注射技術(shù)的系統(tǒng)化創(chuàng)新：無(wú)人化、自動(dòng)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(gè)性化應(yīng)用開發(fā)的系統(tǒng)化解決方案成為市場(chǎng)的熱點(diǎn)。在這些系統(tǒng)開發(fā)過(guò)程中，一方面新型注射技術(shù)、模具技術(shù)，以及自動(dòng)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(diǎn)中的熱點(diǎn)。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(jìng)爭(zhēng)實(shí)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(qiáng)調(diào)智能化制造，為制造工業(yè)帶來(lái)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(dāng)今各種大型展覽會(huì)上，無(wú)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(shí)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(lái)越復(fù)雜，功能越來(lái)越豐富；另一方面，中國(guó)供應(yīng)商，也從最初以模內(nèi)貼標(biāo)制造單元展示為主，開始推出針對(duì)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(lái)與非發(fā)泡產(chǎn)品無(wú)異。現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的制件采用結(jié)構(gòu)發(fā)泡技術(shù)，是一個(gè)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(shí)得到具有極優(yōu)表面質(zhì)量的產(chǎn)品。在展會(huì)上，一臺(tái)高效的全電動(dòng)EcoPower 240/1330 被用于這一制件生產(chǎn)。

在CHINAPLAS2014現(xiàn)場(chǎng)，百塑展示了智能型無(wú)人化整合系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)演示生產(chǎn)雙色螺絲起子。整個(gè)生產(chǎn)單元整合了兩臺(tái)立式注塑機(jī)和一臺(tái)臥式注塑機(jī)，雙色注塑，并現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)包裝盒。起子鐵芯先移至1號(hào)機(jī)臺(tái)(立式圓盤注塑機(jī)V3-2R-55T)進(jìn)行第1色成型，第1色成品移至2號(hào)機(jī)臺(tái)（立式單滑板注塑機(jī)V4-S-55T）進(jìn)行第2色注塑，臥式直壓注塑機(jī)SM-90T生產(chǎn)出包裝盒，最后，成品經(jīng)過(guò)CCD影像檢測(cè)后，置入包裝?！?strong>現(xiàn)在生產(chǎn)單元供貨需求越來(lái)越多，無(wú)人化、自動(dòng)化生產(chǎn)單元的需求趨勢(shì)明顯。”百塑企業(yè)股份有限公司總經(jīng)理吳正煒說(shuō)。

廣東聯(lián)升在CHINAPLAS現(xiàn)場(chǎng)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(jī)，射速達(dá)500mm/s，現(xiàn)場(chǎng)采用光學(xué)級(jí)PC生產(chǎn)4寸手機(jī)導(dǎo)光板，制品厚度0.5mm。聯(lián)升并現(xiàn)場(chǎng)展出1出32專業(yè)醫(yī)療注塑系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)以PET樹脂生產(chǎn) 12×100采血管；同場(chǎng)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(gè)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(jī)、模具、輔助設(shè)備、自動(dòng)化系統(tǒng)等技術(shù)。因此，并不奇怪，一套滿足高效率、高性價(jià)比、高可靠性的系統(tǒng)，得益于構(gòu)成系統(tǒng)的每一個(gè)環(huán)節(jié)的優(yōu)化。

一個(gè)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的組成

LIPA合作項(xiàng)目是一個(gè)針對(duì)采用連續(xù)纖維增強(qiáng)的高級(jí)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(tuán)隊(duì)。不久前看到帝斯曼加盟LIPA合作項(xiàng)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(xiàng)目伙伴和支持伙伴。

項(xiàng)目伙伴包括：Georg Kaufmann，負(fù)責(zé)加工過(guò)程開發(fā)，工程化，模具構(gòu)造；Quadrant Plastics Composite負(fù)責(zé)零件設(shè)計(jì)，有機(jī)板生產(chǎn)，材料選擇和設(shè)計(jì)；Kistler Instrumente AG負(fù)責(zé)加工監(jiān)控，傳感器技術(shù)，軟硬件評(píng)估。

