基于生态环境保护原则的绿色注塑机科学发展的分析研究（连载6）

张友根（宁波海达塑料机械有限公司,宁波,315200）

基于生态环境保护原则的绿色注塑机科学发展的分析研究（连载6）

张友根（宁波海达塑料机械有限公司,宁波,315200）

基于生态环境保护原则的绿色低碳循环发展方式是注塑机产品结构调整的新常态，实现“量增质更优”科学发展的指导原则。分析了基于生态环境保护原则的绿色注塑机的属性，研究了绿色注塑机的机构、结构、动力驱动系统、控制系统、成型功能等基于生态环境保护原则的特点及存在的问题和研发重点，论述了基于生态环境保护原则的绿色注塑机服务于绿色注塑工程的发展领域，指出基于生态环境保护原则的绿色注塑机科学发展持续过程中其内涵与外延也在不断地动态变化和发展。注塑机制造的未来属于有基于生态环境保护原则的创造力、创新力、新点子的不断创新创造中前进的企业。

注塑机；生态环境保护；设计；分析研究；应用技术。

（接上期）

9 基于生态环境保护原则的功能化注塑机的科学发展的分析研究

基于生态环境保护原则的功能化注塑机将成产业组织新特征，实现注塑机的个性化、多样化、差异化，推动形成绿色低碳循环发展新方式。

功能化注塑机的解决方案贯穿节约能源、提高能效、减少污染、优化能源结构、降低资源消耗等技术性能，持续提高生态环境保护的科技含量。生态环境保护原则贯穿功能化注塑机的设计，达到设备和成型两者之间科学发展的完满结合，提高功能化注塑机的生态环境保护的科学发展水平。

功能化注塑机的制造是解决两个“潜在需求”：

1）急待解决的尚不存在的可以实现塑料化的高端塑料注塑制品；

2）急待解决的尚不存在的赋予新功能的高端塑料注塑制品。

9.1 全套解决方案

基于生态环境保护原则的功能化注塑工程，不仅是注塑机本身，更强调整套解决方案。

模内贴标（IM L）为高效、环保的标签包装的绿色包装的成型技术，同时可以在贴标时注射覆盖一层阻隔层以延长食品的保质期。特别是在食品、日化、医药行业中已成为主流的包装技术。模内贴标自动化生产系统主要由注塑机、模具、标签和机械手整合而成。Engel公司全套解决方案实现绿色高速高效节能的薄壁模内贴标注塑成型，e-m otion系列全电动注塑机，注塑单元均为高动态响应性能的交流伺服电机直接驱动，交流伺服电机动态响应时间15m s实现瞬间注射速度超过500m m/s,符合薄壁注射速度要求；锁模单元也为高动态响应性能的交流伺服电机驱动，开模位置公差达到精密贴标的机械重复位置0.1m m的要求，线性导轨确保了移动模具安装模板的卓越稳定性，能够实现高水平的重复精度，提高了制品的塑料原料的利用率，降低了移模能耗；模内贴标生产系统中所包括的机械手和自动化解决方案均来自恩格尔公司内部的开发和生产，与瑞士的合作伙伴BECK公司合作开发模内贴标自动化解决方案，提高了制品的成品率和合格品的能耗；交流伺服电机独立运行，实现平行运动，缩短了成型周期；肘节与销轴的闭合润滑系统，确保所有机器运转部件获得最优、洁净的润滑效果，提高了设备的清洁成型性能；通讯接口规范化，传输速率高，数据可靠性高，通信模式灵活性满足各种工业现场总线需求，提高了系统的安全性、稳定性和持久性。实现了最高成型性能与最高能源效率的完美结合的绿色模内贴标注塑成型。e-m otion440/160注塑机，模内贴标注塑成型2型腔500m l薄壁食品容器，周期时间3秒以内。

