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二板智能注塑機助力托盤行業的發展

2022/4/2 8:52:50 來源:博創 關鍵詞:聚風塑料網

作者:林文強、李崇德、凌晨、江冰


摘要:在國家綠色環保、“雙碳”戰略的中長期可持續發展政策的扶持下,隨著標準托盤物流政策的推廣,塑料托盤保有量和年產量高速增長,大型注塑機是塑料托盤的重要生產設備,二板機更是大型注塑機市場的主力軍。本文重點介紹大型二板注塑機在塑料托盤行業的技術優化與創新,提升自動化、數字化,構建注塑智能工廠的創新應用,助力塑料托盤生產企業的發展。


關鍵詞:塑料托盤、二板注塑機、節能成型技術、注塑云系統


1. 塑料托盤市場發展


托盤是物流系統中重要的集裝單元和搬運器具,在運輸、倉儲、包裝、裝卸、搬運、配送等物流各個環節中發揮重要作用,是現代物流不可或缺的重要工具。隨著我國國際貿易、物資存儲和運輸業發展,物流行業規模不斷擴大,市場穩定發展,并逐步形成產業群。近些年,隨著移動互聯網、大數據技術的發展,二維識別碼、RFID電子標簽等先進標識技術在物流行業的應用及推廣,極大的方便了貨物形態的數據收集、處理與應用,實現物流數據采集的自動化,做到對貨物實時追溯追蹤,為智能物流提供可行的解決方案。


塑料托盤使用PE/PP等熱塑性塑料,加上一些改善性能的添加劑,通過注塑、吹塑等工藝加工而成的。與木質托盤相比,塑料托盤整體性好,衛生潔凈,易于沖洗消毒,在使用中具有質輕、無釘刺、耐酸堿、不霉變。由于塑料托盤質輕、承載能力強、耐腐蝕、免熏蒸與可直接出口等特點,其使用壽命是木托盤的3~5倍。此外,塑料托盤符合環保要求,廢盤材料可以回收利用。在可持續發展的理念下,塑料托盤將逐漸取代木制托盤成為托盤行業主力軍。


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2. 托盤專用二板注塑機性能分析


塑料托盤通常采用聚乙烯(HDPE),聚乙烯質地堅硬,化學性質穩定、無毒無味,對產品不會造成任何不良的影響。塑料托盤的成型工藝是通過大型注塑機將塑料材料熔融,然后注入模具型腔中,熔融塑料在模具中冷卻定型后,得到與模具內部形狀一樣的制品。注塑成型加工方式的可塑性較強,可以根據不同的使用場景,生產不同形狀的托盤。


塑料托盤由于原材料成本較低,目前在國內普及較廣。注塑工藝生產出來的托盤光滑平整、內部結構緊密結實,具有較好的耐腐蝕性。因為采用模具生產,產品設計自由度較大,且外觀上造型美觀,無飛邊、無刺、無碎屑,色澤純正、顏色可選擇,結構整齊,干凈衛生。


塑料托盤缺點在于承載力稍小,其凈載荷1~10噸,動載荷0.5~1.5噸,架空載荷0.3~1.2噸。塑料托盤結構一般為單面使用型。加強型塑料托盤:在材料中注入氣體形成均勻分布的小氣泡,或嵌入鋼管等金屬嵌入件,使托盤的剛度提高,抗彎強度提高。


注塑成型用于成型形狀復雜、剛度要求高的托盤,適用于生產批量大的托盤成型加工。托盤模具尺寸大,結構復雜,動作順序和輔助裝置較多,模具內熱流道結構多變,但是模具厚度小,要求注射量很大,注塑成型控制穩定。對于標準的注塑機在滿足模具安裝和鎖模力的情況下,很難滿足注射量的要求。為應對物流行業對塑料托盤日益增長的業務需求,博創在二板機的基礎上加大產品技術參數,結合國內的新技術應用,研究開發18000KN~40000KN鎖模力的托盤專用注塑機,以適應物流行業對注塑機的需求,可覆蓋所有類型的標準托盤。