支持伙伴包括：克勞斯瑪菲提供注射機(jī)；庫(kù)卡提供機(jī)械手；Institut für Leichtbau und Kunststoff-technik, TU Dresden 負(fù)責(zé)零件設(shè)計(jì)，材料和零件測(cè)試；Borealis 負(fù)責(zé)材料和模擬；帝斯曼負(fù)責(zé)材料和模擬。

從這樣一個(gè)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的組成可以看出，建設(shè)一套強(qiáng)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(gè)看似簡(jiǎn)單的產(chǎn)品制造系統(tǒng)，需要從原料，注射機(jī)，輔助設(shè)備到自動(dòng)化系統(tǒng)，甚至包括終端用戶，整個(gè)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(jī)

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(jī)才能制造可靠的生產(chǎn)單元系統(tǒng)？

海天集團(tuán)的研究表明，能有效實(shí)現(xiàn)注塑過(guò)程中核心功能的標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)型以其高效的優(yōu)勢(shì)將在復(fù)雜的應(yīng)用和自動(dòng)化過(guò)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(shí)候人們會(huì)很容易地把事情變得過(guò)于復(fù)雜?！焙Ｌ靽?guó)際戰(zhàn)略總監(jiān)Franz教授說(shuō)道，并給出了現(xiàn)有客戶的一個(gè)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(qiáng)企業(yè)，他們?cè)诳偣?個(gè)高度自動(dòng)化的生產(chǎn)單元中進(jìn)行塑料部件的生產(chǎn)。每個(gè)生產(chǎn)單元都配有一臺(tái)海天天隆機(jī)器。因?yàn)榭蛻魧?shí)施零庫(kù)存的戰(zhàn)略，所以他們的主要要求是機(jī)器的正常運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)、節(jié)能，且能實(shí)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(guò)程本身可由中高端的注塑機(jī)來(lái)完成,因此，選擇天隆系列是極為合適的。我們的機(jī)器可與上下游設(shè)備自動(dòng)化應(yīng)用相結(jié)合——他們大概都為3,000噸左右的規(guī)格——機(jī)器現(xiàn)在已經(jīng)穩(wěn)定可靠地運(yùn)行了兩年。”

自動(dòng)化技術(shù)優(yōu)化

與上述注射機(jī)技術(shù)相似，自動(dòng)化技術(shù)同樣未必一定要最先進(jìn)的機(jī)械手才可以實(shí)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(dòng)化系統(tǒng)優(yōu)化對(duì)成型周期影響的制造單元。阿博格通過(guò)這一案例展示，對(duì)于中批量和大批量注射生產(chǎn)，并非必須使用專門的自動(dòng)化系統(tǒng)。

阿博格特別展示了一臺(tái)具有新的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性的伸入式機(jī)器人系統(tǒng)，以證明標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)器人系統(tǒng)同樣可以減少取件時(shí)間并相應(yīng)的減少循環(huán)周期?，F(xiàn)場(chǎng)展出一個(gè)包裝件的生產(chǎn)。兩個(gè)6.4g的PP盆（tubs）的生產(chǎn)周期只有3.6s。與標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)器人系統(tǒng)比較，其動(dòng)作時(shí)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(dòng)化系統(tǒng), 尤其是在汽車、消費(fèi)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(jī)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(shí)改進(jìn)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(dòng)化系統(tǒng)，包括從模具中取出制品以及檢測(cè)控制和輸送產(chǎn)品。

