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包装 
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汽车、包装、医疗等行业的发展催生了注塑工艺及设备的巨大需求,为注塑机行业开拓了广阔的市场。从注塑加工行业的技术创新历程来看,当前已经由注重提升注塑装备单一性能向围绕终端注塑产品构建系统化和智能化整体解决方案转变。本文梳理了近年来全球注塑行业最新技术进展,指出智能化、轻量化、精密高效化是目前注塑行业的主要发展趋势。


恩格尔IQ weight control可确保整个注塑过程中射胶量和熔体粘度保持恒定。
恩格尔IQ weight control可确保整个注塑过程中射胶量和熔体粘度保持恒定。
工业4.0是将机器和生产流程进行全球联网的第四次工业革命,智能工厂借助于网络化和生产系统的集成、工艺与生产数据以及智能辅助系统的使用,为更高的效率、生产力、灵活性、质量以及生产工艺的自优化提供全新的可能。

智能化解决方案—工业4.0下的创新趋势

Plastics4.0推进全球化网络生产

克劳斯玛菲集团针对工业4.0推出了智能化机器、一体化生产和互动式服务。智能化机器代表了可自行优化、提高生产效率和质量的机器;其中包括克劳斯玛菲开发的自我调整工艺控制(APC)功能,它们能识别可能因环境条件变化或粘性变化引发的工艺波动,并自行采取对应措施。升级后的APC plus首次考虑了20种基本材料的具体性能(如熔体的可压缩性),并在保压阶段自动采取措施进行调控。一体化生产表示无缝衔接的网络化生产,生产过程中各台机器和组件相互通信,并相应地自主控制工艺。DataXplorer是具有检测、分析和记录注塑生产过程以及上下游加工过程综合工艺资料的开放性系统。所有以质量为导向的加工数据如有机板加热曲线或注塑压力、模腔压力曲线等,都被记录在数据库中并形成跟随元件一起的二维码,可在全球范围内查询和跟踪每个元件的加工数据。互动式服务是指反应快速且覆盖全球的服务,例如借助远端保养工具,客户可在任何时间通过克劳斯玛菲网站直接登录电子服务平台(E-Service platform),查询所有相关的中央数据,快速处理问题。

Inject4.0发挥机器最大潜力
恩格尔IQ weight control可确保整个注塑过程中射胶量和熔体粘度保持恒定。
在工业4.0时代,恩格尔以inject4.0作为智能化工厂解决方案,可以为快速变化的市场需求做出灵活的回应。通过iQ系列软件产品可以持续地分析关键的工艺参数,在废品产生前识别偏差并立即补偿,包括注塑和保压阶段始终保持熔体量和熔体黏度的一致性;以模具排气不断地重新调整锁模力,且不受外部环境或者原料质量波动的影响。e-factory系统可以将所有高度集成的自动化生产单元完全联网,从一台中央电脑上观察并分析每个机器的工作状况、使用情况以及产量。新增能源模块可以让使用者对机器能源的消耗进行详细地展示、分析和优化,通过自动控制注塑机的启动避免出现能源使用高峰。e-connect.monitor可线上监测设备核心部件工作状态并提供可靠的故障诊断结果,避免因设备零件问题而导致意外停机;对磨损情况的分析可以确定导致关键零件加速磨损的关键过程参数,再通过参数调整可以避免磨损再次发生。

WITTMANN 4.0将注塑机转变为控制终端

威猛集团的WITTMANN 4.0示意图。工业4.0概念强调了将更多设备与注塑机联系起来,威猛集团的WITTMANN 4.0可以将注塑机转变为机械手、周边设备以及上部系统的控制终端。在威猛巴顿菲尔的UNILOG B8 控制系统中,机器及其所连接的机械手和周边装置可以实现互联,并通过统一的Windows®使用者界面,对注塑机和周边设备进行可视化操作,从而使各装置之间的交互以及整个加工流程实现最佳的协同效果且更加透明。同时,为了方便更多的设备连接至注塑机加工单元,威猛推出WITTMANN4.0路由器,用于连接公司网络和加工单元。加工单元内的注塑机以及机械手、流量控制器、温度控制器和混料机等其他所有装置都能自动感应到自身已连接至该路由器,然后进行相应的自我配置,并被注塑机自动识别。在整个大网络内,只有路由器需要定义,其他所有装置均无需网络设置。

