薄壁热成型的五项重大进展

作者:​ILLIG 北美公司 Conor Carlin 文章来源:PT塑料网 发布时间:2020-07-16
虽然在传统认识上,热成型的发展要落后于注塑成型,但高速度、自动化、更智能的过程控制、集成的视觉系统以及更好的装饰技术正在被热成型“黑科技”的实践者越来越普遍地应用。

在K2019展会上,一家美国大型热成型商的工程师提出一个问题:为什么注塑成型技术看上去要比热成型领先那么多?注塑部件的制造精度可以很高,而热成型部件通常会有一些偏差。但是,从最新的技术发展来看,热成型并没有远远落后于注塑成型。高速度、自动化、更智能的过程控制、集成的视觉系统以及更好的装饰技术正在被热成型“黑科技”的实践者越来越普遍地应用。实际上,可能是时候把这个固有的标签去掉了。

本文着重介绍了薄型热成型的五个方面,在塑料材料、金属模具和生产设备的相互作用下,技术正在迅速进步。但这并不意味着全面化,技术采纳在世界范围内也不是统一的。像任何专业的主题一样,你挖得越深入,就越会发现更多的细节。热成型包括厚壁和薄壁工艺,它们都有着广泛的应用。

自动化Ⅰ:部件处理

可以肯定地说,当大多数的热成型商被问及自动化时,他们通常会想到与部件脱模相关的最终解决方案。但这并不是一个万能的答案。从简单的A/B堆置机构到机械手装托盘系统,热成型商们有很多移动部件的方法。也许最常见的自动化方法是使用一台两轴操作系统作为基本堆置系统的一部分,将成型部件从片材上夹起并与之分离,再通过线性驱动器转移到传送带上。堆置运动参数通过一个示教模式来设置。经过优化,标准的向上堆置动作可以达到最高40次/min 的速度。其他选项包括180°或90°旋转来创建A/B堆叠。

一旦部件被堆置后,它们就可以移至最终的包装工位,该工位可以是简单的自动套管系统,也可以是将整个堆叠物放入预先安装的盒子中的复杂的全铰接式机械臂。当然,这些机器通常不是热成型过程本身的“核心”,但是集成下游设备的能力对于提供整体解决方案是一个关键。从主机到自动化设备的信号交换相对简单。总部位于奥地利的HOT&T咨询公司的Gerhard Zdebor解释了这种连接性:“当需要移动堆置物时,下游组件会接收来自热成型机的信号。另一方面,如果发生任何故障,热成型机会接收来自自动化系统的信号。由于体积大,自动化系统必须配置在一个安全区或缓冲区中,以便于系统停止时,热成型机能够继续生产。”

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ILLIG全自动热成型系统,带有自动堆置和自动套管工位

在许多行业中,与自动化相关的劳动力节省是众所周知的。这种经济性因国家、地区和市场细分而不同。劳动力成本可能是最大的投资驱动力,但是低附加值的项目可能会限制加工商实施自动化的意愿。

自动化Ⅱ:检验与质量控制

但是,自动化不仅仅是部件处理。高质量部件或要求高精度的部件增加了质量检查和相关成本,这些部件是在带有集成摄像头和剔除工位的高速热成型生产线上生产的。在商品化普遍的全球化经济中,尤其是在包装业中,要证明可能对成本结构产生不利影响的投资是不容易的。多年来,热成型部件的货柜不断从亚洲运抵美国西海岸。当然,并不是每个产品都可以保证完美,而“足够好”确实是大多数一次性用品或一次性容器的标准(可回收性完全是另一个主题)。可是,当涉及食品安全或手术要求时,情况就发生变化了。

直到最近,人们仍然认为成本将超过热成型中视觉检测系统带来的收益。成本的真实核算将包括质量——例如废品率、(成型)部件故障和废料率。然而,更难测量的是与不良产品相关的声誉成本。婴儿食品自动灌装线上(成型)部件故障的成本是多少?检查系统提供了更高的认知和可见性。作为一个过程控制的工具,该系统提供的信息突出显示了问题所在。最初,废品率肯定会增加,但随着时间的延长,优质部件的百分比会上升。在包装和运输部件之前确定同心度、凸缘厚度和侧壁精度等参数是否达标,可以基本上确保利润。ILLIG的速度高达1400杯/min的高速生产线能够分离、传送、检查和重新堆放部件。 

提高生产率:软件与过程控制

软件可成为提高生产率的工具,也可能增加用户的工作并使之失望。一般来说,在采用新软件时,我们必须使其适应我们的行为。K2019展会上,一款软件涉及过程控制的各个要素,尤其它是一个闭环系统,通过该系统,片材温度或辅助模塞压力的变化会引起机器参数的自动调整。这种软件可以被归类为能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是它的重要功能,此外,它还能实现在操作员输入产品数据(部件尺寸、材料类型和厚度)之后自动计算加热和成型参数。

