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塑料辅机技术趋势:更节能、更智能

来源:国际塑料商情 发布时间:2022-09-28 358
化工塑料橡胶塑料加工设备模具及零件材料处理、计量与检测原料及混合物添加剂及母粒其他增强塑料 特别报道
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拥有可靠的树脂处理和输送系统,与拥有可靠的电力供应一样重要。

在现代塑料加工工业中,无论是注塑、挤出还是吹塑工艺,不管是生产中空容器、薄膜,还是管道或异型材,除了要有满足要求的主机之外,往往还需有大量的辅助设备来共同完成各项加工工艺。


辅助设备即辅机,是塑料加工中必不可少的装备,有时候还是整套生产线中不可或缺的组成部分。另外,辅机的性能还对产品的质量和企业的生产效率有着重大的影响。


塑料辅机种类繁多,广泛应用于塑料加工业的各个领域,包括除湿干燥机、混色搅拌机、工业冷水机、模温机、破碎机等。一般来讲,按功能可划分为三大类:供料系统用设备、温度控制系统装置、边角废料回收用粉碎设备,它们分别发挥着不同的作用。

供料系统确保原材料的高品质


材料成本是大多数塑料加工企业最大的一笔开支。在当今世界,拥有可靠的树脂处理和输送系统,与拥有可靠的电力供应一样重要。供料系统用辅助加工设备主要包括干燥、输送、喂料、混料等设备。


◆ 干燥机
大多数聚合物都会表现出一定程度的极性,并且能从空气中吸收一定量的水分。因为过多的水分会导致许多加工问题,所以无论是注塑、挤出还是吹塑,通常都对塑料树脂的干燥度有一定要求。干燥是塑料加工生产过程中的一个关键步骤,干燥设备用于在成型生产前对易吸湿材料(如PET、ABS、POM、PC、PA、PMMA等)进行预处理,以最大限度地减少或消除塑料里的水分在加工过程中可能引发的问题。如果不这样做,塑件质量可能会受到影响,甚至出现包括斜纹、不规则成型、机械性能不够、发脆、气泡和缩痕等问题。简而言之,树脂干燥是塑料成型工艺的重要组成部分,如果缺乏可靠的干燥流程,最终产品的报废可能会导致收入和商机的双重损失。


如今,加工厂商面临着多种不同的干燥技术选择。对于大多数加工厂商来说,热风干燥机已被证明是干燥树脂的最具成本效益的方法。它们通过加热环境空气从树脂中吸收水分,因此它们是不吸湿树脂的绝佳选择。热风干燥机对轻微吸水的树脂也有效果,热空气在树脂中重复地流动,改变胶粒内外间的气压,令它们得到干燥。
压缩空气干燥机与热风干燥机非常相似,具有相同的基本部件——加热器、控制器和料斗。它应用压缩空气,在正常压力下,含水量通常比空气更少。压缩空气干燥器应用快速压降来快速去除干燥气流中包含的任何湿气,因为去除大量水分的能力非常有限,其适用于树脂吞吐量非常低的成型加工应用。


干燥剂式干燥机被认为是吸湿树脂的首选,它通过从干燥料斗中抽取空气,将其冷却至室温,然后使用分子筛或滤芯来干燥气流。它们可以快速达到树脂制造商设定的湿度低点。


烘箱干燥是干燥吸湿性树脂最古老、最简单的方法之一,其原理是在高温下,水分会从胶粒中释放出来。而真空烘箱可提供更好的干燥性能,并配备了负压抽真空装置,当胶粒在烘箱中被加热时可从胶粒中除掉水分。该方法成功的一个关键是设备能够使足量的空气或其他干燥介质通过物料。


图2 威(Wittmann)的Card系列压缩空气干燥机.jpg

威猛(Wittmann)的Card系列压缩空气干燥机(© 威猛)


