薄壁高速注射成型

1、薄壁高速注射成型介紹1. 薄壁包裝容器的特征：市場(chǎng)和應(yīng)用；分類(lèi)；典型材料；質(zhì)量要求；模具相關(guān)要求；自動(dòng)化要求；多功能一體化。2. 操作和工藝控制：時(shí)間和速度；冷卻時(shí)間計(jì)算；壓力分布；溫度。3. 注塑機(jī)相關(guān)要求：鎖模單元鎖模單元的主要功能鎖模單元的輔助功能標(biāo)注尺寸模板以滿足要求強(qiáng)化的床身曲臂鎖模運(yùn)動(dòng)學(xué)靈敏有效的模保系統(tǒng)注塑單元機(jī)械設(shè)計(jì)蓄能器和伺服閥注射熔體準(zhǔn)備和均勻化屏障式螺桿熔體停留時(shí)間驅(qū)動(dòng)理念和動(dòng)作序列“Elexis S” 驅(qū)動(dòng)理念所有運(yùn)動(dòng)軸的完全并行動(dòng)作由于能耗降低使得機(jī)器每小時(shí)運(yùn)行成本降低 4. 經(jīng)濟(jì)性：生產(chǎn)成本按比例分配顯示經(jīng)濟(jì)性比較結(jié)論介紹在競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的市場(chǎng)環(huán)境下，為了能夠經(jīng)濟(jì)地注

2、塑薄壁包裝產(chǎn)品， 生產(chǎn)廠家在設(shè)計(jì)產(chǎn)品的時(shí)候往往不得不更多更嚴(yán)格地關(guān)注產(chǎn)品的成本。為了節(jié)省原材料，目前的趨勢(shì)是產(chǎn)品的壁厚越來(lái)越薄，這樣對(duì)注塑機(jī)的性能和生產(chǎn)環(huán)境提出了更高的要求。針對(duì)客戶特定產(chǎn)品應(yīng)用的注塑系統(tǒng)成為經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)的基礎(chǔ)。此文的目標(biāo)是重溫當(dāng)今先進(jìn)注塑機(jī)及其驅(qū)動(dòng)技術(shù)如何滿足包裝容器等薄壁產(chǎn)品生產(chǎn)的工藝需求。1. 薄壁包裝容器的特征1.1. 市場(chǎng)和應(yīng)用采用注塑工藝成型的薄壁包裝容器的應(yīng)用有以下幾種:l 食品容器 (用于日用品，黃油，冰激凌等包裝的杯子, 盒子, 桶) l 餐飲容器 (飲水杯, 塑料餐具 )l 衛(wèi)生用具 (濕巾盒子 )l 油和油漆桶l(fā) (塑料桶)l 園藝用具 (花盆 )1.2. 分

3、類(lèi)注塑成型的薄壁包裝產(chǎn)品通常是中空的，一端開(kāi)放，形狀不一，適合一次性使用或重復(fù)使用。這些產(chǎn)品典型的壁厚在0.3mm 到1.5mm之間，而且通常具有很長(zhǎng)的流長(zhǎng)比，可達(dá)400:1。 經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)薄壁包裝容器取決于注塑的成型周期要盡可能的短，并且材料的使用要最少。 因此作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)者首先考慮的便是在滿足使用要求的前提下盡可能減少產(chǎn)品的壁厚。 1.3. 典型材料 注塑包裝容器類(lèi)產(chǎn)品的主要塑料材料是PP, PE和PS。同時(shí)針對(duì)這些材料經(jīng)過(guò)改性或特殊復(fù)合的材料（如HIPS, m-PP）也經(jīng)常使用， 而工程塑料一般除了個(gè)別案例外很少使用。 通常注塑這樣的薄壁容器類(lèi)產(chǎn)品需要材料具有很高的流動(dòng)性，并且具有足夠的強(qiáng)

4、度，硬度和比較單一的分子量分布。 可用于高性能注塑的這些材料的熔融指數(shù)(MFI)通常為 40 -50g/10min (230ºC/2.16kg) 左右, 在一些特殊情況下可達(dá)到150g/10min。所以材料的成分必須經(jīng)過(guò)優(yōu)化才能適合高性能注塑成型。 通常，在樹(shù)脂內(nèi)添加了穩(wěn)定劑，成核劑，潤(rùn)滑劑和抗靜電成分等。 這些材料的熔體指數(shù)必須在一個(gè)很小的范圍內(nèi)。當(dāng)用于食品包裝時(shí)，額外的因素，如保護(hù)性能和是否具有毒性等必須加以考慮。 1.4. 質(zhì)量要求 當(dāng)薄壁包裝類(lèi)容器這樣的產(chǎn)品的生命周期越來(lái)越短，并且同通常是一些低價(jià)值的產(chǎn)品時(shí)，有很多質(zhì)量要求需要得到滿足，包括下面一些相當(dāng)復(fù)雜的要求： l 均一的

