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薄片材热成型的五项重大进展

薄片材热成型的五项重大进展

高速,自动化,更智能的生产程序控制,集成的视觉监控系统,以及更好的装饰技术在热成型“黑技术”实践者中变得越来越普遍。

 

 

在去年10月于德国举行的2019 K展上,来自美国一家大型热成型机的工程师问道,为何注塑技术似乎比热成型技术领先如此远, 虽然注塑技术生产的产品能有很高的公差,而热成型产品通常会有一些偏差,但现在,在对比两种技术发展的进度中,热成型技术并没有落后于其注塑技术多少。 高速,自动化,更智能的生产程序控制,集成的视觉监控系统,以及更好的装饰技术在热成型“黑技术”实践者中变得越来越普遍。其实,“黑技术”这个统称应该可退休了。
 

 

 

本文着重介绍了薄片材热成型的五个发展中领域,这些领域中的技术日新月异,也分析塑料材料,金属模具和生产设备的相互作用。全世界各区域的新技术采用率并非一致,像任何专业主题一样,越深入研究,就会发现更多的细节,厚片材和薄片材热成型工艺有广泛的应用。
 

 

 

自动化 I:产品堆叠  
可以肯定地说,当大多数热成型者被问及自动化问题时,他们通常会想到如何将产品进行堆叠,包装的相关最终解决方案,但是,这并不是一个万能的答案,从简单的A / B堆叠机构到机器手堆叠系统,热成型机有很多堆叠产品的方法,也许最常见的自动化方法是使用双轴机械手系统,将成型品夹紧,并从片材冲断,然后通过线性驱动器转移到传送带上,通过示教模式设置堆叠运动的参数。以优化标准堆叠运动的速度最高可达到40个模次/分钟。其他选项包括透过180°或90°的旋转来进行A / B堆叠。

 

 

 

一旦成型品被堆叠起来,它们会移至最终的包装工位,该工位可以像自动套标系统一样简单,也可以像完全铰接的机械臂一样复杂,这些机械臂将整组堆叠好的成型品放入预先准备好的纸箱中。 当然,这些机器通常不是热成型过程的“核心”,但是,能集成下游设备的能力是提供整体解决方案的关键。 从主机到自动化设备的信号交换相对来说是较为简单,总部位于奥地利的HOT&T 顾问公司的Gerhard Zdebor先生解释了这种连通性:“当要移动已堆叠的成型品叠件时,下游设备会从热成型机接收信号。 另一方面,如果发生任何故障,热成型机会从下游设备接收信号。 考虑到产量大,建议设定一个安全或缓冲区,当下游设备停止时,热成型机还能继续生产。”
 

 

 

众所周知,在许多行业中自动化能节省相关的劳动力,每个国家,地区和市场的经济情况有异,节省劳动力成本也许是投资的最大推动力,但是低附加值的项目可能会限制各公司实施自动化的意愿。
 

 

 

自动化 II:检验与质量控制 
自动化不仅用于成型品堆叠,高质量产品或高精度产品也从自动化中受益,这些产品要求增加质量检查和相关成本,如能在配有集成摄像头和剔除站的高速热成型生产线上制造。

 

 

直到最近,大家仍认为在热成型工艺中,增加视觉检查系统的成本会超过其带来的收益,事实并非如此,成本的真实核算应该包括质量,例如,废品率,机器零件故障,报废率,然而,更难衡量的是因不良品而影响声誉的成本,试想一下,如婴儿食品自动灌装线上发生机器故障,所导致的停机,影响供货,声誉的成本会是多少?视觉检查系统提供了对成型品质量的更好了解和可见性,检查系统提供的信息能作为生产过程的控制工具,显示问题所在。最初,废品率肯定会增加,但随着使用一段时间厚,优质产品的百分比会上升,在包装和运输产品之前发现参数的缺陷,例如同心度,产品的壁厚,和侧壁精度等,可以充分确保不会产生更多的成本。速度高达1400杯/分钟的高速生产线可以分离,运输,检查和重新堆叠产品。

 

 

提高生产力:软件和生产过程控制  
充其量,软件是提高生产力的工具,但有时候,它会给用户带来额外的工作和烦恼,一般来说,在使用新控制软件时,我们必须适应自身的行为。 K 2019展会上,其中一个大家关注的议题是生产过程控制要素,特别是闭环系统,通过该系统,片材温度或辅助模拉伸力的变化会让机器自动调整相关参数,这系统可归类为可改善机器操作方式或使机器更加智能的软件。 机器设置的动态优化使这一步骤更上一层楼,在操作员输入产品数据(零件尺寸,材料类型和厚度)之后,机器可以自动计算加热和成型参数。

 

 

 

机器和制造执行系统(MES)之间创建网络是已知的最佳实践,并且在工业4.0的专栏下越来越受到关注,现在可以通过1毫秒控制来输入参数,将数据以csv格式导出会创建大量数据,“大数据”的提供意味着我们有更多可用信息,但不一定有更多时间进行分析,随着数据科学培训变得越来越重要,这对操作员和员工也具有重要意义。 设备的远程访问或远程监视,机器或模具设置的记录和归档,订单管理以及符合FDA或GMP要求的时间戳数据集(用于审核)是已连接系统的一些新功能和优点,这些可以归类为可提高用户生产力的软件。
 

