薄片材熱成型的五項(xiàng)重大進(jìn)展
發(fā)布時(shí)間：
2020-07-14
薄片材熱成型的五項(xiàng)重大進(jìn)展 Five Big Advances to Track in Thin-Gauge thermoforming
高速，自動化，更智能的生產(chǎn)程序控制，集成的視覺監(jiān)控系統(tǒng)，以及更好的裝飾技術(shù)在熱成型“黑技術(shù)”實(shí)踐者中變得越來越普遍。
在去年10月于德國舉行的2019 K展上，來自美國一家大型熱成型機(jī)的工程師問道，為何注塑技術(shù)似乎比熱成型技術(shù)領(lǐng)先如此遠(yuǎn)， 雖然注塑技術(shù)生產(chǎn)的產(chǎn)品能有很高的公差，而熱成型產(chǎn)品通常會有一些偏差，但現(xiàn)在，在對比兩種技術(shù)發(fā)展的進(jìn)度中，熱成型技術(shù)并沒有落后于其注塑技術(shù)多少。 高速，自動化，更智能的生產(chǎn)程序控制，集成的視覺監(jiān)控系統(tǒng)，以及更好的裝飾技術(shù)在熱成型“黑技術(shù)”實(shí)踐者中變得越來越普遍。其實(shí)，“黑技術(shù)”這個(gè)統(tǒng)稱應(yīng)該可退休了。
本文著重介紹了薄片材熱成型的五個(gè)發(fā)展中領(lǐng)域，這些領(lǐng)域中的技術(shù)日新月異，也分析塑料材料，金屬模具和生產(chǎn)設(shè)備的相互作用。全世界各區(qū)域的新技術(shù)采用率并非一致，像任何專業(yè)主題一樣，越深入研究，就會發(fā)現(xiàn)更多的細(xì)節(jié)，厚片材和薄片材熱成型工藝有廣泛的應(yīng)用。
自動化 I：產(chǎn)品堆疊
可以肯定地說，當(dāng)大多數(shù)熱成型者被問及自動化問題時(shí)，他們通常會想到如何將產(chǎn)品進(jìn)行堆疊，包裝的相關(guān)最終解決方案，但是，這并不是一個(gè)萬能的答案，從簡單的A / B堆疊機(jī)構(gòu)到機(jī)器手堆疊系統(tǒng)，熱成型機(jī)有很多堆疊產(chǎn)品的方法，也許最常見的自動化方法是使用雙軸機(jī)械手系統(tǒng)，將成型品夾緊，并從片材沖斷，然后通過線性驅(qū)動器轉(zhuǎn)移到傳送帶上，通過示教模式設(shè)置堆疊運(yùn)動的參數(shù)。以優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)堆疊運(yùn)動的速度最高可達(dá)到40個(gè)模次/分鐘。其他選項(xiàng)包括透過180°或90°的旋轉(zhuǎn)來進(jìn)行A / B堆疊。
一旦成型品被堆疊起來，它們會移至最終的包裝工位，該工位可以像自動套標(biāo)系統(tǒng)一樣簡單，也可以像完全鉸接的機(jī)械臂一樣復(fù)雜，這些機(jī)械臂將整組堆疊好的成型品放入預(yù)先準(zhǔn)備好的紙箱中。 當(dāng)然，這些機(jī)器通常不是熱成型過程的“核心”，但是，能集成下游設(shè)備的能力是提供整體解決方案的關(guān)鍵。 從主機(jī)到自動化設(shè)備的信號交換相對來說是較為簡單，總部位于奧地利的HOT＆T 顧問公司的Gerhard Zdebor先生解釋了這種連通性：“當(dāng)要移動已堆疊的成型品疊件時(shí)，下游設(shè)備會從熱成型機(jī)接收信號。 另一方面，如果發(fā)生任何故障，熱成型機(jī)會從下游設(shè)備接收信號。 考慮到產(chǎn)量大，建議設(shè)定一個(gè)安全或緩沖區(qū)，當(dāng)下游設(shè)備停止時(shí)，熱成型機(jī)還能繼續(xù)生產(chǎn)?！?/span>
眾所周知，在許多行業(yè)中自動化能節(jié)省相關(guān)的勞動力，每個(gè)國家，地區(qū)和市場的經(jīng)濟(jì)情況有異，節(jié)省勞動力成本也許是投資的最大推動力，但是低附加值的項(xiàng)目可能會限制各公司實(shí)施自動化的意愿。
自動化 II：檢驗(yàn)與質(zhì)量控制
自動化不僅用于成型品堆疊，高質(zhì)量產(chǎn)品或高精度產(chǎn)品也從自動化中受益，這些產(chǎn)品要求增加質(zhì)量檢查和相關(guān)成本，如能在配有集成攝像頭和剔除站的高速熱成型生產(chǎn)線上制造。