使用自動(dòng)化系統(tǒng)不僅可以增加速度，高精度的取出機(jī)械手和輸送系統(tǒng)還可以完成品質(zhì)控制的需求，強(qiáng)化整個(gè)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(huì)進(jìn)入生產(chǎn)環(huán)節(jié)，無(wú)需另外花費(fèi)人力去分揀。Hekuma制造的光學(xué)控制系統(tǒng)可以確保快速的反應(yīng)時(shí)間，可用于迅速發(fā)現(xiàn)潛在的問(wèn)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(biāo)就是在系統(tǒng)的生命周期內(nèi)重復(fù)經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)出一致的產(chǎn)品。注塑系統(tǒng)中的可變性可能來(lái)自于機(jī)器、模具、熱流道、工藝、輔機(jī)、原料及其準(zhǔn)備。其中每一項(xiàng)如何幫助實(shí)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(duì)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(jì)，簡(jiǎn)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(bǔ)充，赫斯基近期的改進(jìn)關(guān)注點(diǎn)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(jìn)都試圖消除注塑系統(tǒng)中來(lái)源于熱流道的可變性以實(shí)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(duì)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(yán)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(guò)電伺服馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的單一閥板相連。這樣可實(shí)現(xiàn)閥針100%的同步并允許使用其他先進(jìn)的成型工藝技術(shù)，如通過(guò)控制閥針運(yùn)動(dòng)速度曲線來(lái)減少磨損從而延長(zhǎng)澆口壽命。全閥針同步可消除閥針運(yùn)動(dòng)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(gè)典型特征。輔助設(shè)備不只是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)單元、高精度過(guò)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(jì)性的重要途徑。甚至于，主機(jī)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(jì)性兼具的解決方案是住友德馬格在K 21013針對(duì)包裝展示的一個(gè)重要應(yīng)用。新的Systec SP為首次面向?qū)I(yè)觀眾展出。在該機(jī)器本身的注射特性之外，這家位于日本、德國(guó)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(jì)量技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)極短的換色時(shí)間。

現(xiàn)場(chǎng)展示的一臺(tái)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(shí)可以生產(chǎn)超過(guò)15萬(wàn)個(gè)瓶蓋。為了確保加工過(guò)程的高穩(wěn)定性以及實(shí)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(cè)系統(tǒng)。

ActiveColourChange模塊提供了一種新的特別針對(duì)注射成型加工應(yīng)用的色油計(jì)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(jì)量區(qū)，其前端的螺桿則完全沒(méi)有顏料，從而換色時(shí)需要更換物料的螺桿長(zhǎng)度顯著縮短，從而，與色母顏料比較，可以顯著縮短換色時(shí)間。

與此同時(shí)，所有的清潔操作在生產(chǎn)開機(jī)前設(shè)置好，具體生產(chǎn)過(guò)程中完全自動(dòng)化運(yùn)行，無(wú)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(shí)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(xiàng)目的主導(dǎo)者或關(guān)鍵合作伙伴進(jìn)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(xiàng)目；巴斯夫在K 2013展出的連續(xù)纖維增強(qiáng)制造系統(tǒng)；帝人化學(xué)在CHINAPLAS 2014展出的出租汽車防護(hù)板項(xiàng)目等均是經(jīng)典的案例。

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自動(dòng)化制造，不只是機(jī)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(jì)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(jī)床展首次與公眾見(jiàn)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(jī)行業(yè)也有越來(lái)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(jī)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(guò)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(lái)項(xiàng)目“工業(yè)4.0”相結(jié)合。通過(guò)打印的獨(dú)一無(wú)二的QR碼可在線查看每個(gè)制件的重要過(guò)程參數(shù)。起重要作用的還有阿博格主機(jī)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(yàn)了基于“工業(yè)4.0”概念的個(gè)人定制化小車制造過(guò)程。現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)Selogica控制系統(tǒng)讀取一個(gè)個(gè)人化的芯片卡，從而產(chǎn)生一個(gè)自己小車的QR碼，每個(gè)產(chǎn)品的個(gè)性化數(shù)據(jù)在后邊獨(dú)特的分配一個(gè)加工參數(shù)，最終所有加工數(shù)據(jù)可以準(zhǔn)確無(wú)誤的記錄在文件中。隨后，可以進(jìn)行小車組裝性能檢測(cè)和速度測(cè)試，其生產(chǎn)和品質(zhì)檢測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)保存到阿博格的主計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

據(jù)阿博格介紹，在線整合的獨(dú)立加工過(guò)程還可用于改進(jìn)產(chǎn)品加工并方便遠(yuǎn)程監(jiān)控。

隨著歐洲“工業(yè)4.0”項(xiàng)目的持續(xù)推動(dòng)，筆者認(rèn)為，中國(guó)塑料工業(yè)，尤其是中國(guó)塑機(jī)工業(yè)，在過(guò)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(dòng)與發(fā)展，極可能又一次拉大與國(guó)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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