在机器和制造拓展系统(MES)之间创建网络是已知的最佳做法,并且由于工业4.0的兴起而越来越受到关注。现在可以通过1ms控制输入参数,将数据导出到csv文件以创建大量的数据。然而,将信号与噪声分离是评估数据的关键第一步。“大数据”的到来意味着我们有更多可用的信息,但不一定有更多的时间进行分析。这意味着对操作员和员工进行数据科学的培训也十分重要。对设备的远程访问或远程监控、对机器或模具设置的记录和归档、订单管理,以及符合FDA或GMP要求的时间标记的数据集(用于审核)是连接系统的一些新功能和优点。这种软件可以被归类为提高用户生产率的软件。

基于点或基于线的片材红外扫描已经间歇使用了至少15年,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认可。但是,还有另一种思路可以计算出辅助模塞或预拉伸器的功率控制(即所需的力),并集中记录整个片材宽度上的材料表面温度。为了保持过程时间的恒定,监控阀门动作,必要时,过程参数将自动调整以补偿切换时间。

今天,绝大多数的机械都在伺服驱动平台上运行,主要驱动链索引、机器运动和部件脱模系统。一台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可进入中间电路存储区(电池)。驱动器控制器连接到该回路,使回收的能量能被用于其他伺服驱动器。 

模具技术的新发展

在厚壁和薄壁部件生产中,模具成本和周转时间通常被认为是热成型工艺的关键优势。对于一些热成型商来说,在内部制造自己的模具仍然是很常见的做法。但同时必须注意,模具制造商已从CNC技术的进步中受益,旧的手动车床和Bridgeport机床已经一去不复返了。

美国、德国和日本的机加工设备主导了机床领域。“熄灯”自动化使时序安排具有更大的灵活性,同时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的时间和劳力。在挤出领域,CPET和CPLA材料配方的变化导致了采用电加热的单级模具的出现,以代替使用油加热的双级模具。

模具技术的主要发展可归纳如下:材料选择、气流和水流。铝的增加使用和认可已通过更好的温度管控与重量减轻来帮助提高速度,从而使机器运行得更快。使用铝制模具的冷却速度最高可提高7倍。使用具有最少密封、耐腐蚀材料和优化水压的密闭水系统,可在宽广的温度范围内减少凝结,产生无汗效果。尤其是采用原位修整模具、独立的夹圈压力和单独的下夹具冷却能够获得高精度和可重复的部件。

PinnPack包装公司(位于美国加利福尼亚州Oxnard)的研发人员Tim Douglas看到了尝试采用模具涂层的重要好处。“从简单的硬质阳极氧化处理到允许释放底切以进行剥离的PTFE涂层,这些涂层都有助于延长模具寿命并防止磨损。”他说,“Endura涂料公司或Sun涂料公司的某些高端涂料增加了对特定材料的保护。例如,在运行CPET时,模塞和模腔都有涂层,可以更好地脱模并减少摩擦。”所有这些都符合FDA、NSF和USDA的安全性。

改进的气流管理,包括为了更快充模和排气的节气技术以及将阀放置在靠近模腔的位置,也有助于提高生产速度。模具可以配备传感器来监测应变、压力和温度。来自德国的最新模具现已配备了用户友好型NFC或RFID标签,可提供完整的生命周期文档,从而提醒操作员注意维护的要求。 

整合的装饰

在热成型中使用预打印片材已经至少有25年的历史。如今,大多数设备都能运行A-B和A-B-A配置、铰链式翻盖和糖果条。扭曲打印可以在进入生产之前在计算机模拟工具(例如T-Sim)中进行有效建模,其中仅需要视觉传感器即可检测片材的特定区域。 贴标、干胶印刷和数字印刷等辅助加工可提供较高的速度,但它们却增加了资本支出,同时又增加了系统的占地面积。

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集成的热成型模内贴标系统提供了高质量的装饰,降低了成本,并减少了与下游设备相关的占地面积

热成型的一个关键属性是使部件具有100%阻隔保护的能力,通常是采用类似PP/EVOH/PP的结构。利用热成型在阻隔膜上增加装饰,为部件设计师和产品销售商创造了新途径,尤其是在大规模订制环境(如超级市场或特色食品商店)中。与类似的注塑成型贴标相比,热成型模内贴标(IML-T)提供了显著的减重机会。因为标签已被整合到成型过程中,所以IML-T减少了资本支出和占地面积,同时提供了与标签打印相关的更多的图形选项。此外,由于材料未预印,所以在加热过程中不会从印刷颜色中释放出气体,并且基础片材可以很容易地粉碎造粒而再次使用,不会发生污染。

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回收商的需求正推动着越来越多地采用不同材料可以轻松分离的包装

IML-T的最新进展包括能够使用聚合物基材、纸张甚至纸板制作标签。回收问题(尤其是分类问题)正推动着两种或多种材料可以轻松分离的新型包装的发展。

关于作者

Conor Carlin是ILLIG北美子公司的常务董事。ILLIG是德国一家热成型、模具和包装系统的生产商。自2000年以来Conor Carlin一直是SPE的成员,他也是SPE热成型和回收部门出版物的编辑。2017年,他当选为SPE执行董事会营销和传播副总裁。

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