UNILOG B8 控制系统。智能化解决方案正在不断普及

面对工业4.0挑战,博创提出的智能工厂通过注塑成型设备的主控制器与各种辅助设备的通讯和控制,实现智能互动生产。国内大型设备供应商都相继推出各自品牌的工业4.0的解决方案,如震雄控股iChen 4.0、东华机械isee 2.0、伊之密I-factory 4.0等等,关注重点是解决生产过程的监控、管理及服务。同时,一些系统解决方案服务商针对中小型企业提供注塑信息化解决方案,帮助客户提升注塑车间生产信息化水平,将注塑车间的机器设备和人员信息联网管理,实现注塑车间透明化和数字化生产。

面向汽车轻量化

ProFoam在汽车内饰上的应用

阿博格采用物理发泡方式的ProFoam工艺用于汽车内饰件生产,同时借助动态模温控制技术可获得高质量的高光表面。ProFoam技术的基本原理是在原料进入机筒之前通过超临界氮气进行浸润发泡,其优势在于不需要在螺杆上设置额外的剪切和混合功能部件。采用Profoam技术可注塑出轻质、稳定并且不易变形的部件,部件具备均匀的发泡结构。相比于传统注塑工艺,采用发泡技术可降低壁厚,减少锁孔、收缩和扭曲变形,获得的制件不仅可减重13%以上,而且增强纤维平均长度更长。尤其值得一提的是,Profoam还被用于生产带长纤维增强的发泡部件,以达到更优良的机械特性。

CellForm微发泡整体方案

CellForm是注射成型中所有常见物理和化学发泡工艺的解决方案。克劳斯玛菲与MuCell合作,对工艺技术和机械技术进行了最佳协调,无须或仅需较低合模压力(降低30%到50%)及冷却,就可将元件重量降低20%,而且生产成型的翘曲变形非常低,产品极少出现凹陷或气泡。该工艺载入专用套装软件,并整合为克劳斯玛菲MC6系统的组成部分,所有的重要参数都能够加以调整、监控且集中显示。超临界流体流率、注入端开启时间和减重量等加工资料,都可经由该系统得出并便捷地传输给MuCell参数设置介面。生产现有的同款结构元件,发泡注塑元件的重量比同款实心注塑元件轻7%到10%。根据不同的结构,匹配与MuCell相容的设计,零件重量最高可减轻达20%。

Coinmelt注射压缩成型用于大型汽车零部件

过去注射压缩成型工艺通常被用于超薄光学级制品(如导光板)的成型加工,目的是减小制品内残余应力以满足光学性能要求。恩格尔则采用Coinmelt的注塑压缩成型技术为戴姆勒汽车开发出汽车后备箱盖的生产工艺,特殊之处在于生产物件具有非常复杂的三维几何部件,其中有明显的罗纹和若干底部切口,注塑压缩成型能够在不变形的情况下将这一结构进行出色的复制生产。不仅能够减少重量,还能实现更薄的壁厚。Coinmelt工艺中聚合物熔体被注射进缺口中以获得压缩冲程,相比传统的注塑工艺,这需要更小的注塑压力。在聚合物熔体的流动停止之前,合模单元以受控的平行度及确定的锁模力开始闭合。密封压力代替传统注塑工艺中的注射后压力,均匀地分布于部件所有长度,即使在生产较薄壁厚的产品时,也能因此减少材料的收缩。

纳米注射成型实现塑料与金属的超强结合力

纳米注射成型(NMT: Nano Molding Technology)是一种基于金属表面纳米构型的嵌件注射成型工艺,其核心是通过纳米化学构型工艺NCS (Nano-crystallization chemical structure)在金属表面形成纳米级微孔,然后通过塑料和处理好的金属件的嵌件成型实现塑料与金属的超强结合力。

日本早在多年前就已采用NMT技术,该技术具有简化制程工序、缩短工时及提升机械性能等优点,在实现高结合强度的同时降低生产成本,及大幅降低相关耗材的使用率。该技术最初只是将铝材与树脂进行一体化成型,现已可应用于镁、不锈钢、钛等金属,并且进一步发展出了金属间结合技术。

