何时调整,何时更换

作者:科乃而集团 Ernie Preiato 文章来源:PT塑料网 发布时间:2020-07-13
当业务发生变更时,管件和管材加工商不可避免地要在产品组合中加入新产品,而在为这种新产品配备生产线时,他们常思考的一个问题是,什么情况下需要对生产线进行调整,什么情况下需要更换。本文为此提供了一些建议。

大多数管件或管材挤出生产线的组建都是从非常基本的问题开始的,比如怎样才能以获得理想投资回报率(ROI,Return on Investment)所需的速度和效率将这种材料加工成产品?最终,这些问题会转化为一系列要求,再转化为材料的规格和设备系统,如挤出机、模头、定径方法、定径工具、冷却系统、用于速度控制的牵引机及其他。

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一条典型的小直径医用软管生产线下游视图。生产线的末端是一个自动卷取系统

有时候,加工商可以一次性购买整条生产线,它与材料、产品和当前的生产要求完全匹配。如果选购十分成功,他们就可以用该生产线长期为客户生产优质产品。

但其他一些时候,加工商们可能希望通过调整现有的挤出设备和工装来应对业务和竞争需求。导致这些需求的原因有很多,如想要提高产量或盈利能力、客户的得失、产品规格或尺寸的变化或者材料供应商变更等。

但是,调整现有工装与设备存在风险和困难,可能会导致生产问题,结果也许会和预期中的成本节省背道而驰。本文介绍了管件和管材加工商经常会遇到和讨论的几种情况,以及这些情况衍生出的问题,并对问题的解决提出了一些建议。

理想情况:一切都匹配

想要了解改变管件和管材挤出设备时可能会出现什么问题,首先要知道为了使它们正常运行,什么必须是正确的。在理想的情况下,新的挤出生产线都应该被设计为以特定的速度加工特定的材料,然后材料在特定的温度下经过特定的模头,接下来通过正确设计的工装以及充分的冷却工艺将产品定径在一个受控的尺寸。总之,一切都处于平衡状态:

1.挤出机能很好地满足物料混合和生产速率方面的要求;

2.模头尺寸与材料特性和产品尺寸相匹配;

3.牵伸率经过计算,因此圆锥状挤出物的预测尺寸与定径工具的入口相匹配;

4.选择了正确的定径方法,定径工装已就位并充分冷却到产品要求;

5.在选定的生产线速度下,生产有条不紊地进行,且生产线运行稳定。

现实:不断变化,日常挑战

那么,上述的完美情形可能会出现什么问题?加工商遇到的哪些常见情况会带来挤出挑战或导致问题与计算错误?他们能否通过调整来应对这些问题?有时,是不是通过投资和更换设备来获得所需的产品质量和ROI才更明智(或必要)?

1.更改管件或管材尺寸:专用管件或管材加工商经常需要对产品的尺寸进行微调,或是使用相同的材料生产不同尺寸的产品。例如,生产直径0.375in(1in=2.54cm)管件的加工商可能会拿到0.25in管子的订单。但这个加工商没有立即购买新的模头,而是决定看一看现有的0.375in模头是否可以借助新的定径工具来完成这项工作。经验表明,在某些情况下,可以使用为较大直径产品所设计的模头来生产直径较小的产品。不过,能否实现在很大程度上取决于所用材料。能高度牵伸的材料非常适合于尺寸减小,如下面的几个例子: 

许多医用管件制造商都熟悉Pebax(阿科玛的聚醚嵌段酰胺),这是一种高粘性的TPE(热塑性弹性体),有很高的牵伸水平。采用该材料,能以50%或更高的牵伸水平来生产口径小且薄壁(外径0.125in,壁厚0.008in)的管件,因为这种材料粘性高,且在离开热模头时能迅速拉低。基于这款材料,有可能采用0.375in的模头来生产0.25in的管子。

一个类似但更具挑战性的降尺寸任务可能就是使用2in的PE模头,加上新的定径工具,来生产1.5in的管材。由于PE的牵伸程度处于一个相对中等的水平,因此更加难以管控。如此一来,可能就需要付出一些代价,如采用较慢的生产速度或是过程不稳定性造成的困扰。将直径2in的管材变为1.5in可能意味着定径器必须远离模头,使材料有机会牵伸,以便于将其传递进适合1.5in管材的定径装置中。否则,挤出物锥体将“盖满”定径器开口,如果是这样,这些材料有时可能会堆叠起来通过定径器,导致下游生产出的管子不规则,有时甚至根本无法通过定径器。

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小直径管件进入模头,然后在模头与非接触式定径室(充满水,位于真空冷却槽入口处)之间的短距离内略微牵伸

总之,在某些情况下,根据挤出的材料,将管件或管材直径变小是可能实现的。但如果材料的牵伸率非常低,如硬质PVC,想要将产品直径从2in调整至1.5in是不可行的。此时,需要新的模头和工装。

2.提高生产速率/速度:当一条生产线运行良好时,人们不禁会想到一个问题——它能以更高的速率继续生产吗?这个问题同样取决于挤出材料和最终产品的尺寸。经验表明,如果同时提高牵引机和挤出机的速度,并且加工的材料能够承受这种变化,即材料的牵伸和膨胀率不高(如PE、PP或其他聚烯烃),则生产线速度可能会提高20%。

当然,提高生产线速度和挤出机产量,会增加工艺的不稳定性。较高的挤出机转速往往会增加材料的剪切。另外,提高生产线速度可能还需要调整进入挤出管材的材料量,或调整接触工装的“调整尺寸”,因为更高的生产线速度可能引起最终产品更大的收缩。