5、產(chǎn)品壁厚分布；l 變形最小化；l 在測(cè)試溫度下具有較高的剛度 (由于生產(chǎn)時(shí)高溫脫模，后續(xù)高溫填灌，或消毒等) ；l 好的疊加和抗側(cè)壓強(qiáng)度； l 高質(zhì)量的產(chǎn)品表面；l 均一的產(chǎn)品顏色分布，或同一的透明度； l 高的重量穩(wěn)定性 (Delta g: 0.5 to 1%).1.5. 模具相關(guān)要求 要生產(chǎn)高質(zhì)量的薄壁產(chǎn)品，必須徹底對(duì)材料，模具，注塑機(jī)和成型工藝進(jìn)行優(yōu)化。因此產(chǎn)品設(shè)計(jì)和模具設(shè)計(jì)制造的缺陷必須在最初的時(shí)候就應(yīng)該盡量避免。模具必須滿足： l 高的穩(wěn)定性和撓度最小化；l 表面能使脫模便利，如果需要?jiǎng)t需局部鍍層；l 液壓驅(qū)動(dòng)，氣體輔助脫模；l 有效的模具冷卻系統(tǒng)，如大流量，低壓力損耗的溫度控制；l

6、 導(dǎo)向和中心定位機(jī)構(gòu)的維護(hù)盡可能少； l 不同部位的溫度差別最小化。 在一些情況下，為了能更經(jīng)濟(jì)的生產(chǎn)，可以考慮疊層模。 熱流道注塑目前已使用非常普遍。 1.6. 自動(dòng)化要求 在設(shè)計(jì)生產(chǎn)系統(tǒng)的時(shí)候，如何有序地把薄壁包裝類(lèi)容器從注塑機(jī)內(nèi)取出是必須考慮的非常重要的一點(diǎn)。 其中的一個(gè)因素必須考慮到，那就是薄壁包裝產(chǎn)品容易被不適當(dāng)?shù)漠a(chǎn)品取出機(jī)構(gòu)或通過(guò)直接掉落的脫模方式而損壞，因而從成本上來(lái)講通過(guò)一定機(jī)構(gòu)把產(chǎn)品進(jìn)行定位，對(duì)齊，疊加和包裝有時(shí)是必須的。 中等尺寸和大尺寸的產(chǎn)品（如：杯子，盤(pán)子，桶等）通常是通過(guò)高速脫模系統(tǒng)來(lái)把產(chǎn)品從模具里面取出的。 現(xiàn)代的產(chǎn)品取出裝置和機(jī)械手可以使取出時(shí)間小到0.4s 。1

7、.7.多功能一體化 現(xiàn)代包裝的功能已不僅僅是保護(hù)產(chǎn)品，而且是物流鏈里的一個(gè)因素和營(yíng)銷(xiāo)工具。 這些使得包裝產(chǎn)品在多功能一體化方面得到增強(qiáng)。 在塑料包裝產(chǎn)品上采用裝飾技術(shù)，如采用模內(nèi)貼標(biāo)(IML)，或后續(xù)裝飾（如熱燙印或類(lèi)似技術(shù)）而生產(chǎn)手柄或把手等。 2. 操作和工藝控制機(jī)器:螺桿:模具:產(chǎn)品:直徑:高度:流動(dòng)長(zhǎng)度:壁厚:流長(zhǎng)比:投影面積:材料:模重:成型周期:Ergotech 200/630-840 EL-EXIS SØ 45 mm (A) L/D - Verh.: 25 : 11 腔花盆193 mm 136 mm144 mm0,45 mm (平均)320: 1293 cm²

8、PP, MFI 35 g/10min (190°/2,16kg)33.5 g0.12 s 注射時(shí)間0.25s 保壓時(shí)間0.80s 冷卻時(shí)間0.10s 中間時(shí)間 (取產(chǎn)品)1.42s 機(jī)器時(shí)間 ( 330 mm )2.69s 周期 花盆 (Ø193mm)圖2: “花盆” 應(yīng)用下面的例子用于分析薄壁包裝類(lèi)產(chǎn)品的整個(gè)成型周期的詳細(xì)過(guò)程。 這個(gè)應(yīng)用是由PP材料制成的流長(zhǎng)比為320:1的一個(gè)塑料花盆。 花盆的模具為一腔，模具內(nèi)安裝有2個(gè)壓力傳感器用于實(shí)時(shí)檢測(cè)模腔內(nèi)部壓力。 在進(jìn)行壓力情況描述之前，讓我們先來(lái)看一下這個(gè)成型過(guò)程的整個(gè)周期分析。 成型周期構(gòu)成 “花盆”2.690.330.

9、691.200.800.250.120.10成型周期頂出開(kāi)模塑化冷卻時(shí)間保壓時(shí)間注射噴嘴前進(jìn)合模圖3: 成型周期構(gòu)成 “花盆”2.1. 時(shí)間和速度注塑成型的整個(gè)成型周期由以下主要時(shí)間構(gòu)成： l 工藝時(shí)間 (注射, 保壓, 冷卻),l 機(jī)器動(dòng)作時(shí)間 (模具動(dòng)作, 頂出, 噴嘴動(dòng)作),l 暫停時(shí)間和脫模時(shí)間. 通常，工藝時(shí)間特別是冷卻時(shí)間占整個(gè)成型周期的主要部分。 除了材料的特性外，冷卻時(shí)間主要有產(chǎn)品壁厚，模具溫度和熔體溫度；冷卻時(shí)間和產(chǎn)品壁厚的平方成正比。 冷卻時(shí)間和壁厚之間的關(guān)系材料：PP，HDPE，LDPE圖4: 冷卻時(shí)間和壁厚之間的關(guān)系2.2. 冷卻時(shí)間的計(jì)算對(duì)于給定的材料（如PP）和恒定

