注射技術(shù)的系統(tǒng)化創(chuàng)新：無人化、自動化生產(chǎn)單元成為主題

注射技術(shù)的系統(tǒng)化創(chuàng)新

段慶生

注射技術(shù)的發(fā)展日新月異，尤其是結(jié)合個性化應(yīng)用開發(fā)的系統(tǒng)化解決方案成為市場的熱點。在這些系統(tǒng)開發(fā)過程中，一方面新型注射技術(shù)、模具技術(shù)，以及自動化技術(shù)不斷推陳出現(xiàn)，另一方面系統(tǒng)整合、系統(tǒng)優(yōu)化、產(chǎn)業(yè)鏈合作、智能化制造等成為熱點中的熱點。具體而言，生產(chǎn)單元定制化系統(tǒng)已成為業(yè)界體現(xiàn)競爭實力的關(guān)鍵，歐洲制造業(yè)的“工業(yè)4.0”概念開始展示智能化制造的魅力，產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)的合作則成為系統(tǒng)優(yōu)化、系統(tǒng)效率提升的主要途徑。

工業(yè)4.0強調(diào)智能化制造，為制造工業(yè)帶來全程可追溯的便利性。

相片提供 Photo Courtesy：Arburg

生產(chǎn)單元開發(fā)熱潮

注射生產(chǎn)單元的概念最早從歐洲開始，發(fā)展至今已不再是歐洲公司的專利。在當今各種大型展覽會上，無論是三年一度的K展，還是一年一度的CHINAPLAS，形形色色的生產(chǎn)單元系統(tǒng)，已成為領(lǐng)先注射技術(shù)提供商展示技術(shù)實力最基本的定式。

一方面歐洲領(lǐng)先廠商的生產(chǎn)單元越來越復(fù)雜，功能越來越豐富；另一方面，中國供應(yīng)商，也從最初以模內(nèi)貼標制造單元展示為主，開始推出針對光學(xué)產(chǎn)品、汽車制品、通訊產(chǎn)品、醫(yī)療應(yīng)用等豐富的制造系統(tǒng)。

與SCHAUMFORM GmbH合作, 威猛巴頓菲爾在K 2013展出具有高表面質(zhì)量的發(fā)泡注射生產(chǎn)單元，其制品外觀看起來與非發(fā)泡產(chǎn)品無異?，F(xiàn)場生產(chǎn)的制件采用結(jié)構(gòu)發(fā)泡技術(shù)，是一個用于放置咖啡杯或名片的小盤。該技術(shù)綜合采用威猛巴頓菲爾的CELLMOLD結(jié)構(gòu)發(fā)泡技術(shù)，變模溫技術(shù)和HiP高精密開模技術(shù)，在重量減輕30%的同時得到具有極優(yōu)表面質(zhì)量的產(chǎn)品。在展會上，一臺高效的全電動EcoPower 240/1330 被用于這一制件生產(chǎn)。

在CHINAPLAS2014現(xiàn)場，百塑展示了智能型無人化整合系統(tǒng)，現(xiàn)場演示生產(chǎn)雙色螺絲起子。整個生產(chǎn)單元整合了兩臺立式注塑機和一臺臥式注塑機，雙色注塑，并現(xiàn)場生產(chǎn)包裝盒。起子鐵芯先移至1號機臺(立式圓盤注塑機V3-2R-55T)進行第1色成型，第1色成品移至2號機臺（立式單滑板注塑機V4-S-55T）進行第2色注塑，臥式直壓注塑機SM-90T生產(chǎn)出包裝盒，最后，成品經(jīng)過CCD影像檢測后，置入包裝?！?strong>現(xiàn)在生產(chǎn)單元供貨需求越來越多，無人化、自動化生產(chǎn)單元的需求趨勢明顯。”百塑企業(yè)股份有限公司總經(jīng)理吳正煒說。

廣東聯(lián)升在CHINAPLAS現(xiàn)場也展出多套生產(chǎn)單元系統(tǒng)，其中包括一套光電顯示（背光源）專業(yè)注塑系統(tǒng)。系統(tǒng)采用GT2-LS100L單杠射膠伺服節(jié)能注塑機，射速達500mm/s，現(xiàn)場采用光學(xué)級PC生產(chǎn)4寸手機導(dǎo)光板，制品厚度0.5mm。聯(lián)升并現(xiàn)場展出1出32專業(yè)醫(yī)療注塑系統(tǒng)，現(xiàn)場以PET樹脂生產(chǎn) 12×100采血管；同場展出的還包括一套1出8 LED透鏡成型系統(tǒng)。