如何安装树脂干燥器通常取决于正在执行的工艺。对于挤出、吹塑厂家来说,机边干燥机可能是最好的选择,在成型主机少于10台且生产量较低的情况下,在机边或机上安装干燥机就颇为常见。但越来越多的人正转而使用中央干燥系统,这是因为多年以来生产要求已发生显著改变。注塑厂商通常使用多种树脂,其材料和颜色经常发生变化,在这样的工厂里,集中摆放干燥机往往是最佳选择。可以说,辅助设备在注塑厂家中也能占据一席C位,其阵仗并不输给主机。中央干燥的好处包括能腾出宝贵的地面空间、减少物料搬运工、节省能源、增加机器正常运行时间、增强材料控制、提高部件质量和快速的投资回报。


◆ 送料机
树脂输送包括中央输送、真空输送、气动输送。对于输送粉末料,采用弹簧管式输送系统和罗茨鼓风机式的风送系统,而颗粒输送上料则采用真空送料器。中央式集中供料设备多适用于规模化、自动化的生产工艺,近些年受到了工厂的欢迎和追捧。其设备采用计算机集中控制,各种原料按比例通过计量装置称量后进入混料器。塑料加工生产商们一直在寻找改进工艺和提高竞争力的方法,与小批量采购相比,拥有中央气动物料处理系统的企业可受益于树脂大宗采购的更低价格。


◆ 喂料与混料系统
精准喂料是塑料加工业最基本的要求之一,喂料和混料系统用于将材料加入到主机之中。喂料系统一般分为称重式加料系统和容积式加料系统。称重式加料机是对材料进行称重以确定加入量,在塑料加工业中更为常见,特别是针对颗粒料;而容积式加料机则是以测量体积来确定加入量,后者主要用于液体材料的加入。与容积式相比,称重式提供了更高的精度。


塑料加工业已进入规模化生产阶段。特别是塑料包装业如PET瓶的生产,经常要求同时对多台、几十台甚至上百台设备进行加料。采用单机式加料机既不方便也不经济。使用中央加料系统就成为必然。中央加料系统利用中央动力源将物料输送到目的地,具有自动化程度高、节约能源、安全可靠等优点,而且一些中央加料系统还具有粉尘收集功能,可改善主机旁的工作条件,减少了粉尘的污染,提高生产效率和产品质量。先进的中央加料系统可以同时控制几十台甚至上百台加料机工作。


一致性对于塑料产品的生产至关重要,为此树脂与其他材料可以以一种自动化的方式按预定比例混合的过程中进行混料,这是在主机加工生产前完成的,有多种选择。第一种选择是手工工作,虽然这可能是一项经济的初始投资,但从长远来看,可能会导致过量使用价格不菲的添加剂、废品率高和整体质量差。另一种选择是购买预混料,这是一种昂贵的选择,并且意味着混合料处在供应商的控制之下,想要在短时间内对混合料作出改变可能是一个挑战。而混料工艺不仅可以控制进入成型机器的添加剂,还可以控制配方的所有必要成分,例如,原生料、再生料和颜料都在受控和可重复实现的程序中被精确地混合在一起。

温度控制保证制品的优质


塑料加工中的温度控制包括冷却与加热。


没有任何工业流程、机器或电机马达是100%高效的,热量是这种低效最常见的副产品。如果不去除这种热量,它会随着时间的推移而积累,导致生产时间缩短、设备停机,甚至设备过早失效,为避免这些问题,十分有必要将冷却纳入工业工艺系统设计之中。无论所处的行业和所用工艺是怎样的,确保足够的冷却对于生产力和成本节约都是至关重要的。市场上有三种基本类型的工艺冷却系统:流体冷却器、冷却塔、制冷机。


流体冷却器系统通常用于温度较高的应用。装备有作用类似于散热器的电风扇,利用环境空气来冷却工艺流体。与冷却塔相比,流体冷却器的能源效率较低,初始成本较高,占地面积也较大。但是,它们的维护要求要低得多,并且比冷却塔使用的水更少。在三种类型的过程冷却系统中,流体冷却器系统的运行成本通常介于冷却塔和制冷之间。