10、的模具溫度，壁厚和冷卻時(shí)間的關(guān)系就可以從圖4上面得到解釋。薄壁容器類(lèi)產(chǎn)品的壁厚通常在1.5mm 左右，有時(shí)可能薄至0.3mm，取決于不同的應(yīng)用。 這就意味著有些情況下聚烯烴的冷卻時(shí)間小于1s。 在注塑杯子和小的容器等產(chǎn)品時(shí)的整個(gè)成型周期在3到4s之間。 如果除去冷卻時(shí)間，則在整個(gè)成型周期中用于注射和保壓的時(shí)間只有不到1s。 在薄壁成型條件下，長(zhǎng)的流動(dòng)長(zhǎng)度和非常低的模具溫度使得塑料熔體不可能在填充和保壓過(guò)程中維持流動(dòng)和熔融狀態(tài)很長(zhǎng)時(shí)間。 因此在注塑薄壁容器類(lèi)產(chǎn)品時(shí)需要很高的注射速度，可能需要高達(dá)1000mm/s（設(shè)定速度）。 而且考慮到熔體的冷卻性能，在注射一開(kāi)始必須要有一個(gè)合適的注射加速度，這

11、是非常必要的。 由于薄壁產(chǎn)品高的流長(zhǎng)比使得高注射速度成為必須，因此高的注射壓力和型腔壓力必須具有。 2.3. 壓力分布 該產(chǎn)品壁厚為0.45mm，成型過(guò)程顯示了注射壓力需求高達(dá)1,500 bar。在這個(gè)壓力解釋的圖表中顯示模具內(nèi)的最大型腔壓力出現(xiàn)在注射開(kāi)始后的0.18s。 保壓階段的0.25s時(shí)間對(duì)產(chǎn)品成型的影響很小，因?yàn)槿垠w已經(jīng)固化。 隨著型腔壓力的持續(xù)降低，熔體在產(chǎn)品底部的澆口附近被壓縮直到澆口冷卻封閉。 通過(guò)研究花盆這個(gè)產(chǎn)品一腔模具的成型可以讓我們了解在注射成型過(guò)程中的壓力傳遞。 在澆口處和遠(yuǎn)離澆口處獲得的壓力可以讓我們獲悉壓力沿著流動(dòng)方向上的變化。 如果說(shuō)壓力的遞減是隨著熔體流動(dòng)的距離

12、，那么注意的是壓力在注射過(guò)程中熔體在通過(guò)噴嘴和熱流道時(shí)已經(jīng)喪失了很多。 這就意味著為了能在模具內(nèi)部獲得足夠的模腔壓力，就需要很高的注射壓力，在某些情況下可高達(dá)2,400 bar 甚至3,000 bar。 注射壓力和注射時(shí)間的關(guān)系圖7: 注射壓力和注射時(shí)間的關(guān)系 注射壓力和注射時(shí)間的研究表明，在某些特殊應(yīng)用里，注射時(shí)間只有0.14s。一個(gè)最小的注射壓力使得模具內(nèi)部獲得較低的壓力，從而減小過(guò)度填充的可能性，即使在最大保壓的情況下也不會(huì)發(fā)生。 同時(shí)還可以使熔體在填充時(shí)的剪切力更小，從而獲得更好的產(chǎn)品質(zhì)量。 為了滿足生產(chǎn)包庇包裝容器類(lèi)產(chǎn)品所需的高的注射速度和注射壓力，注塑機(jī)必須能偶提供足夠的注射能力。

13、 為了優(yōu)化注射速度，必須使用伺服閥，從而提高切換精度，獲得高的響應(yīng)速度，而且止回閥的設(shè)計(jì)必須具有很好的關(guān)閉功能。除了常見(jiàn)的環(huán)狀3段式止回閥結(jié)構(gòu)：止逆環(huán)，壓力環(huán)，螺桿頭外， 球狀止回閥結(jié)構(gòu)經(jīng)常被用于提高止回閥閉合性能。 在高的一段注射速度和多段注射速度下的注射壓力分布 圖8: 在高的一段注射速度和多段注射速度下的注射壓力分布 高響應(yīng)的伺服閥是獲得精確控制的注射速度，和即使在很短的注射時(shí)間進(jìn)行精確速度切換的基礎(chǔ)。 通過(guò)在切換之間進(jìn)行減速的方式，防止了模具內(nèi)部壓力峰值的產(chǎn)生，從而出現(xiàn)過(guò)度填充。 另外。更好的注射時(shí)間的穩(wěn)定性使得產(chǎn)品獲得更好的質(zhì)量。 2.4. 溫度 處理PP材料的料筒溫度 圖9: 處理