3.更换材料供应商:加工商必须不断评估他们所购买的材料质量以及提供这些材料的供应商的能力。有时加工商决定进行更换,这些更换可能影响管件和管材挤出生产线的稳定性与性能。

对于“相同”类型和牌号的材料,关键特性的微小差异就足以打乱管件和管材的挤出工艺,并且需要费时的调整。例如,一家将为新客户生产尼龙管件的加工商可能会选择更好的材料牌号,且根据其在该材料上的经验,该加工商的挤出团队还会购买工装并进行试制,以使生产线达到一个完美状态。

后来,为了解决高昂的价格问题,该加工商从另外一家供应商处采购材料。但问题由此而产生,因为“相同的材料”并不完全相同。这款材料的分子量分步较宽,所以挤出效率受到了影响。具体表现是,在离开模头时,该材料有更大的膨胀倾向,因此会有过量的挤出物“折叠进入”和通过定径工具,从而导致定径工具的周期性过充和管壁的不一致。最后,经过大量的调整并产生很多废料后,牵伸问题得以纠正,生产线稳定下来。如果这种材料的特性与上述情况相反,即缺少预期的膨胀,也会导致牵伸问题,此时,挤出物将无法“填充”根据以前的材料制造的定径器。

该问题的结论非常简单:如果要实现一致的挤出,就必须购买一致的材料。加工商应该为所需材料的分子量分布建立一个公差范围,以便作为购买时的一个重要标准。

4.正确定径:定径方法也有正确和错误之分,而且很多情况下,方法的正确与否取决于材料。

顾名思义,定径器的作用就是对管件或管材进行定径。它是一种热交换器,能通过接触式、非接触式或混合式定径方法来控制产品的外径(OD)、内径(ID)和壁厚。定径方法会在产品开始冷却时固定其外表面。适当的总冷却停留时间十分关键,它对产品的最终尺寸会产生重要影响,因为产品会持续收缩直至冷却完成。对于薄壁至0.06in的中等壁厚产品,一般需要大约30s的冷却时间,而对于壁厚为0.1in的产品则需要1min或更长时间。

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一个配备了入口水井的非接触式定径室典型设计

前文中提到,计算挤出物锥体的牵伸以匹配定径器入口是非常重要的,确保这一尺寸正确,并针对材料类型配以合适的定径方法、工装以及水/润滑(见表1),这对于平稳的下游挤出十分关键。

如果做得不好,可能会不断碰到以下的问题:

(1)生产速度低于预期水平,无法使生产线速度正常;

(2)对定径工具过充;

(3)表面粗糙度不均匀,包括由于缺乏润滑而造成的跳痕;

(4)难以接受的尺寸变化,由此会导致一直需要调整设置。

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该套筒定径器中的水平开口(矩形部分)其顶部可以抬起,以正确定位挤出物,然后在生产开始时将其固定到位。它允许水进入进行润滑,同时大的缝隙为真空冷却箱内的热传递提供了更大的接触面积

表2所示的3种方法中,接触式和非接触式定径是目前较为普遍的方法。非接触式和混合式定径用于对需要水润滑才能顺利进入真空冷却槽的“粘性”材料进行定径。在混合定径过程中,与水的初始接触发生在位于真空冷却槽正前方的骤冷室内(充满水)。骤冷室的作用是在产品进入冷却槽中并进行常规接触式定型之前对其进行“预结皮”。

对于产品尺寸的微小变化,非接触式定径是最有包容性的。因为与管子接触的是水而并非金属,所以管子直径可能会增加0.02~0.03in,且无需更换水井中的润滑环。相比之下,接触式定径的宽容度则要低得多。想要通过接触式定径的方法生产一个直径更大的产品,通常需要新的工装。

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圆片堆叠定径器拥有一系列对准的定径盘,在热挤出物进入的位置,这些定径盘相对更密集,以防止挤出物下垂,而在距离热挤出物入口较远的位置,这些定径盘相对稀疏,减少了管子冷却时的摩擦

定径的最大问题之一是需要采用非接触式定径时,却错误地选择了接触式定径装置。错误地让粘性软质材料通过接触模头,会因为装置表面缺乏润滑剂而导致产品不断粘着/打滑,从而出现过充模或“跳痕”。

另一个常见问题是忘记或混淆哪些材料必须进行湿润(用水井润滑)以及哪些材料不需要。例如,聚烯烃必须使用水井湿润才能得到加工,否则无法进行接触式定径。但是,如果你随后切换到一种更坚硬的材料,如PVC,却未能及时去除水,就会引起尺寸问题,因为在真空室中进行接触式定径之前,将PVC置于水中会过早“冻结”其尺寸。

对于许多加工商而言,管件或管材挤出看起来仍然像一门艺术,因为似乎要作出很多判断,有很多因素(无论大小)要正确无误地理解才能使过程正常运行。不过,如果能将设计、材料和生产经验组织、利用起来,你会发现,不仅可以掌握当前管件和管材产品的生产过程,还能经济高效地扩大设备和过程能力,实现更高的灵活性和更高的产率和产出。

最终还需牢记一点,有时候,你需要新的设备、新的模头或装置,或是要通过改进控制来完成工作。但并非总是如此。


打开一台真空定径槽的盖子可以看到一根直径较大的管材,它穿过用UHMW-PE制成的导向器,之所以选择这款材料主要是考虑到了其润滑性。当管材进行真空定径和喷雾冷却时,导向器可防止下垂并有助于尺寸控制

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