冷却塔系统是一种应用水作为传输介质将多余热量从一地转移至另一地的有效方法,适用于那些流体冷却器不足以致冷的应用之中,全年提供温度范围20℃-40℃的可靠冷水源。冷却塔遵照蒸发冷却原理来运行,水被喷洒在冷却塔的塑料填料上,这为水蒸发创造了一个大的表面。风扇使空气通过冷却塔而令水蒸发,从而使水冷却。冷却塔系统通常是三种系统中运行成本最低的,然而其过滤和水处理的维护要求是三者中最高的。


制冷机用于流体冷却器和冷却塔系统都无法足够冷却到满足工艺要求的应用当中。在制冷机中,制冷剂用于从工艺流体中提取热量,并将其传送到环境空气或冷却塔的水中。在三种类型的冷却系统中,制冷机系统的采购和运行成本最高。


制冷机分为便携式与中央式两种。便携式制冷机将所有必要的组件(包括制冷回路、控制和电气设备、工艺泵和水箱)全部组合在一个单元内,占地面积小,可移动,并且就置于被冷却的流程附近,适用于工艺负载小或者需要特殊工艺流体、流量、压力或温度的场合。


而中央制冷机组用于为多个过程提供冷却,其泵送系统通常是单独安装的。中央制冷机可用于更高的冷却能力要求,并提供了一种经济高效的方法来冷却多个流程。利用无油设计等特殊压缩机技术,中央制冷机也非常节能。冷却器通常是模块化的,将来可以添加到系统中以扩大冷却能力。中央制冷机组非常适合在工厂运行时间内具有不同需求的系统。例如,当设施在周末运行时,需求会大大减少,中央制冷机系统可以卸载以满足这种需求;然后,当恢复正常运行时,制冷机可以做出反应以满足更高的需求。

回收利用降低生产成本


塑料加工会产生边角料和残次品,约占总产量的5%-20%,回收边角废料,利用细化设备将它们破碎到与正被加工的原生料相似的尺寸和形状。这种“再研磨料”通常具有适当的材料特性,例如强度或光学质量,可以与原生树脂混合,再重复利用它来制造新的更多塑件,既经济又环保。在当今的宏观经济与产业形势之下,可以说回收利用在一定程度上决定着企业的生存命脉。


细化设备通常与注塑、吹塑、挤出和热成型工艺一起使用,也可用于普通的回收,有着三种常见的类型:破碎机(Granulators)、撕碎机(Shredders)、粉碎机(Pulverizers)。


破碎机对于再处理浇口、流道和中小型塑件方面非常有效,通常会产生3-20mm大小的颗粒,尽管大多数颗粒在6-10mm之间。破碎机最常见于注塑机附近,但也用于其他工艺,如挤出、吹塑和热成型。如何选择破碎机,取决于待切割的材料及其大小、形状、厚度和密度,这些因素决定了破碎机关键组件的选择。三种常见类型的破碎机是:机旁破碎机、中央破碎机和主要设计用于热成型的特种破碎机。


机旁破碎机可以集成到任何注塑或挤出操作中,直接在机侧对树脂进行回收。能快速轻松地进行清洁和换刀是非常重要的,诸如料斗上的观察窗等破碎机可选部件提供了观察被处理材料的机会,使用户能够测估出切割室的填满程度,并验证材料流动的一致性,而无需停下机器。


中央破碎机提供了处理大体积物件的灵活性,并能够配置好切割室,以对较高密度物件进行破碎。中央破碎机适用于从大型注塑或吹塑废料,到家具部件、电器部件的回收应用。高质量的产出物使得其能更轻松地最大限度地利用回收材料。


热成型破碎机被设计用于在线和离线处理扁平材料,如热成型废料和不合格产品。在包装物或杯子的典型在线应用中,热成型片材通过切边冲模操作和切边机,然后将骨架网直接滚动喂料到破碎机中。开机废品和有缺陷的部件可以经过破碎辊后通过主料斗(或可选的辅助料斗)来输入。在进入破碎机之前,压扁的材料由进料辊进行计量。