 

 

过去的15年里,多数热成型机使用红外线扫描片材上的识别点或识别线,来监控片材的加热状况,但是随着改进的数据可视化工具的出现,该技术正在获得越来越多的接受。还有另一种思路,就是在整个片材宽度上集中记录片材的表面温度,从而计算出辅助模塞或预拉伸器的功率控制(即所需的拉伸力),为保持生产过程时间稳定,机器会监控气阀的动作,必要时,生产参数将自动调整,以补偿气阀的切换时间。
 

 

 

如今,绝大多数机器都使用伺服驱动,如输送轨道链条送料系统,成型站的合模运动,和零件拆卸系统等。伺服驱动器像发电机一样工作,因此在制动过程中会产生能量,通常,该制动能量作为热量排放到周围环境中,反馈驱动技术意味着制动器产生的能量流入中间电路存储区(电池),驱动控制器连接到该电路,从而允许将能量用于其它伺服驱动器。

 

 

 

材质的重要性:模具技术  
在厚片材和薄片材热成型生产程序中,经常将模具成本和周转时间称为热成型工艺的关键优势,有一些热成型者在内部设置了模具部门,自行制造模具,这仍是普遍的做法。在研究实际的模具技术之前,必须注意模具制造商已经从CNC技术的进步中受益,旧的手动车床和Bridgeport压力机的制造方法已经一去不复返了。

 

 

 

美国,德国和日本的设备主导着机床行业,Lights-out自动化使调度具有更大的灵活性,并减少了操作员监督的需要,表面处理得到了改善,为模具车间节省了更多时间和劳力。 在挤出设备领域里,CPET和CPLA材料配方的变化导致了避免使用油加热的双段模具,而采用电加热的单段模具。
 

 

 

模具技术的主要发展可归纳如下:模具材料选择,气流和水流。 铝材的更普遍使用和接受,改善温度管理和减轻重量,从而加快机器的运动速度。铝制密封件,耐腐蚀材料,以及最优化的水压可使冷却速度提高7倍,在宽广的温度范围内减少冷凝水的产生,就是“无汗”效果。 特别是采用就地调整模具,独立的夹紧环压力和独立的向下压制器(压圈)冷却功能可实现高度精确,提高可重复性。
 

 

 

加利福尼亚州奥克斯纳德市的PinnPack包装公司科学技术人员Tim Douglas看到了试验模具涂层的重要性,他说:“从简单的硬质阳极氧化处理到PTFF涂层,这些涂层有助于延长模具寿命,并防止模具磨损,”他说。 “ Endura Coatings或Sun Coating Co. 公司的某些高端涂料增加了针对模具材料的保护,例如,在生产CPET片材时,辅助模塞和模腔都有涂层,可更好地脱件,减少摩擦。” 所有这些涂料都通过FDA,NSF和USDA的安全使用管制。

 

 

改良的模具内部气流设计,包括用于快速填充和排气的节气技术,以及将气阀放置在靠近模腔的位置,有助于提高生产速度。 模具可配备传感器以监测应变,压力,温度。现在来自德国的最新模具配备了用户友好的NFC或RFID标签,可提供完整的生命周期文档,提醒操作人员及时对模具进行维护。
 

 

 

集成的产品装饰 
在热成型工艺里,使用预印刷片材成型技术已经掌握了至少25年,如今,大多数设备都可以使用A-B和A-B-A配置,也能生产翻盖盒和糖果包装盒。在生产之前,也能使用T-Sim电脑软件,模拟模具对变形打印进行有效建模,其中仅需要传感器(电眼)即可检测预印刷片材的特定区域。贴标,一般成型后印刷加工和数码印刷等辅助流程可提供较高的速度,但它们却增加了生产资本,同时又增加了系统的占地面积。

 

 

热成型的一个关键属性是能够使用多层片材料形成,产出的产品具有100%防护层的能力,如PP / EVOH / PP多层片材。 在阻隔良好得材料上添加装饰可为产品设计师和产品市场开拓新大陆,特别是在客制产品多的市场,如超级市场或特色食品商店等。 与一般传统的模制产品相比,热成型模内贴标技术(IML-T)提供了可观的减少塑料使用的机会,因为标签在成型过程中与成型品粘贴在一起,从而加强了成型品的壁厚,负载力,生产商不用额外地增加标贴设备,减少了生产成本,腾出珍贵的生产占地面积,同时,IML-T技术提供了与标签打印相关的更多图形选项。由于成型品材料不许预印刷,因此在加热过程中不会从印刷色中释放出气体,成型后剩余的片材料可以很容易地粉碎,回收,再制粒,以便重新使用而不会受到污染。

在目前的IML-T技术发展中,聚合物基材,纸张,甚至纸板标签能使用在热成型模内贴工艺里,解决了一直存在的回收问题: 塑料如何妥善分类,透过最新的IML-T技术,两种或更多种塑材料便可轻松地分离,并妥善回收。
 

 

文章来源:

"Plastics Technology Magazine, A Gardner Publication".
Conor Carlin ILLIG北美分公司总经理
美国SPE(Society of Plastics Engineers塑料工程师学会)副理事长暨主编