威猛巴顿菲尔公司为用户提供全套的注塑设备，包括注塑机，机械手和自动化系统，自动化物料供给和干燥，以及称重式或体积式混料，模温控制及冷却，塑料制品物流及包装，边角料粉碎。EcoPow er全电动注塑机除了高精密和高可靠性外，还以其极高的能源效率而引人注目，而其高能效的实现，是充分利用了诸如用于控制系统和料筒加热的减速能。公司开发制造的机械手将制品从模具中取出，并将其送到集成在机器控制系统中的摄像头前进行质量检测，随后，制品被放入堆垛模块中，并按型腔分别摆放。威猛干燥机、模温机和上料机也可与机器集成在一起。DRYM AX Aton 轮式除湿干燥机，集稳定的露点、高能效和最大程度地降低维护保养成本等优势于一体。GRAVIM AX B14 计量混料设备，计量阀采用了高度智能化的结构设计，采用限流方式就可将原生纯净料和回收粉碎料混合，并通过同一计量阀得到连续不断地计量。通过提供本地化的生产及服务，大大降低了客户的生产成本，并且满足了本地客户的特殊需求。

9.2 功能化注塑成型技术的科学发展

以生态环境保护原则为纲，创新创造功能化注塑成型技术。

9.2.1 双物料夹心注塑成型技术

特塑耐TW ISHO T®双材料夹芯注射成形系统，用一套螺杆机筒两套加料装置在一次操作中同时塑化注射两种材料，成形的制品，其中一种材料完全包围另一种材料的单个制品。内核材料可用废料循环利用，用新料包核，达到降低制品成本。废料流动性差，所以采用强制加料装置。废料加料装置设置在机筒前段，固体料沿螺杆螺棱塑化，塑化的熔融料沿螺杆外周螺棱输送至机筒前腔。新料加料装置同通用注塑机，设置在机筒的后端，加入固体料沿螺杆外周塑化，塑化的熔融料进入螺杆中心内孔输送至机筒前腔。新料先塑化注射，内核的废料后塑化注射。螺杆不同于普通注射螺杆，为两段式螺杆，两段之间密封，无熔融料流动。图2为双物料夹芯注射成形系统。

图2 双物料夹芯注射成形系统

9.2.2 整套医疗塑料制品洁净室注塑成型技术

医疗塑料制品生产的特殊性，从而对加工设备提出了更为严格的要求。虽然大部分注塑机制造商对无尘室生产技术有所了解，但是要对设备制造过程及其生产环境进行相关的文件管理，这对于他们而言，却是个全新的挑战。设备制造商必须提供从原料的储存、干燥、制品成型及储存等完整的整清洁解决方案。设备供应商提供极其详尽的、连续的设备制造过程中的数据记录文件，以满足行业标准苛刻的要求。因此，对于设备生产商而言，必须从设备的设计，到制造的整个过程中，都依照相关行业标准，对过程数据进行不间断记录和归档。

洁净室生产的第一步是要明确“能满足客户需要的洁净室等级”这个概念。根据“按需而求”的原则，为不同的生产环境选择符合不同洁净室级别要求的洁净室注塑系统。

洁净度等级。目前国际上所遵循的国际标准—ISO 14644，ISO 1-9综合了美洲标准和欧洲标准（表2）。在分类中，等级数字越小，表明洁净程度要求就越高。通常，适用于注塑成型的洁净室等级为ISO-8 到ISO-6。

表2 ISO14644，ISO1-9洁净室及洁净区空气中悬浮粒子洁净度等级

中国也制定了药品生产的洁净度等级得国家标准（表3）。

表3 中国药品生产洁净室（区）的空气洁净度标准

洁净室的污染物来源包括：30%～40%来源于人，20%～30%来源于加工中所采取的工艺技术，20%～30%来源于加工设备，5%～10%来源于空气，5%～10%来源于加工过程中的气体和液体。Krauss M affei公司曾做过一个测试：在洁净室内，当操作人员坐着或站立不动时，每分钟传播的微粒数达到了100000；坐着进行适度的躯体和手臂运动时，微粒数达到了500000；交替坐着或站立时微粒数达到了1000000；正常快步行走时微粒数达到了2500000；快速行走时微粒数达到了10000000；从事安装、检修活动或更换模具时，微粒数达到了15000000～30000000。从Krauss M affei公司的测试数据，可以看到，提高注塑的自动化水平，实现无人操作，设备密闭式运行，能够最大幅度降低注塑运行对洁净室洁净度的影响。