2.1 大型二板機的優勢分析


博創是國內最早研發二板注塑機的企業之一,深耕二板技術十六年,二板機技術非常成熟,性能穩定。二板機相比傳統機絞式合模機構具有以下有優點:


(1)二板機只有兩塊模板,合模封閉力線短,拉桿受力均衡,可顯著提高制品質量,整機結構緊湊,節省空間,空間利用率高。


(2)增壓油缸放置動模板后側,模板承載能力更強,拉桿從鎖模油缸內部穿過,不與油缸內密封件接觸,減少密封件受擠壓漏油的情況。


(3)鎖模全液壓控制,鎖模力線性可控,且重復再現性強,可顯著提高制品質量。


(4)移模由低壓力快速開合模油缸驅動,采用德國Rexroth高響應快速比例閥控制,可實現高精度的開、鎖模重復精度,避免了機絞式注塑機調模困難的問題。


(5)采用固定兩根下拉桿的方式,且作為動模板運動導向,使得動模運動平穩快速。


(6)開鎖模采用大行程精密數字式電子尺,確保動模板位置精度。


(7)鎖模四個高壓油缸獨立配高精度磁伸電子尺測量油缸行程,測量精度0.001%FS,確保位置精度。


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圖2 二板鎖模結構


大型注塑機的能耗一直是注塑加工企業關注的焦點。二板機由于沒有機絞機構,傳動慣性小,移模油缸推力需求較小,可降低移模能耗。大型注塑機一般有多個泵組,各液壓動力泵組均采用伺服電機驅動和伺服控制系統, 動作加速和響應快,整體耗電大大減小。大型塑料制品的注射成型,能耗直接反應到制品的生產成本上,在市場激烈競爭的情況下,節約了制品的生產成本。由于二板機其自身的特點,在大型注塑機領域有著得天獨厚的優勢,特別適合于塑料托盤的注塑生產。


2.2  電動塑化裝置的優勢分析


塑料托盤原料一般采用聚乙烯(HDPE)新料,少量托盤使用聚丙烯(PP)塑料。聚乙烯是一種分子密度高、粘度大、結晶度高、分子取向性強的塑料,流動性好,焓值在常用注射塑料中為最大,材料熔體指數一般在5~10g/10min。


有關研究表明塑料熔融所需總功率:NT= Gs×ET


NT-塑料熔融所需功率      Gs-塑化能力,g/s      ET-焓,J/g 


例如,HDPE焓800J/g=800Ws/g,PP焓590J/g=590Ws/g,上述公式表明在外部條件相同,塑化能力相同的情況下,因為HDPE焓比PP焓值高,塑化HDPE時所需功率大。


大型二板托盤專用注塑機料管組加熱裝置采用了壽命長、熱容量大、加熱效率更高的節能陶瓷加熱圈,保證塑化質量。在北方寒冷的地區,建議在料管組加熱圈外增加保溫隔熱節能罩,有效降低能耗,節約資源,提高生產率,改善車間生產環境。


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圖3 電動塑化裝置


針對塑料托盤產品,螺桿設置特殊的高混煉結構單元,經過優化的螺桿設計,下料速度快,塑化能力強和混色效果好,縮短塑化時間,確保塑化質量穩定。同時螺桿采用了雙合金材質,以增加強度和耐磨性,特別適用于HDPE、PP及100%再生料托盤的生產,生產效率高。


大型注塑機一般采用徑向柱塞式低速高扭矩液壓馬達直接驅動螺桿塑化,塑化傳動機構的能耗主要是液壓馬達的工作能耗,由于液壓的損耗和馬達本身的效率,整體能量損失不小。使用液壓馬達缺點也很明顯,起動扭矩小、低速穩定性差,容易受液壓油溫升影響機構的穩定性。傳統液壓塑化系統伺服電機通過齒輪泵把電能轉化為液壓能,再驅動液壓馬達轉動,能量的轉換會造成能耗的損失。