直到最近，大家仍認(rèn)為在熱成型工藝中，增加視覺檢查系統(tǒng)的成本會超過其帶來的收益，事實(shí)并非如此，成本的真實(shí)核算應(yīng)該包括質(zhì)量，例如，廢品率，機(jī)器零件故障，報(bào)廢率，然而，更難衡量的是因不良品而影響聲譽(yù)的成本，試想一下，如嬰兒食品自動灌裝線上發(fā)生機(jī)器故障，所導(dǎo)致的停機(jī)，影響供貨，聲譽(yù)的成本會是多少？視覺檢查系統(tǒng)提供了對成型品質(zhì)量的更好了解和可見性，檢查系統(tǒng)提供的信息能作為生產(chǎn)過程的控制工具，顯示問題所在。最初，廢品率肯定會增加，但隨著使用一段時(shí)間厚，優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品的百分比會上升，在包裝和運(yùn)輸產(chǎn)品之前發(fā)現(xiàn)參數(shù)的缺陷，例如同心度，產(chǎn)品的壁厚，和側(cè)壁精度等，可以充分確保不會產(chǎn)生更多的成本。速度高達(dá)1400杯/分鐘的高速生產(chǎn)線可以分離，運(yùn)輸，檢查和重新堆疊產(chǎn)品。
提高生產(chǎn)力：軟件和生產(chǎn)過程控制
充其量，軟件是提高生產(chǎn)力的工具，但有時(shí)候，它會給用戶帶來額外的工作和煩惱，一般來說，在使用新控制軟件時(shí)，我們必須適應(yīng)自身的行為。 在K 2019展會上，其中一個(gè)大家關(guān)注的議題是生產(chǎn)過程控制要素，特別是閉環(huán)系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)，片材溫度或輔助模拉伸力的變化會讓機(jī)器自動調(diào)整相關(guān)參數(shù)，這系統(tǒng)可歸類為可改善機(jī)器操作方式或使機(jī)器更加智能的軟件。 機(jī)器設(shè)置的動態(tài)優(yōu)化使這一步驟更上一層樓，在操作員輸入產(chǎn)品數(shù)據(jù)（零件尺寸，材料類型和厚度）之后，機(jī)器可以自動計(jì)算加熱和成型參數(shù)。
機(jī)器和制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）之間創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)是已知的最佳實(shí)踐，并且在工業(yè)4.0的專欄下越來越受到關(guān)注，現(xiàn)在可以通過1毫秒控制來輸入?yún)?shù)，將數(shù)據(jù)以csv格式導(dǎo)出會創(chuàng)建大量數(shù)據(jù)，“大數(shù)據(jù)”的提供意味著我們有更多可用信息，但不一定有更多時(shí)間進(jìn)行分析，隨著數(shù)據(jù)科學(xué)培訓(xùn)變得越來越重要，這對操作員和員工也具有重要意義。 設(shè)備的遠(yuǎn)程訪問或遠(yuǎn)程監(jiān)視，機(jī)器或模具設(shè)置的記錄和歸檔，訂單管理以及符合FDA或GMP要求的時(shí)間戳數(shù)據(jù)集（用于審核）是已連接系統(tǒng)的一些新功能和優(yōu)點(diǎn)，這些可以歸類為可提高用戶生產(chǎn)力的軟件。
過去的15年里，多數(shù)熱成型機(jī)使用紅外線掃描片材上的識別點(diǎn)或識別線，來監(jiān)控片材的加熱狀況，但是隨著改進(jìn)的數(shù)據(jù)可視化工具的出現(xiàn)，該技術(shù)正在獲得越來越多的接受。還有另一種思路，就是在整個(gè)片材寬度上集中記錄片材的表面溫度，從而計(jì)算出輔助模塞或預(yù)拉伸器的功率控制（即所需的拉伸力），為保持生產(chǎn)過程時(shí)間穩(wěn)定，機(jī)器會監(jiān)控氣閥的動作，必要時(shí)，生產(chǎn)參數(shù)將自動調(diào)整，以補(bǔ)償氣閥的切換時(shí)間。
如今，絕大多數(shù)機(jī)器都使用伺服驅(qū)動，如輸送軌道鏈條送料系統(tǒng)，成型站的合模運(yùn)動，和零件拆卸系統(tǒng)等。伺服驅(qū)動器像發(fā)電機(jī)一樣工作，因此在制動過程中會產(chǎn)生能量，通常，該制動能量作為熱量排放到周圍環(huán)境中，反饋驅(qū)動技術(shù)意味著制動器產(chǎn)生的能量流入中間電路存儲區(qū)（電池），驅(qū)動控制器連接到該電路，從而允許將能量用于其它伺服驅(qū)動器。
材質(zhì)的重要性：模具技術(shù)
在厚片材和薄片材熱成型生產(chǎn)程序中，經(jīng)常將模具成本和周轉(zhuǎn)時(shí)間稱為熱成型工藝的關(guān)鍵優(yōu)勢，有一些熱成型者在內(nèi)部設(shè)置了模具部門，自行制造模具，這仍是普遍的做法。在研究實(shí)際的模具技術(shù)之前，必須注意模具制造商已經(jīng)從CNC技術(shù)的進(jìn)步中受益，舊的手動車床和Bridgeport壓力機(jī)的制造方法已經(jīng)一去不復(fù)返了。