14、PP材料的料筒溫度 圖表顯示了在處理PP材料時(shí)的模具溫度和料筒溫度的工藝范圍。為了盡可能地縮短冷卻時(shí)間，通常使用壓力為6 到 8 bar 溫度為8 到 10 ºC 的冰凍水直接進(jìn)行模具冷卻。 使用長(zhǎng)徑比 L/D 為 25:1 的螺桿來(lái)生產(chǎn)PP產(chǎn)品可使料筒溫度的設(shè)定比長(zhǎng)徑比為20:1 的螺桿更低，約 240 到 245 ºC。 而且使用了長(zhǎng)徑比為25：1的螺桿可在不降低熔體質(zhì)量的前提下降低熔體溫度至255到260 ºC，低于長(zhǎng)徑比20:1螺桿的熔體溫度為265到280 ºC。 低的熔體溫度使得保壓時(shí)間和冷卻時(shí)間更短，從而縮短整個(gè)成型周期。使用長(zhǎng)徑比L/D為

15、25：1螺桿料筒內(nèi)部熔體的溫度差為5ºC，而是用長(zhǎng)徑比L/D為20：1螺桿的料筒內(nèi)部的溫度差為15 ºC。 料筒內(nèi)溫度的差別越小，成型后的產(chǎn)品的收縮差別就越小，從而使得產(chǎn)品的變形越小。 3. 注塑機(jī)相關(guān)要求注塑機(jī)的基本組成部分是鎖模單元和注射單元。 在接下來(lái)的論述中將會(huì)討論為滿足薄壁成型的必要的特殊設(shè)計(jì)，以及驅(qū)動(dòng)技術(shù)，功能和工藝序列。 3.1. 鎖模單元裝有疊層模的鎖模單元 圖10: 裝有疊層模的鎖模單元3.1.1. 鎖模單元的主要功能 注塑機(jī)鎖模單元提供以下功能： :l 容納模具；l 開(kāi)合模；l 在開(kāi)合模過(guò)程中保持模板平行度； l 提供合模力；l 施加鎖模力。3.1.2.

16、 鎖模單元的輔助功能l 產(chǎn)品脫模；l 保護(hù)模具。拉桿間距，最大最小模厚，最大開(kāi)模行程和鎖模力大小是鎖模單元的幾個(gè)關(guān)鍵特性。 通常注塑機(jī)是按鎖模力的大小來(lái)進(jìn)行分類(lèi)的。 F1=合模力F2=彈性力F3=鎖模力S2S3S1F3F1F2SFS1=機(jī)床在合模力下的變形 (拉桿拉伸)S2=模具變形 (模具變形)S3=機(jī)床在鎖模力下的變形 Fig.11：合模力 / 鎖模力在合模和鎖模過(guò)程中，曲臂鎖系統(tǒng)的整個(gè)機(jī)構(gòu)包括鎖模單元（拉桿，曲臂連接和模板）和模具類(lèi)似于彈簧一樣處于彈性形變狀態(tài)。當(dāng)拉桿處于受拉伸狀態(tài)時(shí)，曲臂連接，模板和模具處于被壓縮狀態(tài)。在注射熔體過(guò)程中，由于模腔內(nèi)阻力的存在，壓力在注射和保壓階段建立起來(lái)

17、。 短時(shí)間的壓力峰值在澆口附近可達(dá)2000bar。模具必須承受這種壓力，而不會(huì)出現(xiàn)模具成型部件的變位或錯(cuò)位。 模具基板，中間板和那些不會(huì)傳遞變形的部件繼續(xù)被壓縮，而成型部分的部件得到釋放。這些模具部件的釋放等于由于拉桿壓縮而獲得補(bǔ)償?shù)哪＞呃臁?只有當(dāng)模具兩部分均得到釋放，模具傾向于過(guò)填充。 在薄壁包裝容器類(lèi)產(chǎn)品生產(chǎn)時(shí)往往接近鎖模力極限，根據(jù)模具剛度，一個(gè)曲臂注塑機(jī)提供了很好的鎖模力的安全系數(shù)。 3.1.3. 標(biāo)注尺寸模板以滿足要求模板彎曲剛度圖12:模板彎曲剛度在開(kāi)合模方向上的所有力的總和（包括斜滑塊）乘以投影面積會(huì)導(dǎo)致模具變形力，這個(gè)力需要通過(guò)模板形變進(jìn)行吸收。模板變形必須控制在最小。 由

18、于如前面提到的在成型薄壁包裝容器類(lèi)產(chǎn)品時(shí)具有非常高的模腔壓力，必須對(duì)模板尺寸進(jìn)行升級(jí)優(yōu)化。 根據(jù)歐標(biāo)，定模板的中心定位孔相對(duì)較大，這樣容易使模板在該區(qū)域產(chǎn)生較大的變形而無(wú)法滿足要求。這個(gè)可使產(chǎn)品出現(xiàn)部分過(guò)填充而在分型面上沒(méi)有任何問(wèn)題。 這里采用通常的定位孔就會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題。 為了減小中心定位孔區(qū)域的變形，用于薄壁容器類(lèi)產(chǎn)品成型的高速注塑機(jī)具有更小的中心定位尺寸。 另外，頂出和注射油缸結(jié)構(gòu)緊湊。 更具歐標(biāo)62，模板變形通過(guò)10%到100%的鎖模力來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。 測(cè)試塊的定義取決于拉桿間距。 采用直徑為400mm測(cè)試塊對(duì)一臺(tái)250噸，拉桿間距在630mm的普通注塑機(jī)進(jìn)行測(cè)試，他的允許的變形量為0.15m