精密、高效的长期发展要求

“速度压缩”技术实现制品更薄、更轻 

住友德马格EI-Exis SP420注塑机采用“速度压缩”技术在2 2叠模中生产4个聚丙烯(PP)托盘,即在模具运动和注射速度达到最高点的时候进行压缩。在模具完全闭合前将塑化物料预存在模腔内,合模动作进一步促进模腔物料的均匀分布,从而降低了所需的注塑压力和合模力,确保了压力分布均匀,最终减少成品零件中的残余应力并改善产品的翘曲变形情况,达到更薄、更轻的生产效果。目前,住友德马格(Sumitomo-Demag)在塑料包装制造领域的份额超过20%,已经有超过2000台El-Exis SP注塑机用于薄壁塑料包装、螺纹盖和各种密封件的生产。

高流速双伺服阀驱动技术兼顾效率与精度

在K2016展会上,耐驰特(Netstal-Maschinen AG)采用ELIOS 7500注塑机,搭配24 24叠模,每小时生产超过43,000多个圆盖,每个重量为2.8克,生产周期为4秒。注塑机构由两个动态伺服阀驱动,保证在注塑和保压过程中实现高加速度、高注射能力和精密控制的效果。双伺服阀使流速高达2×550 L/min,最大注塑速度为2,200mm/s,加速度可达20G。节能电动锁模装置以中央对齐呈五点分布双杠杆的方式,确保锁模力能够均匀分布。巨大的柱距和宽敞的开模行程有利于堆叠模具或大腔堆叠模具的安装,并通过配备数位控制器确保高定位精度可实现注塑量的高度一致性。

液态二氧化碳局部冷却技术

为解决注塑模具中长而薄的型芯、圆角、滑块、顶杆及其他难以接近的地方的冷却,提出了液态二氧化碳局部冷却技术。液态二氧化碳局部冷却方案采用控制脉冲,通过微小毛细管将液态二氧化碳注入型芯或任何需要额外冷却的地方。在此过程中,柔性的不锈钢毛细管(外径尺寸为0.8mm或1.6mm)插入直径为2mm的孔中,留下一个被称为“膨胀室”的头部空间。液态二氧化碳通过高压(6MPa)送入,以防止其到达毛细管末端之前蒸发。由于二氧化碳相态转变时需吸收大量的热,因此拥有很强的冷却能力。吸热后的二氧化碳通过毛细管和模具通道之间的环形间隙逸出。

高效的液态合金注塑成型

液态合金是一种具有卓越机械特性的新材料,亦称为金属玻璃,是目前唯一可注塑成型的金属。液态金属对皮肤无刺激,无毒性,非常适合于医疗应用。注射成型时,塑化单元首先借助感应加热器加热到1100℃用于熔化坯件,再由活塞将熔融态金属注入型腔成型。为防止氧气晶化金属导致性能下降,型腔必须是高度真空。液态金属合金注射成型实现了一步到位制造复杂结构金属部件,并且其精度和表面质量远优于普通铸造。注射金属零件表面质量与腔体表面高度一致,无需打磨、无需抛光,相比数控加工尺寸精度可高出一个数量级,公差可达±8μm(金属粉末注射成型公差为±75~125μm)。

Optimelt厚壁光学透镜多层注射成型技术

厚壁光学透镜成型除了要求具有优异的光学性能、内部不产生气泡、表面无缩痕、残余应力最小之外,还要求在厚度变化较大的透镜有效光学表面位置精确成型。
Engel optimelt是特别针对光学制件加工的解决方案:首先生产一个预成型件,然后再在一个或多个后续过程中完成多层成型(常采用同一材料),后一层成型可以覆盖前一层所产生的缩痕等缺陷,从而确保高的光学质量。在照明领域的研究表明,多层之间的介面层对照明光学功能没有影响。

小结

汽车、包装、医疗等行业的发展催生了注塑工艺及设备的巨大需求,为注塑机行业开拓了广阔的市场。从注塑加工行业的技术创新历程来看,当前已经由注重提升注塑装备单一性能向围绕终端注塑产品构建系统化和智能化整体解决方案转变。智能化、轻量化、精密高效化将成为注塑成型产业未来较长时间内的发展趋势。

过去二十年来,中国橡塑机械企业通过持续不断的技术引进和自主创新已在全球塑机市场上占有举足轻重的地位,我们应该抓住全球“工业4.0”和“中国制造2025”的发展机遇,加快推动我国注塑成型技术尽快赶超国际先进水平。
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