基于全產(chǎn)業(yè)鏈合作的系統(tǒng)優(yōu)化

注射生產(chǎn)單元的概念本質(zhì)上源于整個注射產(chǎn)業(yè)鏈不同供應(yīng)商的通力合作，涉及到原料、注射機、模具、輔助設(shè)備、自動化系統(tǒng)等技術(shù)。因此，并不奇怪，一套滿足高效率、高性價比、高可靠性的系統(tǒng)，得益于構(gòu)成系統(tǒng)的每一個環(huán)節(jié)的優(yōu)化。

一個項目團隊的組成

LIPA合作項目是一個針對采用連續(xù)纖維增強的高級熱塑性復(fù)合材料零部件生產(chǎn)開發(fā)工藝流程的合作團隊。不久前看到帝斯曼加盟LIPA合作項目的新聞稿，筆者特意搜索找到LIPA的官網(wǎng)，網(wǎng)站介紹成員包括兩部分，項目伙伴和支持伙伴。

項目伙伴包括：Georg Kaufmann，負責(zé)加工過程開發(fā)，工程化，模具構(gòu)造；Quadrant Plastics Composite負責(zé)零件設(shè)計，有機板生產(chǎn)，材料選擇和設(shè)計；Kistler Instrumente AG負責(zé)加工監(jiān)控，傳感器技術(shù)，軟硬件評估。

支持伙伴包括：克勞斯瑪菲提供注射機；庫卡提供機械手；Institut für Leichtbau und Kunststoff-technik, TU Dresden 負責(zé)零件設(shè)計，材料和零件測試；Borealis 負責(zé)材料和模擬；帝斯曼負責(zé)材料和模擬。

從這樣一個項目團隊的組成可以看出，建設(shè)一套強大的注射系統(tǒng)需要怎樣的上下游產(chǎn)業(yè)鏈的整合。

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一個看似簡單的產(chǎn)品制造系統(tǒng)，需要從原料，注射機，輔助設(shè)備到自動化系統(tǒng)，甚至包括終端用戶，整個產(chǎn)業(yè)鏈的通力合作。

相片提供 Photo Courtesy：Georg Kaufmann

選擇合適的注塑機

系統(tǒng)化整合已經(jīng)成為注射技術(shù)創(chuàng)新最典型的特征，但是，是不是一定要最尖端技術(shù)的注射機才能制造可靠的生產(chǎn)單元系統(tǒng)？

海天集團的研究表明，能有效實現(xiàn)注塑過程中核心功能的標準化機型以其高效的優(yōu)勢將在復(fù)雜的應(yīng)用和自動化過程中占據(jù)一席之地?！霸趶?fù)雜的高科技塑料制品中，注塑制品與其他材料相連接并非總是技術(shù)含量很高的事情。有時候人們會很容易地把事情變得過于復(fù)雜?！焙Ｌ靽H戰(zhàn)略總監(jiān)Franz教授說道，并給出了現(xiàn)有客戶的一個例子,“有家汽車行業(yè)供應(yīng)商，其總部在日本并是世界前50強企業(yè)，他們在總共7個高度自動化的生產(chǎn)單元中進行塑料部件的生產(chǎn)。每個生產(chǎn)單元都配有一臺海天天隆機器。因為客戶實施零庫存的戰(zhàn)略，所以他們的主要要求是機器的正常運行時間長、節(jié)能，且能實現(xiàn)快速的切換，包括平穩(wěn)地集成所有的周邊設(shè)備。注塑過程本身可由中高端的注塑機來完成,因此，選擇天隆系列是極為合適的。我們的機器可與上下游設(shè)備自動化應(yīng)用相結(jié)合——他們大概都為3,000噸左右的規(guī)格——機器現(xiàn)在已經(jīng)穩(wěn)定可靠地運行了兩年?！?/span>

自動化技術(shù)優(yōu)化

與上述注射機技術(shù)相似，自動化技術(shù)同樣未必一定要最先進的機械手才可以實現(xiàn)高效率生產(chǎn)。

阿博格在其總部舉辦的2014技術(shù)節(jié)上，在“生產(chǎn)效率”專題展區(qū)特別展示了一套自動化系統(tǒng)優(yōu)化對成型周期影響的制造單元。阿博格通過這一案例展示，對于中批量和大批量注射生產(chǎn)，并非必須使用專門的自動化系統(tǒng)。

阿博格特別展示了一臺具有新的動態(tài)力學(xué)特性的伸入式機器人系統(tǒng)，以證明標準的機器人系統(tǒng)同樣可以減少取件時間并相應(yīng)的減少循環(huán)周期?，F(xiàn)場展出一個包裝件的生產(chǎn)。兩個6.4g的PP盆（tubs）的生產(chǎn)周期只有3.6s。與標準的機器人系統(tǒng)比較，其動作時間從1.32s縮短到0.99s，減少25%。