19、m。 如果經(jīng)過(guò)合理的尺寸設(shè)計(jì)，鑄鐵模板的尺寸變形量不會(huì)超過(guò)0.03mm。 這是防止在薄壁產(chǎn)品成型時(shí)損壞模具關(guān)鍵部件的根本。 另外一個(gè)對(duì)成型非常重要的一點(diǎn)是模板的平行度。 動(dòng)模板鎖模力的作用點(diǎn)的位置必須仔細(xì)的選擇，這樣才能滿足在任何條件下模具動(dòng)定半模均能保持平行而使模具導(dǎo)向和定位機(jī)構(gòu)磨損最小化。 3.1.4. 強(qiáng)化的床身一些薄壁包裝容器類(lèi)產(chǎn)品的多模腔模具非常重。特別是疊層模。 在重模具經(jīng)常使用的地方，機(jī)床的床身必須經(jīng)過(guò)合理的設(shè)計(jì)并進(jìn)過(guò)強(qiáng)化?，F(xiàn)代高速成型注塑機(jī)（如Ergotech Elexis S），動(dòng)模板的重量加上模具動(dòng)半模的重量通過(guò)整合在機(jī)床床身上的I-橫梁被吸收了。 為了吸收重量，機(jī)床動(dòng)模側(cè)

20、支撐采用了滾珠軸承，并和I-橫梁相連。 為了避免拉桿承受額外的應(yīng)力，疊層模的中間板同樣采用導(dǎo)向軌道。 3.1.5. 曲臂鎖模運(yùn)動(dòng)學(xué)圖13: 速度vs. 模具位置鎖模單元需要滿足模具的速度要求。如果能夠合理的設(shè)計(jì)，曲臂機(jī)構(gòu)能夠通過(guò)曲臂本身運(yùn)動(dòng)學(xué)提供和工藝要求相一致的速度曲線圖：它提供逐步穩(wěn)定增加的速度起始，并且在合模行程到達(dá)時(shí)逐步降低直至幾乎為零。 慣性分布呈反比：在鎖模過(guò)程中，它提供了優(yōu)化的速度和力的轉(zhuǎn)換。在鎖模條件下， 曲臂具有自鎖特性因而不耗費(fèi)任何能量。 根據(jù)不同的鎖模單元，可獲得不同的平均開(kāi)合模速度。 一臺(tái)250噸鎖模力的注塑機(jī)可獲得平均開(kāi)合模速度為0.8m/s。這個(gè)反過(guò)來(lái)是滿足薄壁產(chǎn)品

21、短成型周期的前提條件。 Fig.14: 開(kāi)合模力 VS. 模具開(kāi)合模速度這個(gè)運(yùn)動(dòng)曲線分布時(shí)曲臂式注塑機(jī)開(kāi)合模動(dòng)作的優(yōu)點(diǎn)；只需要一個(gè)很小的開(kāi)合模油缸，通過(guò)液壓機(jī)械傳動(dòng)達(dá)到節(jié)能的效果。3.1.6. 靈敏有效的模保系統(tǒng) 靈敏有效的模保系統(tǒng)圖15: 自動(dòng)模保系統(tǒng)如今很正常地采用自動(dòng)模具保護(hù)系統(tǒng)。 目的是為了當(dāng)產(chǎn)品未脫落或由于不正常操作時(shí)機(jī)床能夠自動(dòng)停止而達(dá)到可靠地保護(hù)模具不受損傷的模具。 任何這樣的障礙必須在模具被損壞之前被檢測(cè)出來(lái)，然后合模動(dòng)作停止，生產(chǎn)中斷。 Ergotech EL-EXIS系列注塑機(jī)具有積極的模具保護(hù)系統(tǒng)：一個(gè)非常靈敏的壓電傳感器直接安裝在曲臂上，它可以檢測(cè)出開(kāi)合模過(guò)程中極其微小

22、的形變量，從而獲取移動(dòng)阻力。這個(gè)移動(dòng)阻力被實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，任何微小的變化導(dǎo)致不正常的移動(dòng)阻力的出現(xiàn)，控制器都會(huì)使機(jī)床立刻停止。 通過(guò)傳感器對(duì)合模過(guò)程中力的檢測(cè)，控制器會(huì)自動(dòng)儲(chǔ)存一條標(biāo)準(zhǔn)的力的曲線作為監(jiān)控。 在每一個(gè)生產(chǎn)周期中，控制器會(huì)自動(dòng)把實(shí)際的合模阻力曲線和儲(chǔ)存的標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行比較。如果實(shí)際力中有任何波動(dòng)使其達(dá)到監(jiān)控曲線，則合模動(dòng)作被立刻停止。 這個(gè)模具保護(hù)功能不僅僅是局限在鎖模之間的模保開(kāi)始和停止位置之間。系統(tǒng)會(huì)檢測(cè)并保護(hù)整個(gè)開(kāi)合模行程。 由于這個(gè)積極的模保系統(tǒng)不會(huì)增加成型周期，使得這個(gè)系統(tǒng)成為高速成型的主要優(yōu)點(diǎn)之一。 3.2. 注射單元3.2.1 機(jī)械設(shè)計(jì)包裝產(chǎn)品的生產(chǎn)包含不同要求的產(chǎn)品。因此注

