Процес на шприцване на пластмаса чрез раздуване

Шприцването на пластмаси е интегрирана технология за производство на кухи продукти, която съчетава шприцване и раздувно формоване. С предимствата на висока прецизност, високо уплътнение и ниска консумация на енергия, то се е превърнало в основен метод за формоване в областите на висок клас опаковки като медицина, храни и козметика. Този процес постига еднократно формоване от пластмасови частици до готови кухи контейнери чрез непрекъснат процес на шприцване на заготовка и раздувно формоване, ефективно решавайки проблемите с недостатъчната прецизност и прекомерните изкривявания в традиционните процеси на раздувно формоване. С напредъка на материалните технологии и интелигентното оборудване, технологията за шприцване се развива към по-голяма ефективност, прецизност и екологичност, подкрепяйки мащабното производство на висок клас кухи продукти.

1. Основни принципи и технологични предимства на процеса на инжекционно издухване

Основният принцип на процеса на шприцване на пластмаси е двуетапният метод на шприцване - шприцване на заготовка + шприцване чрез раздуване. Той съчетава непрекъснатата операция на шприцване на заготовка и кухо раздуване чрез едно и също оборудване, като се избягва вторично замърсяване и загуба на точност при транспортиране на заготовката, характерни за традиционния процес на шприцване чрез раздуване. Същността на процеса е да се използва пластичността на пластмасовата стопилка, като първо се формира тръбна заготовка с определена форма и дебелина на стената чрез шприцване, а след това се използва налягането на сгъстен въздух за разширяване и оформяне на термопластичната заготовка във формата, като в крайна сметка се получава кух продукт, съответстващ на кухината на формата.

Основният етап от технологичния процес

Целият процес на технологията за шприцване е разделен на три ключови етапа: етапът на шприцване е основата. В шприцформата пластмасовите частици се нагряват и стопяват от цилиндъра с материала, след което се инжектират в кухината на формовъчната форма под високо налягане чрез шнек, образувайки тръбна формовъчна форма (преформа) с единия затворен край и другия отворен край. Дебелината на стената и точността на размерите на формовъчната форма пряко влияят върху качеството на крайния продукт. Този етап изисква прецизен контрол на налягането при шприцване (обикновено 50-100 МПа) и температурата (регулирана според материала, например ПП при 180-220 ℃); етапът на раздуване е ключът към формоването. Преформата се върти или движи с формата към станцията за раздуване. След като формата за раздуване е затворена, през отворения край на преформата се вкарва сгъстен въздух под високо налягане (налягане 0,5-3 МПа), за да разшири горещата преформа радиално и плътно да прилепне към вътрешната стена на формата за раздуване. В същото време системата за охлаждане на формата бързо се охлажда, за да се втвърди и оформи продуктът. Налягането при формоване чрез раздуване и времето за задържане трябва да съответстват на размера на продукта, а големите контейнери изискват по-високо налягане и по-дълго време за задържане; Етапът на изваждане от формата и изваждане е последният етап. След отваряне на формата за формоване чрез раздуване, готовият продукт се изважда от нея чрез ежекторния механизъм, завършвайки производствения цикъл. За продукти с резба или сложни структури е необходимо да се проектира специален механизъм за изваждане от формата, за да се избегне деформация.

Технологични предимства в сравнение с традиционното майсторство

В сравнение с традиционните процеси като екструдиране чрез раздуване и шприцване чрез раздуване (двуетапен метод), шприцването има значителни предимства: високата точност на формоване е най-важната характеристика. Шприцването и раздуването на заготовката се извършват в едно и също оборудване и няма вторично транспортиране на заготовката. Грешката в размера може да се контролира в рамките на ± 0,1 мм, особено за продукти с резбовани отвори за бутилки. Точността на резбата може да достигне ниво 6 по Великобритания/T 197, което гарантира уплътняване; Качеството на продукта е стабилно, а равномерността на дебелината на стената на заготовката е добра (отклонение ≤ 5%). След раздуване продуктът няма грапавини или видими линии на формоване, а гладкостта на повърхността е висока (Ра ≤ 0,05 μm), без да е необходимо последващо оформяне; Висока производствена ефективност, използването на многостанционно въртящо се оборудване може да постигне непрекъснато производство. Производственият цикъл на еднорежимното кухинообразуване е 10-30 секунди, а производственият капацитет на многорежимното кухинообразно оборудване (като например 8-кухиново и 12-кухиново) може да достигне хиляди бройки на час; Висок коефициент на използване на материала, без генериране на отпадъци, с коефициент на използване на материала над 95%, по-висок от екструдирането чрез раздуване (около 85%); Отлични уплътнителни характеристики, безшевна еднокомпонентна гърловина на бутилката, съчетана с прецизен дизайн на резбата, може да постигне висока херметичност и да отговори на изискванията за защита от изтичане на течни опаковки.