Hekuma專注于制造注射成型高性能自動化系統(tǒng), 尤其是在汽車、消費品與醫(yī)療領(lǐng)域。在K 2013，Hekuma與模具制造商Braunform和奧地利注射機制造商Engel合作展示了一套生產(chǎn)效率提高20%的針頭接口制造系統(tǒng)。同時改進了整體的品質(zhì)和生產(chǎn)的可靠性。Hekuma為這一系統(tǒng)提供了加工自動化系統(tǒng)，包括從模具中取出制品以及檢測控制和輸送產(chǎn)品。

使用自動化系統(tǒng)不僅可以增加速度，高精度的取出機械手和輸送系統(tǒng)還可以完成品質(zhì)控制的需求，強化整個系統(tǒng)的可靠性和效率。其中生產(chǎn)出的缺陷制品被直接跌落，不會進入生產(chǎn)環(huán)節(jié)，無需另外花費人力去分揀。Hekuma制造的光學(xué)控制系統(tǒng)可以確?？焖俚姆磻?yīng)時間，可用于迅速發(fā)現(xiàn)潛在的問題并盡快修復(fù)。

生產(chǎn)一致性產(chǎn)品

注塑系統(tǒng)的最終目標就是在系統(tǒng)的生命周期內(nèi)重復(fù)經(jīng)濟地生產(chǎn)出一致的產(chǎn)品。注塑系統(tǒng)中的可變性可能來自于機器、模具、熱流道、工藝、輔機、原料及其準備。其中每一項如何幫助實現(xiàn)產(chǎn)品的一致性依賴于特定的工具和應(yīng)用，但審查整套系統(tǒng)也同樣重要。

例如，針對熱流道可變性最小化或消除赫斯基做了大量的研究與開發(fā)。赫斯基采用分流板內(nèi)熔料流道的分層設(shè)計，簡單而有效地混合熔料從而避免了由于剪切作用導(dǎo)致的某些模腔的優(yōu)先流。作為幾何平衡的補充，赫斯基近期的改進關(guān)注點包括改善熱流道的熱平衡性，精確的溫度控制和同步的閥針澆口開啟與關(guān)閉。這些改進都試圖消除注塑系統(tǒng)中來源于熱流道的可變性以實現(xiàn)一致的充模，并生產(chǎn)出更多符合規(guī)格的產(chǎn)品。

溫控器也是重要的考量部分。據(jù)赫斯基在今年CHINAPLAS期間介紹，其所有的Altanium?溫控器均采用適應(yīng)性推理技術(shù)（ART），提供針對更優(yōu)的產(chǎn)品一致性的優(yōu)化控制。ART借助一流的輸出功率分配，完全絕緣的熱電偶輸入和業(yè)界領(lǐng)先的熱電偶采樣率確保溫度讀數(shù)的精確度，提供嚴格控制和最小的可變性。

赫斯基UltraSync-E技術(shù)將所有閥桿與通過電伺服馬達驅(qū)動的單一閥板相連。這樣可實現(xiàn)閥針100%的同步并允許使用其他先進的成型工藝技術(shù)，如通過控制閥針運動速度曲線來減少磨損從而延長澆口壽命。全閥針同步可消除閥針運動的可變性，提高產(chǎn)品質(zhì)量和一致性。

輔助設(shè)備的效益

輔助設(shè)備的重要性提升也是注射技術(shù)系統(tǒng)化的一個典型特征。輔助設(shè)備不只是實現(xiàn)自動化生產(chǎn)單元、高精度過程控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，還是提高系統(tǒng)易用性、高效經(jīng)濟性的重要途徑。甚至于，主機廠也開始自主開發(fā)或與合作伙伴共同研發(fā)專門的輔助設(shè)備系統(tǒng)。

高效率和經(jīng)濟性兼具的解決方案是住友德馬格在K 21013針對包裝展示的一個重要應(yīng)用。新的Systec SP為首次面向?qū)I(yè)觀眾展出。在該機器本身的注射特性之外，這家位于日本、德國兩地的供應(yīng)商特別展示了其裝備的全新技術(shù)模塊ActiveColourChange。這一靈活的顏料計量技術(shù)可以實現(xiàn)極短的換色時間。