医疗洁净室的洁净特殊性，要求主机厂商能够提供可实现洁净生产的全套成型加工方案生产线，除注塑机外还包括洁净室及周边设备等。主机厂商需与其他相关设备厂商展开广泛的联合开发和制造，共同研发洁净注塑生产线，达到注塑运行产生的微污染不影响洁净室洁净度。

N etstal对医疗用注塑机的设计和生产制订了特殊的规则和生产程序，专门设立了一个独立的洁净室注塑机生产区，由经过特殊训练的人员对洁净室用注塑机进行组装。同时，从机器一开始生产，耐驰特就立即启动内部程序，以准备必要的文件材料，这样，当机器全部组装完成时，也就自然拥有了完整的生产过程记录文档。N etstal提供的整套设备可以进行工厂验收测试（FAT）或现场验收测试（SAT）。这种检测可以是基于记录文档的对设备的视觉检查，也可采取使用客户的模具来进行的性能测试。

Krauss-M affei专门为适应洁净室而改进的、技术成熟的C系列注塑机，符合ISO 5(100)洁净室等级并经过了ISO 14644-1认证，同时也符合GM P微生物污染等级A[微生物数＜(1微生物/立方米）]的隔离系统要求。C系列注塑机一个突出特点是采用了悬臂式锁模单元，这种紧凑的悬臂式锁模单元使我们的“室入室”洁净室解决方案成为可能。也就是说，只有锁模单元可伸入洁净室区域中，其余易产生污染的部分，如电机、螺杆等仍然留在洁净室外部，并且模具的更换、修理和维护等活动也在洁净室外进行，从而有效地将污染源与洁净室隔离开来。为客户进行注塑机认证，即提供设计、安装、操作等每个认证阶段的合格文件，这些认证的测试和测量在慕尼黑工厂中进行的。提供的最优化的解决方案能够使客户的投资和运行成本最小化。

9.2.3 绿色超大型注塑件的成型技术

超大型注塑机的废弃塑料再生利用化是首要的生态环境保护的绿色化功能。

超大型塑料件对其内应力、尺寸精度等无特殊要求，实现废弃塑料再生利用的潜在的最有发展前途的领域。超大型注塑件指注塑量2万克至60万克,甚至大于100万克，主要特征是重量“超”大、外形尺寸“超”大、塑料原料消耗“超”大、成型能耗“超”大。目前，国内超大型注塑件主要是垃圾箱、检查井、托盘、路障等。近年来，国内开发的超大型注塑机主要成型加工上述制品。

目前国内开发的超大型注塑机一般都为标准化机型，主要特征是锁模力“超”大、装载功率“超”大、钢铁原材料消耗“超”大、制造成本及售价“超”大。

国内超大型注塑机开发的锁模力的规格越来越大，降低设备的钢材消耗量和装载功率，成为设备制造企业实现绿色化设计的主要目标。实现这两项目标的关键的创新注塑工程的解决方案，才能达到显著的成效。

基于生态环境保护原则的绿色大注塑设备的科学发展的研发要点:

1）创新功能化大注塑工艺解决方案，大幅度降低设备钢材资源的消耗量、动力驱动功率的装载量，实现设备制造低碳排放化，实现用户设备投资回报高效化；

2）废旧塑料在线填充混炼、复合增强，直接注塑成型，实现废旧塑料的再生化的资源节约化和原料成型低能耗化，

3）低锁模力、低注射压力、高注射速度、群腔化热流道的节能、高速注塑成型，实现成型加工低碳排放化；

4）模快化达到成型加工多能化。

9.2.3.1 绿色超大型注塑机锁模力的创新设计范围

超大型注塑件的成型加工，按常规的注塑工艺，注塑机的锁模力都要50000kN以上，甚至近100000kN。不降低注塑机的锁模力，在合模机构上，无论采用再先进的设计方法，也不可能达到大幅度降低钢材资源的消耗量及装载功率，制品业不可能实现竞争力的性价比。如果成型一个同样的注塑制品，创新成型工艺，把成型的锁模力下降三分之一，即设备的锁模力设计下降三分之一，即使采用传统的设计方法也要比CAD等先进设计方法取得的节约钢材资源消耗量的效果更显著。通过技术的创新创造，同比通用型超大型注塑机，达到成型同样的超大型塑料件，装载功率低、能耗低、投资小、资源消耗低。超大型注塑机应定位在能实现超大型注塑制品的成型加工的范畴，注塑制品再大，其锁模力不应超过30000kN。研发废旧高分子材料的混炼复合材料成型注塑制品。

开发注射-压缩、注射-微发泡、注塑-松张等成型工艺，降低成型锁模力；开发自锁模模具，大幅降低对注塑机的锁模力的要求；开发群组模外热流道，大幅降低对注塑机的注射压力及成型锁模力的要求；开发蓄能器注射的高速注射的节能断裂强度系统，降低注塑机的液压动力驱动的装载功率；开发独立的混炼型的挤注复合系统，提高回料/废料的成型能力，缩短成型周期。

德国的M BM机械曼多夫股份公司长期来专门研制废料回收利用注塑超大型制品的生产线，设备锁模力只有一种15000kN的规格，但能成型现有的重量7万克、投影面积12000cm 2(120cm×100cm)的玻纤复合材料的超大型托盘、铁路枕木、垃圾箱等制品，闻名于世界，占有绝对的主导权和话语权。成型同类产品的标准型（普通型）的注塑机，锁模力需30000kN以上。

9.2.3.2 绿色超大型注塑机的机构/结构的“超大型”设计理念的创新

超大型注塑机的开发不能走通用化的中、小型注塑机的系列化、标准化的理念。不论何种机构、结构、型式，具有基本注塑成型特点能成型加工超大型塑料件的注塑机即为超大型注塑机，锁模力不能作为超大型注塑机的衡量标志，衡量标志是超大型注塑件的成型加工的能力。

9.2.3.3 绿色超大注塑设备开发实例的分析研究

天津市岱曼得科技发展有限公司开发功能化的15000kN锁模力的垃圾箱注塑机，整机装载功率170kW，其中液压动力驱动系统的电机功率仅37kW、塑化电机功率45kW，整机重量33吨，整套设备包括模具的制造成本仅160万。8点热流道注射，降低了塑化熔融温度，达到降低制品冷却时间；注射速度达到5000cm 3/s；塑化不占用成型周期时间。成型重10.7kg 的242L垃圾箱，周期4.5m in。容模宽度不受限制，可以安装600L垃圾箱模具，注射容量可满足600L垃圾箱21.6kg重量的要求。通过增加模外热流道注射点，可调节制品成型的锁模力。在模具上增加锁模器数量，可增加锁模力。在15000kN锁模力工况下，通过增加热流道注射点，可满足600L垃圾箱的模具锁紧的成型条件。根据此锁模原理，可满足40000kg重量以下的普通精度的塑料制品的注射成型。挤出塑化及柱塞注射，降低了对成型原料流动性能的要求，用100%的回料成型。整机重量、装载功率分别为成型同类塑料垃圾箱的通用注塑机的1/4～1/5、2/5～1/2，大幅降低了钢材资源的利用，减少了碳排放。设备的高性价比大幅缩短了用户的投资回报期。塑料垃圾箱的附加值不高，设备的投资成本高，如242L的垃圾箱，28000kN锁模力的通用注塑机才能达到成型加工要求，而且不能用100%的回收料成型，这种规格的通用注塑机及模具的投资需约500万，设备装置功率约450kW，加工企业需进行电网扩容才能满足动力要求。如成型600L、1000L的塑料垃圾箱，加工企业的投入多得多，难以实现短期内投资回报，用户得不到实惠，也不可能投资，阻碍了环保事业的发展。