第二种细化设备撕碎机适用于处理大型或非常笨重的塑件,能将大件物品撕成大约50-100mm大小的小块,并且对各种材料都有效。撕碎机减少了为破碎作业所做准备过程中切碎大零件所需的时间和精力,而这一步在以前是用手工来完成的。选择撕碎机取决于要切割的材料及其大小、形状和厚度。操作人员必须对进料斗的安全性做出评估,它的尺寸应能容纳被撕碎的最大塑件,而无需进行费劳力和有潜在危险性的预切割。当今撕碎机中的大多数安全装置都涉及到了电气联锁装置,它可防止转子停止转动之前接近到切割室。


粉碎机针对的是尺寸15-100mm的颗粒,并将它们研磨成粉末。该粉末通常用于造粒、混料、PVC 回收或滚塑成型。

图5 松井(Matsui)公司推出成型工厂周边设备的物联网(IoT)智能化系统方案.jpg

松井(Matsui)公司推出成型工厂周边设备的物联网(IoT)智能化系统方案(© 松井)


回收利用是全球关注的主要话题,回收厂商处于可持续性和“绿色”制造的最前沿,他们的工作足够艰巨,尤其是在原生树脂价格低廉的情况下。为了高效地工作,他们需要坚固、耐用和高效的细化回收设备。
塑料辅机种类繁多,除上述的物料处理、温控、回收等设备产品外,另外还有一些技术含量较高的塑料加工辅助设备也得到了更加广泛的应用,如管材外径在线测量装置、薄膜厚度在线测量装置等。这些塑料加工辅助设备和前述的三大类辅机一样,保证了产品的高质量和高精度。


辅机技术发展趋势


随着塑料的应用领域的不断拓展,注塑机、挤出机等主机向着高产化、精密化、节能化的方向发展。而除湿干燥系统、加料系统、加热冷却系统、牵引卷取系统、裁切系统等辅助设备对塑料加工主机的功能性保证正在发挥越来越大的作用。辅助设备已经成为塑料加工市场的重要组成部分,其技术发展呈现出与主机相似的趋势,可用“更节能、更智能”来总结。


◆ 更节能
所有类型的塑料加工均属能源密集型,能源效率备受生产厂家关注,尤其是在“拉闸限电”一词冷不丁就会见诸报端的当下。各种辅助设备的耗能是加工生产线耗能的重要构成部分,通过对辅助设备和加工习惯作出细微的改变,可以帮助这些辅助设备实现节能。


• 在最低加工温度下运行,以降低冷却设备的能耗。
• 在重要区域使用隔热材料,以最大限度地减少热损失。
• 利用室外环境条件作“自然冷却”,来降低运营成本。
• 用更节能的型号替换旧式电机和驱动技术。
• 更换尺寸过小或过大的设备,合适即最好。
• 清洁管道系统,增强导热,降低压降。
• 培养持续改善工艺的企业文化。


如何实现更有效的节能成为各辅助设备厂商开发新产品最关注的方向与技术之一。例如,模具温度控制的能耗占注塑生产单元总能耗的近40%,是注塑最大的能源消耗者,其节能潜力也很巨大。这就解释了为什么注塑机全球领先生产厂家ENGEL公司十多年来一直致力于模具温度控制的研发,开发出了市场上优秀的集成温度控制解决方案e-temp,可将注塑机的平均耗电量再降低20%。


宁波华热机械制造有限公司密切关注注塑辅机的节能减排,促进注塑辅机技术升级,推出了高性能的ES节能干燥机,相比常规干燥机可以省电25%-45%;他们也推出了针对市场已有存量干燥机节能改造的干燥机节能装置。


◆ 更智能
数字化、工业4.0......已成塑料行业热词,塑料辅机也正变得更加智能。


现在的工厂配套了多种品牌的主机和辅机,只有把这些平台联通,才能真正实现所谓的物联网(IoT)。比如,松井(Matsui)公司推出了成型工厂周边设备的物联网(IoT)智能化系统方案,目的是通过一块屏幕,能够随时随地把任何设备串联成一个系统。通过实时监控树脂状态、模具状态、瓦斯状态、螺杆位置、射出压力这5个影响品质的关键要素,把最佳的生产状态作为标准值,进行CPK的考核、智能化管控,打造理想中的智能工厂。


作者:冯大勇


来源:荣格-《国际塑料商情》

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