大型二板托盤專用注塑機塑化組件采用大扭矩伺服電機配置齒輪箱的電動塑化系統,具有轉速高,塑化能力強,塑化質量穩定的特性,配置該系統容易實現開鎖模同步熔膠功能,可縮短注塑成型周期,而且維護成本低,使用壽命長,并且提高節能效果。


配置油馬達的能效估算:η=η電機×η油泵×η馬達=95%×80%×0.88%=66.8%



配置電塑化裝置的能效估算:η=η電機×η齒輪箱=95%×98%=93%



因此配置電動塑化裝置比普通液壓塑化系統節約了10%~25%的能耗,效率更高,更節能環保。


3. 創新注射成型應用


塑料托盤在注塑成型技術創新的研究中,涉及化學發泡注塑成型、微發泡注塑成型和氣體輔助成型等技術。


3.1  化學發泡注塑成型


化學發泡是利用化學方法產生氣體來使塑料發泡,對加入塑料中的化學發泡劑進行加熱使之分解釋放出氣體而發泡,也可以利用各塑料組分之間相互發生化學反應釋放出的氣體而發泡。


采用化學發泡劑進行發泡塑料注塑的工藝基本上與一般的注塑工藝相同。塑料的加熱升溫、混合、塑化及大部分的發泡膨脹都是在注塑機中完成的,其發泡過程一般都要經過形成氣泡核,氣泡核膨脹,泡體固化定型等階段。


化學發泡不影響制品表面光潔度,對制品的其它物性無不良影響,產品質量穩定,且能降低能耗,提高產能?;瘜W發泡適用于大部分塑料,應用廣泛。


3.2  微發泡注塑成型


微發泡技術的實質是利用惰性氣體(CO2,N2),在高壓和玻璃化溫度以下將惰性氣體充入飽和聚合物,然后再利用升高溫度、減小壓力的措施,產生均勻分布的泡孔,以形成泡核。隨著泡核增長,成型出內部呈均勻孔狀結構的托盤產品,可以減輕產品重量,消除收縮痕保證產品尺寸穩定,縮短成型周期目的。


使用微發泡注塑成型技術生產的托盤,可以大幅降低成型過程需要的鎖模力,使用較低的鎖模力可成型較大的制品,產品的用料比例降低,節約原材料,而且降低模具的制造成本。有研究表明,微泡成型的產品,沖擊強度高出6~7倍以上,剛性高出3~5倍以上,并具有較高的熱穩定。由于孔的存在,可減小密度的情況下,不僅不會降低材料強度,反而會使原油裂紋尖峰鈍化,阻止應力沿裂紋繼續擴張,從而提高了沖擊強度、耐沖擊性能好。托盤無需插鋼管,回收方便。與常規塑料托盤相比微發泡托盤的平均成本可減低15%~20%,微發泡注塑循環周期可減少30%,國外使用該技術成型的托盤比較常見。


3.3  氣體輔助成型


氣體輔助成型是把高壓氮氣經氣輔控制器直接注射入模腔內處于熔融狀態的塑料里,使塑料件內部膨脹而成為中空,但仍保持產品和外形完整無缺,同時有效阻止了產品的收縮,減少應力變形,提高了產品外觀質量。


塑料托盤一般產品比較重,壁較厚,而且有很多的肋,以提高制品的剛性。利用氣輔成型可節約材料,縮短成型周期,簡化制品設計和模具結構,降低對設備鎖模力的要求。


目前氣輔成型用于受力物件上不多,特別是對塑料托盤這樣的大型受力物件尚未見報道。目前國外又開發了外部氣體輔助注塑成型技術,擴大了氣體注射的應用范圍,它可排除制品筋位背面常見的凹陷和翹曲變形,有些使用要求較高的塑料托盤可能會采用該技術。