23、射單元必須具有一定的靈活性。 同一鎖模單元和不同的注射單元組合必須成為可能。 注射機(jī)設(shè)計(jì)必須滿足不同應(yīng)用的優(yōu)化組合。 為了滿足摩擦力最小化，動(dòng)作靈活，注射單元必須有線性導(dǎo)軌進(jìn)行導(dǎo)向和支撐。 為了使噴嘴和模具完美配合從而防止噴嘴和螺桿套磨損，射臺(tái)的軸向定位和噴嘴必須在同一水平線上。 螺桿直徑的選擇必須具有一定的靈活性，長(zhǎng)徑比L/D 為25:1 具有不同注射壓力的螺桿有2種不同的選擇。I 高精度的行程測(cè)量系統(tǒng)可提供精確的螺桿位置檢測(cè)，然后傳遞給控制器，從而使工藝和壓力得到精確控制。 伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺桿塑化是建議使用的，和液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)螺桿塑化相比，伺服電機(jī)更節(jié)能，而且具有和開(kāi)合模并行動(dòng)作的功能。 3.

24、2.2. 蓄能器和伺服閥注射蓄能器和伺服閥注塑 伺服閥 蓄能器圖17: 蓄能器和伺服閥注塑正如上面所提到的，薄壁包裝類(lèi)產(chǎn)品的注塑通常需要很高的注射速率。 為了達(dá)到高的注射速率，必須使用蓄能器。 很重要的一點(diǎn)是為了滿足高效低能耗，必須采用變量泵。為了獲得精確的注射速度分布，哪怕是在很短的注射時(shí)間內(nèi)，必須具備高速響應(yīng)并且能夠精密控制的伺服閥系統(tǒng)。 高速注射的重要性通常的注射響應(yīng)(a=5 m/s²)設(shè)定注射速度: 800mm/s實(shí)際注射速度: 488mm/s注射時(shí)間: 205msInjection Speed mm/sa=5m/s²a=12m/s²高響應(yīng)注射(a=12

25、m/s²)設(shè)定注射速度: 800mm/s實(shí)際注射速度: 633mm/s注射時(shí)間: 157ms圖18: 注射響應(yīng)和注射能力在成型薄壁包裝類(lèi)產(chǎn)品時(shí)，一個(gè)必須考慮到的要點(diǎn)是高的響應(yīng)速度。短的注射時(shí)間（如0.1 到 0.2s）需要高的注射速度。 必須具有合理的注射加速度才能提供足夠的注射速度，如800mm/s。如圖顯示注射加速度為12m²/s ，那么實(shí)際的注射速度為 633 mm/s。3.2.3. 熔體準(zhǔn)備和均勻化滿足薄壁包裝類(lèi)容器生產(chǎn)的注塑機(jī)設(shè)計(jì)必須滿足一下幾個(gè)工藝要求： 螺桿更換；塑化能力；熔體溫度和透明度的均勻性；合理的熔體停留時(shí)間；熔化效率；低的熔體剪切降解。Barrier

26、 zone圖19: 三段式螺桿 L/D = 25:1 / 屏障式螺桿薄壁包裝類(lèi)容器主要有半結(jié)晶型的聚烯烴材料制成。 和無(wú)定形材料相比，聚烯烴需要更高的熔化效率。在高速成型領(lǐng)域，通常塑化量大，成型周期短，因此材料在料筒內(nèi)的停留時(shí)間相對(duì)較短，從而使得熱量供應(yīng)和溫度平衡而達(dá)到熔體塑化均衡受到限制。 為了提高塑化能力通常傾向于使用高的螺桿轉(zhuǎn)速，但是螺桿轉(zhuǎn)速受到材料最大線速度的限制，不然會(huì)由于過(guò)度剪切而使材料降解。 為了獲得足夠的熔體停留時(shí)間且螺桿轉(zhuǎn)速在合理的范圍內(nèi)，需在以下選項(xiàng)作出調(diào)整： l 延長(zhǎng)螺桿長(zhǎng)度來(lái)增加熔體停留時(shí)間，例如把三段式螺桿長(zhǎng)度增加到25D，配備剪切和混煉裝置，并且在結(jié)構(gòu)尺寸上進(jìn)行調(diào)整

27、，滿足大的塑化量的要求；l 改變螺桿結(jié)構(gòu)來(lái)改善熔化過(guò)程，比如采用屏障式螺桿； l 改進(jìn)的料筒加熱分布，縮短加熱區(qū)間隔，增加下料口的加熱能力。 屏障式螺桿的熔化工藝 圖20: 塑化單元屏障式螺桿 /三段式螺桿熔化過(guò)程3.2.4. 屏障式螺桿 和通用的3段式標(biāo)準(zhǔn)螺桿相比，屏障式螺桿的壓縮段由“屏障段”代替。 在屏障段的起始部位有第二個(gè)螺棱出現(xiàn)，它在初始的螺棱后面并且和料筒壁形成一定的空間。 這樣的設(shè)計(jì)使得固態(tài)的塑料和融化后的熔體得以分離，因?yàn)橹挥型耆诨蟮娜垠w才能正好從這個(gè)螺棱和料筒壁之間的空間內(nèi)通過(guò)。通過(guò)正確的工藝控制，形成薄的熔化層并且熱量能夠更好地傳遞給為熔化的塑料。 由于屏障螺棱的熔體通