德国Ettlinger 公司，根据超大型检查井塑料件的特点，科学确定二板注塑机的结构和技术参数，研发两种规格的超大型二板注塑机：锁模力20000kN、注塑容量130000cm3；锁模力30000kN、注塑容量160000cm 3。占地面积仅为13.8m×3.5m。10m in内完成重量90kg的检查井的生产。塑化能耗低于每千克1kW/h。根据检查井的壁厚大、冷却时间长的成型特点，采用直径70m m挤出塑化螺杆，挤出率150g/s，间断性工作。液压系统动力驱动系统为变量泵，达到系统的运动部件起动平稳和节能，制品冷却、保压的工序中，关闭变量泵国内研发的注塑成型加工检查井的超大型二板注塑机，锁模力60000kN以上，占地面积24m×4m以上。

上述两个例子比较说明，成型同一种超大型塑料件，两种设备的制造成本、资源消耗、能量消耗、环境成本等天差地远，不可相比。加强注塑成型工艺的研究，开发功能化的超大型注塑机，才能降低用户的投资成本及赢得市场。

9.2.4 高速高效低碳排放的绿色注塑成型技术

高速高效成型的生态环境保护主要特点：降低单位制品重量的能耗；降低成型设备的数量，达到降低钢材资源的消耗、制造能耗、物流能耗等。

注塑机欧洲标准把循环周期作为考核高速高效成型性能的重要指标。循环周期直接与设备的动力驱动的装载功率关联。国内片面强调单机制造成本，注塑机标准中回避这一生态环境保护的性能指标，在这种理念的指导下，动力驱动的装载功率被不合理的降低， 生产效率明显低于欧、日注塑机，造成了资源的极大浪费，明显缺乏竞争优势。例如，成型96腔的瓶盖，国际上先进的注塑设备的最短成型周期仅1.3s，国内注塑机能达到3s已不错了，就是说，国内至少两台注塑设备才能达到国际上先进的一台注塑设备的生产率，而前者两台注塑设备远大于后者一台注塑设备的装载功率、成型能耗、生产成本、制造的资源消耗、物流消耗等。国内注塑机年产量约6万台，如生产效率提高1/3，则4万台可实现6万台的生产量，可减少2万台生产量，以每台制造的钢材5吨计算，可节约钢材10万吨；以世界吨钢碳排放量2.2吨计算，每年可减少碳排放22万吨。

9.2.4.1 高速高效绿色化成型与装载功率

高速高效绿色化成型设计上，能耗上强调能量效率。运行速度取决于装载功率，装载功率低的配置不可能达到装载功率高的配置的运行速度。

9.2.4.2 高塑化能力的绿色设计

塑化工序占成型周期的40～70%。缩短塑化时间是高速高效绿色化成型设计的关键，加大螺杆直径是缩短塑化时间最有效的设计。国内注塑机为降低制造成本，往往采用较小直径的螺杆，这样可降低驱动功率及配置元件的成本。

9.2.4.3 模具与成型效率

模具的成型性能是实现高速高效绿色化成型的关键。特别强调成型周期的薄壁类食品包装容器、瓶盖类、PET瓶坯类等成型工艺中，实现无冷却工序成型，技术关键是模具的科学进步。例如，成型96腔的瓶盖，从1.9s的周期缩短到1.3s，靠模具冷却性能的技术设计进步而实现的。

