与电气控制系统以及相关配套主要有以下几个方面。
① 电气自动化控制系统方面
a.设备主机与辅机的联控技术。
b.远程通信、控制与调整技术。
c.多机联控技术等。
中空吹塑机设备主机与配套辅机的联控技术是发挥中空成型机组最大效能的一个重要手段,目前正在向高速、自动化、耐用等方面发展。
中空成型机自动控制系统的远程通信、控制与调整技术是近年的技术开发重点,这些远程控制技术的发展与研发,反过来会促进中空成型机控制技术的进步与发展。
多机联控技术可将多套中空成型机组进行联合控制,并且将加工后的产品通过辅助设备进行检验、分类、包装等作业,以最大限度地减少人力投入,实现较大规模的生产,以提高生产效率与经济效益。
② 合模机构装置方面 配置较为全面的合模机构主要包括:底座、液压油缸、模板、下部吹胀装置、预夹装置、扩坯装置、安全门、模板同步合模装置以及合模机构移出装置等。合模机构应能实现模具的快速开合模、慢速开合模、四开模的上下开合模、塑料型坯的扩坯、预夹与吹胀、高压锁模、制品低高压吹胀成型、安全门的开合以及模具的快速更换等功能。合模机构近年来的主要变化是进一步向节能和高效化发展。
挤出吹塑中空成型机的合模机构大量采用了以下一些装置:三板两拉杆合模装置;两板合模装置;销锁装置;滚珠直线导轨与伺服电动机带动同步滚珠丝杠驱动模板等应用装置。
近年来磁性快速换模系统在大型注塑机上应用较快,对于提高大型注塑机的换模速度和提高模具的稳定性起到了较好的作用,预计未来几年将在大中型中空成型机的合模机构的模板上得到较快的应用。磁性快速换模将会成为合模机构的技术创新重点之一。
此外,三板两拉杆合模机构的液压缸快速充液技术与节能技术,以及销锁装置机构、强磁性锁模机构的不断改进与研发也是合模机构的创新重点。
为了适应三维吹塑的技术要求,合模机构的多维控制与结构的改进将会成为技术创新重点之一。同时,机械加工机床方面的一些成熟技术将被移植到合模机构中并得到更多改进。
此外,多工位大中型合模机构将会获得较快发展,以适应吹塑客户降低成本、提高产能的要求。
近年内,可能研制出采用电动驱动或电液混合驱动的节能型合模机成型装置,从而达到节能、高效等效果。
③ 配套的吹塑模具方面 随着现代科学技术的发展进步,新的吹塑制品和包装物不断出现,各类吹塑模具设计与制造正在步入快速发展的道路,这些高新技术的大力推广应用,不但促进了各类吹塑模具的设计、制造技术的进步,也加快了各种吹塑产品的更新换代与升级。预计随着这些高新技术的进一步发展和推广应用,各类吹塑模具的制造周期会进一步缩短,制造成本有可能进一步降低,模具的制造质量也会有较大的提高。
目前吹塑模具的研发重点主要集中在以下一些方面。
a.自动去飞边技术。
b.高质量表面成型技术。
c.定点负压成型技术。
d.多种三维成型技术。
e.特殊吹塑制品成型技术(包括预成型技术)。
f.深拉伸吹塑模具技术。
自动去飞边对于提高设备的生产效率,减轻操作人员的劳动强度发挥了较大的作用,此类模具的应用范围将不断扩大。
包装物表面质量和吹塑制品表面质量要求的提高,促进了成型高表面质量吹塑制品制造技术的进步。因此在未来高质量表面模具的比例将会更高。
许多工业件吹塑制品的壁厚与表面质量要求接近苛刻,采用严格的型坯控制仍然难以达到相关的技术要求,一些吹胀比变化较大制品的吹塑成型,对模具的要求也会更高,近年正在研发中的吹塑模具定点负压技术是解决吹塑制品吹胀比相差较大的方法之一,预计这一方法将会得到更多的研究与应用。
三维吹塑技术是吹塑异形工业件的较好方法,随着异形吹塑制品市场的不断扩大,应用于三维吹塑的模具将得到较快的研发与实际应用。
特殊吹塑制品的成型技术方面目前比较成熟的是吹塑制品预成型技术,采用这一技术可以成型一些特殊吹塑制品,以及普通吹塑方法难以成型的吹塑制品,预成型技术将随着应用的扩大不断获得进步。
深拉伸吹塑成型技术与高质量表面技术结合可制造采用普通吹塑方法难成型的特殊吹塑容器制品,这项技术在未来几年内将得到较快的发展。
多重壁吹塑成型技术与液态相变防弹技术相结合将可能在一些需要特别防护的吹塑容器制品、夹壁吹塑制品成型方面发挥其特有的优势。
④ 高效挤出塑化方面
a.电磁感应加热技术将获得较快发展。
b.高效挤出、塑化性能优良、混合均匀、节能的挤出机将会得到推广应用。
⑤ 高性能塑料机头方面
a.快速换料、换色的机头。
b.塑料型坯壁厚控制更加准确的机头。
c.多色、多层机头、多种塑料共挤机头等。
d.微层机头的设计与制造技术。随着吹塑制品市场的不断变化与发展,随着设备生产厂家的不断研究创新,将有更多新的技术与新的吹塑机生产线问世。