28、道越來(lái)越大越來(lái)越深，熔體進(jìn)入逐步擴(kuò)大的通道內(nèi)，而存留為完全融化的塑料的空間越來(lái)越小越來(lái)越淺。 和通用的3段式標(biāo)準(zhǔn)螺桿比較，屏障式螺桿的熔化效率更高。 屏障式螺桿的使用使得塑化的熔體更均勻，控制更好。 特別的混煉和剪切裝置完成了額外的混合效果，特別是含有顏料的材料。 停留時(shí)間對(duì)塑化能力的影響（螺桿直徑60mm, PP）圖21: 停留時(shí)間對(duì)塑化能力的影響 （PP）3.2.5 熔體停留時(shí)間在使用屏障式螺桿的地方，必須考慮熔體停留時(shí)間對(duì)塑化能力的影響。 比如在使用PP材料成型薄壁包裝類(lèi)容器時(shí)，屏障式螺桿和通用的3段式標(biāo)準(zhǔn)螺桿相比在停留時(shí)間對(duì)塑化性能上的影響沒(méi)有明顯的改善。 停留時(shí)間對(duì)塑化能力的影響（螺

29、桿直徑 60mm, PE）圖22: 停留時(shí)間對(duì)塑化能力的影響 （PE）如果材料是PE，則使用屏障式螺桿會(huì)比通用的三段式螺桿在塑化能力上提高30%左右。 在任何情況下，屏障式螺桿總是比通用標(biāo)準(zhǔn)螺桿更能獲得均一的熔體，特別是在大料量和螺桿行程50-60%的情況下更為明顯。 在進(jìn)行項(xiàng)目研究確定塑化單元時(shí)，有必要在一開(kāi)始就獲取足夠的工藝參數(shù)信息。 處于這樣的目的，目前有很多的仿真軟件來(lái)使用，如 帕德伯恩大學(xué)的PSI軟件。這個(gè)軟件可以對(duì)以下特征變量進(jìn)行計(jì)算： 材料輸出量；塑化時(shí)間；溫度分布；壓力分布；熔化狀態(tài)分布；停留時(shí)間行為；功率和扭矩大小需求。經(jīng)過(guò)和實(shí)際測(cè)試所得的結(jié)果比較，理論計(jì)算不超過(guò)實(shí)際的15%

30、偏差。 因此，工程師可以得出正確的結(jié)果用于改善注塑機(jī)的設(shè)計(jì)。 3.3. 驅(qū)動(dòng)理念和動(dòng)作序列3.3.1. EL-Exis S 驅(qū)動(dòng)理念具有有效冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)制造的現(xiàn)代模具技術(shù)和不斷減少的產(chǎn)品壁厚使得成型周期越來(lái)越短。取決于不同產(chǎn)品的模重，在規(guī)定的冷卻時(shí)間內(nèi)完成塑化有時(shí)是不夠的。 為了避免塑化時(shí)間影響成型周期，客戶被建議采用幾個(gè)主要?jiǎng)幼鳎ㄈ珂i模單元和注射單元）獨(dú)立驅(qū)動(dòng)。新的驅(qū)動(dòng)理念: Ergotech EL-EXIS S帶有中央蓄能器進(jìn)行增速的變量泵系統(tǒng)Cores電液混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)開(kāi)和模伺服電機(jī)伺服電機(jī)圖24: EL-EXIS S驅(qū)動(dòng)理念注塑機(jī)采用電動(dòng)和液壓結(jié)合的驅(qū)動(dòng)技術(shù)使得所有的動(dòng)作均可獨(dú)立運(yùn)行，從

31、而使得整個(gè)周期得以最小化。在設(shè)備Ergotech EL-EXIS S中液壓和電動(dòng)驅(qū)動(dòng)均被采用，運(yùn)用于哪些具體部位取決于它哪種驅(qū)動(dòng)更有利。一個(gè)明顯的選項(xiàng)是塑化馬達(dá)采用變頻控制的的交流伺服電機(jī)。 它比液壓馬達(dá)更有效率，而且和后者相比可節(jié)省能耗40%。這個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過(guò)伺服電機(jī)控制具有高的響應(yīng)速度，精度和運(yùn)行效率。 在注射過(guò)程中，需要的是在極短的時(shí)間內(nèi)提供大的動(dòng)力并且和其他動(dòng)作相互獨(dú)立。 高響應(yīng)速度的驅(qū)動(dòng)提供注射速度高達(dá)1000mm/s。 由于電動(dòng)驅(qū)動(dòng)受限于一定的速度，因此在此注射采用了液壓蓄能器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。 由于開(kāi)合模動(dòng)作時(shí)線性運(yùn)動(dòng)，因此原則上講液壓驅(qū)動(dòng)和合理。但是對(duì)于高負(fù)荷運(yùn)動(dòng)，在加速和減速過(guò)程稱(chēng)需