現(xiàn)場展示的一臺El-Exis SP 420-2500 (鎖模力 4,200 kN),生產(chǎn)28mm HDPE螺紋蓋。系統(tǒng)裝配帶熱流道系統(tǒng)的96腔瓶蓋模，生產(chǎn)周期只有2.3s。每小時可以生產(chǎn)超過15萬個瓶蓋。為了確保加工過程的高穩(wěn)定性以及實現(xiàn)螺紋蓋的100%控制，并裝備有瑞士IMD公司的IMDvista光學(xué)檢測系統(tǒng)。

ActiveColourChange模塊提供了一種新的特別針對注射成型加工應(yīng)用的色油計量系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的色母不同，顏料被直接加入注射成型計量區(qū)，其前端的螺桿則完全沒有顏料，從而換色時需要更換物料的螺桿長度顯著縮短，從而，與色母顏料比較，可以顯著縮短換色時間。

與此同時，所有的清潔操作在生產(chǎn)開機前設(shè)置好，具體生產(chǎn)過程中完全自動化運行，無需操作者干預(yù)。

以上筆者未特別介紹關(guān)于原料的案例，但并不代表原料企業(yè)注塑工業(yè)系統(tǒng)化發(fā)展的歷程中不重要。事實上，一些領(lǐng)先原料企業(yè)甚至是作為某些制造單元開發(fā)項目的主導(dǎo)者或關(guān)鍵合作伙伴進入這一領(lǐng)域。例如，拜耳材料科技在K 2013與克勞斯瑪菲合作展出的一次成型汽車高性能內(nèi)飾表面項目；巴斯夫在K 2013展出的連續(xù)纖維增強制造系統(tǒng)；帝人化學(xué)在CHINAPLAS 2014展出的出租汽車防護板項目等均是經(jīng)典的案例。

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自動化制造，不只是機器人就夠了，提高效率，還涉及到各種定位、裝夾、抓取的設(shè)計優(yōu)化等。

相片提供 Photo Courtesy：Hekuma

推波助瀾的“工業(yè)4.0”

隨著生產(chǎn)單元以及智能化制造理念的廣泛發(fā)展，“工業(yè)4.0”的概念自從2011年在漢諾威機床展首次與公眾見面，便迅速發(fā)展成為近幾年歐洲制造業(yè)最重要的發(fā)展方向。

塑機行業(yè)也有越來越多的供應(yīng)商推出基于“工業(yè)4.0”的新概念產(chǎn)品。僅筆者所看到的，從去年K展到今年年初，至少有4、5家歐洲塑機企業(yè)在其最新推出的產(chǎn)品中引入了“工業(yè)4.0”的概念，而阿博格在K2013及2014技術(shù)節(jié)關(guān)于“工業(yè)4.0”的展示筆者印象最為深刻。

在K 2013，阿博格通過與fpt Robotik公司共同研發(fā)的線性作業(yè)打印設(shè)備向公眾展示了這種“智能”生產(chǎn)。阿博格以單件流生產(chǎn)銘牌，將所需的靈活生產(chǎn)技術(shù)與未來項目“工業(yè)4.0”相結(jié)合。通過打印的獨一無二的QR碼可在線查看每個制件的重要過程參數(shù)。起重要作用的還有阿博格主機系統(tǒng)（ALS），它用于記錄所需的參數(shù)，并將其轉(zhuǎn)發(fā)到Web服務(wù)器。

在今年3月舉辦的阿博格技術(shù)節(jié)上，筆者親身體驗了基于“工業(yè)4.0”概念的個人定制化小車制造過程?，F(xiàn)場通過Selogica控制系統(tǒng)讀取一個個人化的芯片卡，從而產(chǎn)生一個自己小車的QR碼，每個產(chǎn)品的個性化數(shù)據(jù)在后邊獨特的分配一個加工參數(shù)，最終所有加工數(shù)據(jù)可以準確無誤的記錄在文件中。隨后，可以進行小車組裝性能檢測和速度測試，其生產(chǎn)和品質(zhì)檢測數(shù)據(jù)自動保存到阿博格的主計算機系統(tǒng)。

據(jù)阿博格介紹，在線整合的獨立加工過程還可用于改進產(chǎn)品加工并方便遠程監(jiān)控。

隨著歐洲“工業(yè)4.0”項目的持續(xù)推動，筆者認為，中國塑料工業(yè)，尤其是中國塑機工業(yè)，在過去20多年的高速發(fā)展與追趕已經(jīng)取得豐碩成果之后，如果智能化制造不能盡快推動與發(fā)展，極可能又一次拉大與國際領(lǐng)先技術(shù)的差距。

廣東聯(lián)升在CHINAPLAS 2014展出的1出8光學(xué)LED透鏡成型系統(tǒng)。

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