美國，德國和日本的設(shè)備主導(dǎo)著機(jī)床行業(yè)，Lights-out自動化使調(diào)度具有更大的靈活性，并減少了操作員監(jiān)督的需要，表面處理得到了改善，為模具車間節(jié)省了更多時(shí)間和勞力。 在擠出設(shè)備領(lǐng)域里，CPET和CPLA材料配方的變化導(dǎo)致了避免使用油加熱的雙段模具，而采用電加熱的單段模具。
模具技術(shù)的主要發(fā)展可歸納如下：模具材料選擇，氣流和水流。 鋁材的更普遍使用和接受，改善溫度管理和減輕重量，從而加快機(jī)器的運(yùn)動速度。鋁制密封件，耐腐蝕材料，以及最優(yōu)化的水壓可使冷卻速度提高7倍，在寬廣的溫度范圍內(nèi)減少冷凝水的產(chǎn)生，就是“無汗”效果。 特別是采用就地調(diào)整模具，獨(dú)立的夾緊環(huán)壓力和獨(dú)立的向下壓制器(壓圈)冷卻功能可實(shí)現(xiàn)高度精確，提高可重復(fù)性。
加利福尼亞州奧克斯納德市的PinnPack包裝公司科學(xué)技術(shù)人員Tim Douglas看到了試驗(yàn)?zāi)＞咄繉拥闹匾?，他說：“從簡單的硬質(zhì)陽極氧化處理到PTFF涂層，這些涂層有助于延長模具壽命，并防止模具磨損，”他說。 “ Endura Coatings或Sun Coating Co. 公司的某些高端涂料增加了針對模具材料的保護(hù)，例如，在生產(chǎn)CPET片材時(shí)，輔助模塞和模腔都有涂層，可更好地脫件，減少摩擦。” 所有這些涂料都通過FDA，NSF和USDA的安全使用管制。
改良的模具內(nèi)部氣流設(shè)計(jì)，包括用于快速填充和排氣的節(jié)氣技術(shù)，以及將氣閥放置在靠近模腔的位置，有助于提高生產(chǎn)速度。 模具可配備傳感器以監(jiān)測應(yīng)變，壓力，溫度?，F(xiàn)在來自德國的最新模具配備了用戶友好的NFC或RFID標(biāo)簽，可提供完整的生命周期文檔，提醒操作人員及時(shí)對模具進(jìn)行維護(hù)。
集成的產(chǎn)品裝飾
在熱成型工藝?yán)?，使用預(yù)印刷片材成型技術(shù)已經(jīng)掌握了至少25年，如今，大多數(shù)設(shè)備都可以使用A-B和A-B-A配置，也能生產(chǎn)翻蓋盒和糖果包裝盒。在生產(chǎn)之前，也能使用T-Sim電腦軟件，模擬模具對變形打印進(jìn)行有效建模，其中僅需要傳感器(電眼)即可檢測預(yù)印刷片材的特定區(qū)域。貼標(biāo)，一般成型后印刷加工和數(shù)碼印刷等輔助流程可提供較高的速度，但它們卻增加了生產(chǎn)資本，同時(shí)又增加了系統(tǒng)的占地面積。
熱成型的一個(gè)關(guān)鍵屬性是能夠使用多層片材料形成，產(chǎn)出的產(chǎn)品具有100％防護(hù)層的能力，如PP / EVOH / PP多層片材。 在阻隔良好得材料上添加裝飾可為產(chǎn)品設(shè)計(jì)師和產(chǎn)品市場開拓新大陸，特別是在客制產(chǎn)品多的市場，如超級市場或特色食品商店等。 與一般傳統(tǒng)的模制產(chǎn)品相比，熱成型模內(nèi)貼標(biāo)技術(shù)（IML-T）提供了可觀的減少塑料使用的機(jī)會，因?yàn)闃?biāo)簽在成型過程中與成型品粘貼在一起，從而加強(qiáng)了成型品的壁厚，負(fù)載力，生產(chǎn)商不用額外地增加標(biāo)貼設(shè)備，減少了生產(chǎn)成本，騰出珍貴的生產(chǎn)占地面積，同時(shí)，IML-T技術(shù)提供了與標(biāo)簽打印相關(guān)的更多圖形選項(xiàng)。由于成型品材料不許預(yù)印刷，因此在加熱過程中不會從印刷色中釋放出氣體，成型后剩余的片材料可以很容易地粉碎，回收，再制粒，以便重新使用而不會受到污染。
在目前的IML-T技術(shù)發(fā)展中，聚合物基材，紙張，甚至紙板標(biāo)簽?zāi)苁褂迷跓岢尚湍?nèi)貼工藝?yán)?，解決了一直存在的回收問題: 塑料如何妥善分類，透過最新的IML-T技術(shù)，兩種或更多種塑材料便可輕松地分離，并妥善回收。
文章來源：
"Plastics Technology Magazine, A Gardner Publication".
Conor Carlin ILLIG北美分公司總經(jīng)理
美國SPE(Society of Plastics Engineers塑料工程師學(xué)會)副理事長暨主編
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