9.2.4.4 并行运行与成型周期

整个循环周期中，使有关工序并行运行，达到缩短循环周期。薄壁类食品包装容器、瓶盖类、PET瓶坯类等成型设备，采用各成型工序可独立运行的全电动注塑机，达到并行运行的功能。大型厚壁制品注塑成型，冷却工序时间和塑化时间占成型周期较大百分比，注塑部件设计为挤注复合型，塑化采用不占用系统动力的独立变频电机驱动，实现塑化在整个成型周期中不间断运行，不占用成型周期的时间，达到大幅缩短成型周期。广东伊之密精密机械有限公司48A-PET瓶坯注塑机，成型系统采用塑化与注射、开合模、顶出、机械手取出等工序的同步平行回路控制系统；多工位带冷却的取坯机械手；群腔瓶坯成型模具。通过以上科学的手段，大大缩短了成型周期，达到了高速节能生产。现场展示的48腔PET瓶坯成型加工，周期12s,每小时最大产能达到14400个，达到低成本高产出。

9.2.5 绿色挤注复合型塑化注射技术

挤注复合型塑化注射结构起源于欧洲。挤注复合型塑化注射结构，塑化由挤出螺杆完成、注射由柱塞完成。

9.2.5.1 杂混废旧塑料高附加值的挤注复合型的塑化注射技术

绝大多数废塑料为含有ABS、PP、PS、PE等不同成分的杂混型，使杂混废塑料能再生高强度复合基塑料原料方面取得突破，回收利用成型市场急需的特定的塑料制品，成为“无害化、减量化、资源化”的塑料永续应用的绿色化塑料工程的科学发展的重要组成部分。泰瑞机器股份有限公司瞄准这一领域，2013年与高校联合开发出挤注复合型的塑化注射机构，解决了杂混废塑料复合材料回收中性能不同的多种树脂材料复合混炼的技术难关，直接注射成型为大型托盘、连体阴井等新型产品，达到高效处理和高附加值的绿色化应用，带动了包装、运输、能源、建筑、市政环卫等行业的科学发展。

9.2.5.2 挤注复合型塑化注射与资源节约型成型工艺相结合的成型技术

创新创造废料回收再生的复合注塑成型技术，实现资源永续利用，降低超大型注塑件的成型加工成本。运用注射-压缩、气体发泡注塑、废旧料在线混炼增强注塑、注射-模压等成型加工工艺及其组合于超大型注塑件的复合成型加工技术。德国M BM机械曼多夫股份公司的LCM 15050超大型注塑机，把注射-压缩和废旧料在线混炼增强注塑的两中工艺结合起来，将预先选好的废塑料经输送带送入破碎机，破碎料和玻璃纤维在混炼箱中被切断并和破碎料混合压实，混炼料进入挤出机塑化混炼并排气，在供应给注塑装置中，熔体进入部分关闭的模具中，注射结束，模具完全合紧，压实模腔中熔料，使材料均匀分布，成品冷却后取出模腔。

（未完待续）

The analysis and research on the scientific development for green injection molding machine based on the principle of ecological environment protection(Serial 6)

Zhang You-gen (Ningbo haida plastic machinery co., LTD.Ningbo 315200)

Green low carbon development mode of ecological environmental protection based on the principle of structural adjustment is the new normal injection molding machine products, guiding principles for achieving "growth better quality" of the scientific development.Are analyzed based on the principle of ecological environmental protection green, the properties of injection molding machine, studied the mechanism, structure, green plastic injection machine driving system, control system, such as molding function based on the characteristics of the ecological environment protection principle and the existing problems and the research and development are discussed based on the principle of ecological environmental protection green injection molding machine in the service of the development of green molding engineering field, pointed out that based on the principle of ecological environmental protection green injection molding machine continuously in the process of its connotation and denotation of scientific development is in constant dynamic change and development.Injection molding machine to make the future belongs to have based on the principle of ecological environmental protection creativity, innovation, move forward in the continuous innovation to create new ideas of enterprise.

injection molding machine； ecological environment protection； Design； Analysis and research；Application technology.