32、要具有高的響應(yīng)速度和高的定位精度，例如快速卸除鎖模力。 這就是為什么Ergotech EL-EXIS S采用了液壓和電動(dòng)相結(jié)合的技術(shù)來(lái)驅(qū)動(dòng)曲臂機(jī)構(gòu)完成開(kāi)合模和鎖模：通過(guò)頻率控制的伺服電機(jī)和靜壓轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的結(jié)合實(shí)現(xiàn)液壓線性運(yùn)動(dòng)。 其他三個(gè)輔助動(dòng)作 - 中子動(dòng)作，頂出動(dòng)作和射臺(tái)動(dòng)作 - 均為線性動(dòng)作，無(wú)需并行動(dòng)作并且對(duì)整個(gè)成型周期和能耗的影響有限。因此 他們通過(guò)中央蓄能器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。 由于在這樣的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中所有需要的只是給液壓蓄能器進(jìn)行蓄能，所以有可能把油泵功率降低，比如Ergotech 200 Elexis S 油泵功率降低至15KW。 這相當(dāng)于相同尺寸的液壓機(jī)總裝機(jī)功率的30%。3.3.3. 所有

33、運(yùn)動(dòng)軸完全并行動(dòng)作 圖25: 應(yīng)用“杯子” 以下例子詳細(xì)的反映了并行動(dòng)作在做注塑成型薄壁容器類(lèi)產(chǎn)品時(shí)在成型周期的減少方面發(fā)揮的作用。 它包含了采用PP材料制成的，流長(zhǎng)比為 390:1的杯子。 4腔產(chǎn)品的模具在一臺(tái)200噸的Ergotech 200/560-840 Eleixs S設(shè)備上運(yùn)行，并且經(jīng)過(guò)系統(tǒng)優(yōu)化后達(dá)到了最短的成型周期。 在這里除了邊開(kāi)合模邊塑化的并行動(dòng)作外，還有一個(gè)減少成型周期的并行動(dòng)作，就是邊開(kāi)模邊頂出。 相互干涉的驅(qū)動(dòng)是不可能做到的，這一點(diǎn)可以從混合動(dòng)力的圖中看出，頂出動(dòng)作時(shí)通過(guò)獨(dú)立的泵來(lái)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的。 和通常的液壓機(jī)只能提供線性動(dòng)作相比，以下額外的并行動(dòng)作也對(duì)減少成型周期發(fā)揮著

34、作用： 在鎖模過(guò)程中建立噴嘴頂緊力； 在鎖模過(guò)程中開(kāi)始注射。 咋一看減少0.56s的時(shí)間似乎沒(méi)什么大不了的。 但是如果您把整個(gè)成型周期只有4.34s聯(lián)系起來(lái)，那么您會(huì)發(fā)現(xiàn)能否節(jié)省0.56s是非常了不起的。 3.3.3. 由于能耗降低使得機(jī)器每小時(shí)運(yùn)行成本降低 圖27: 應(yīng)用 “飲水杯”討論“飲水杯”這樣的產(chǎn)品的生產(chǎn)必然會(huì)突出現(xiàn)代注塑機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)在降低能耗和提高生產(chǎn)率方面的潛在優(yōu)勢(shì)。 該飲水杯采用PS原料制造，用于航空餐飲服務(wù)。 以下是基于6腔“飲水杯”產(chǎn)品的模具，在兩款采用不同驅(qū)動(dòng)技術(shù)：純液壓驅(qū)動(dòng)和電液混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的注塑機(jī)上，針對(duì)能耗和產(chǎn)能方面的比較。 兩臺(tái)注塑機(jī)在同一工藝條件下生產(chǎn)同一個(gè)6腔杯

35、子。Ergotech “快速機(jī)” 的成型周期為3.6s, Ergotech Elexis S 的成型周期為 3.3s。具有優(yōu)勢(shì)的地方是：更短的機(jī)器動(dòng)作時(shí)間，額外的并行動(dòng)作功能（在鎖模過(guò)程中建立噴嘴頂緊力和開(kāi)始注射）。“飲水杯”的能耗測(cè)量顯示具有現(xiàn)代驅(qū)動(dòng)技術(shù)的Ergotech Elexis S 在提供更快的成型周期，更高的產(chǎn)能外， 還節(jié)省能耗高達(dá)46%。能耗的降低和產(chǎn)能的提升使得設(shè)備單位小時(shí)的運(yùn)行成本得到了極大的降低。4. 經(jīng)濟(jì)性4.1. 生產(chǎn)成本按比例分配顯示 薄壁產(chǎn)品生產(chǎn)的成本比例分析注塑機(jī)原材料人工/ 開(kāi)機(jī)成本模具1.21.91.91007.53.83.620.927.98031.7Costs 【%】604069.465.461.830200ET250/630-1450EL-EXIS SET200/560-840EL-EXIS SET200/560-840RapidFig.29: 生產(chǎn)成本按比例顯示 (%) （薄壁包裝類(lèi)容器）經(jīng)過(guò)對(duì)薄壁包裝類(lèi)產(chǎn)品生產(chǎn)成本的分析，發(fā)現(xiàn)材料的成本占總成本的主要部分。 這個(gè)事實(shí)通過(guò)這個(gè)6腔薄壁的飲水杯在200噸Ergotech Elexis S 注塑機(jī)上以成型周期3.3s生產(chǎn)過(guò)程的統(tǒng)計(jì)獲得。 其中原材料的成本占總成本德65%。人工和開(kāi)關(guān)機(jī)成本大致占總成本的2%。原因是在包裝行業(yè)生產(chǎn)通常是非常大批量的。模具通常需要連續(xù)運(yùn)行很長(zhǎng)的時(shí)間，并且是自動(dòng)開(kāi)