4. 自動化、數字化技術構建智能工廠


隨著人工成本的持續上升,為了降低人工生產中的不確定因素,提高生產效率,提升產品質量,大型注塑機生產企業結合自動化、機器人、人工智能等技術,提升產品性能和質量。


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圖4 塑料托盤自動化生產線


4.1  配置機械手


配置專用的機械手,開模過程中機械手可同步下行自動取件。引入智能化設計,配備各式傳感裝置,為設備實時診斷和改善提供數據。在注塑生產過程中,用專用機械手將注塑機生產的托盤根據預先編碼設定的指令逐個碼放堆疊在一起,達到設定的數量后,再以記憶的方式反復操作,實現安全生產,穩定產品質量、提高注塑機生產效率、降低廢品率和生產成本、提升企業競爭力。


4.2  配置注塑云系統


在智能制造熱潮下,注塑加工行業亟待進行基于大數據、云計算與移動互聯網的數字化轉型,提升企業的自動化水平。提高生產效率,構建高效透明、人機協同和動態調度的智能化工廠是注塑加工行業的未來方向。但由于塑料制品行業自身的特殊性,導致其數據信息復雜性較高,信息收集難度大,無法及時處理與應用,進行企業數字化轉型并非易事。中和注塑云以物聯網為基礎,工業4.0為途徑,有效解決注塑加工行業痛點,提高數據共享和協同效率,從而提升企業的核心競爭力,助力企業向智能制造轉型升級。


中和注塑云MES系統是介于高層管理計劃系統(ERP/MRPII)和底層生產控制系統(DCS/PLC等)之間的生產執行管理系統。包含倉庫管理、設備管理、計劃管理、生產管理、工藝管理、質量管理、追溯管理和告警管理八個標準模塊功能,還有工資模塊、能耗管理和系統整合模塊等定制模塊。以告警管理、生產管理、質量管理和報表管理為例。


(1)告警管理功能系統實時反饋設備異常狀態,并通過系統推送給相關人員,使客戶能及時發現設備異常,提高異常處理效率,從而提高設備的使用率。


(2)生產管理:對整個注塑生產現場進行實時數據采集,信息共享,實現生產現場與職能部門互動,以此為基礎,提供生產數據的可追溯性,為注塑生產過程透明化管理提供可靠依據。


(3)質量管理功能記錄產品首檢、巡檢、終檢信息,為質量分析和品質提升提供可靠、有效、客觀的依據。


(4)注塑云MES報表管理列印出給定條件下的生產記錄、機器巡檢記錄、次品明細記錄、機器稼動率OEE、機器生產模次統計、機器、工單生產情況等報表使生產數據一目了然。


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圖5 中和注塑云系統


注塑云MES作為車間級承上啟下的綜合管理系統,已經成為企業剛需,企業將注塑云系統與自動化的生產模式相融合,通過技術創新,逐步實現生產模式的自動化、數字化和智能化,構建智能數字化工廠,節約人力資源成本,打造注塑產業智能制造新模式。


5. 結語


大機二板化是注塑機行業的發展方向,注塑機技術優化與創新、工藝應用升級為塑料托盤提供全局性的支持。數字化、信息化又幫助注塑托盤行業實現數字化轉型,提升行業的產品品質、生產效率和管理水平。技術創優的智能化注塑成型整體解決方案,必將推動塑料加工行業最終現實國家智能制造的戰略轉型。


參考文獻:

[1] 張友根  注射塑化系統設計研究 寧波海航塑料機械智造有限公司,《中國行業資訊大全》塑料行業卷 2006(2)232-244

[2] 張友根  注塑機節能技術的分析研究(上) 寧波海航塑料機械智造有限公司,橡塑技術與裝備 第34卷 2008(3)53-60

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