2. Основно оборудване и критични системи

Внедряването на процеса на шприцване на пластмаси разчита на специализирани машини за шприцване и поддържащи системи. Производителността на оборудването пряко определя стабилността на процеса и качеството на продуктите. Основното оборудване се състои от система за шприцване, система за шприцване чрез раздуване, система за затягане на матриците, система за индексиране и система за управление.

Структурен състав на машина за шприцване

Системата за шприцване е ядрото на формирането на преформата, включваща бункер, шнек, цилиндър и дюза. Бункерът съхранява изсушените пластмасови частици и ги подава точно чрез измервателно устройство; Шнекът е проектиран с постепенно съотношение на компресия (коефициент на компресия 3-5:1), за да гарантира, че пластмасата е напълно разтопена и пластифицирана, а скоростта може да се регулира (50-150 об/мин), за да се контролира качеството на пластификация; Цилиндърът с материала се нагрява на секции (обикновено 3-5 секции) и температурата постепенно се увеличава от секцията за подаване към дюзата, за да се адаптира към процеса на топене на пластмасата; Дюзата е тясно свързана с главния канал на матрицата, за да се предотврати изтичане на стопилка, а отворът на дюзата е проектиран според размера на заготовката (обикновено 3-8 мм).

Системата за формоване чрез раздуване е отговорна за оформянето на продукта и се състои от форми за формоване чрез раздуване, системи за контрол на налягането на въздуха и охладителни системи. Формите за формоване чрез раздуване са изработени от високоякостни легирани материали (като например стомана за формоване 718H), а кухината на формата е огледално полирана, за да се осигури гладка повърхност на продукта. За продукти с неправилна форма е необходимо да се проектират канали за изпускане, за да се избегнат въздушни мехурчета; Системата за контрол на налягането на въздуха регулира налягането на формоването и времето на задържане чрез прецизни клапани и изисква висока стабилност на налягането (колебание ≤ ± 0,05 МПа); Охлаждащата система се охлажда бързо през циркулиращия воден канал вътре във формата, което представлява 40% -60% от цикъла на формоване. Водният канал е на 15-25 мм от повърхността на кухината на формата, за да се осигури равномерно охлаждане.

Системата за затягане и преместване осъществява превключване между работните станции, а затягащата система осигурява заключваща сила (обикновено 50-300kN в зависимост от размера на продукта), за да предотврати разширяването на матрицата по време на шприцване и раздуване; Системата за преместване (ротационна или линейна) прехвърля заготовката от станцията за шприцване към станцията за раздуване. Точността на ротационното преместване достига ± 0,05 мм, осигурявайки прецизно свързване между заготовката и матрицата за раздуване. Времето за преместване може да се контролира в рамките на 1-2 секунди, намалявайки охлаждащия ефект на заготовката.

Системата за управление използва ПЛК (програмируем логически контролер), комбиниран със сензорен екран, за да се постигне цифрова настройка на параметри и наблюдение в реално време. Тя може да съхранява множество набори от параметри на процеса (за различни продукти), да поддържа дистанционна диагностика и проследяване на данни. Висококачественото оборудване е оборудвано и със система за визуална проверка за онлайн откриване на дефекти на продукта и автоматично елиминиране на несъответстващи продукти.

3. Изисквания за характеристиките на суровините и адаптиране на процеса

Процесът на шприцване има специфични изисквания за характеристиките на топене, якостта на стопилката и характеристиките на охлаждане и формоване на суровините. Не всички пластмаси са подходящи за този процес и изборът на материал трябва да бъде цялостно преценен въз основа на изискванията за производителност на продукта и характеристиките на процеса.

Основни приложими материали и характеристики

Полипропиленът (ПП) е най-често използваният материал в процеса на шприцване, като представлява над 60% от общото количество шприцвани продукти. ПП има отлична течливост на стопилката и умерена якост на стопилката, добра формовъчност на шприцваните заготовки, равномерно разширение по време на шприцване, бърза скорост на охлаждане и кратък цикъл на формоване (10-20 секунди). ПП с хранителен клас отговаря на стандартите FDA и Великобритания 4806.7, нетоксичен е и без мирис, подходящ е за бутилки за опаковане на храни (като бутилки за подправки, бутилки за мед), бутилки за фармацевтични опаковки (като бутилки за перорални лекарства), а неговата химическа и температурна устойчивост (температура на непрекъсната употреба от 100 ℃) е подходящ и за ежедневни химически продукти, като бутилки за перилни препарати.

Полиетиленът (Специалист по икономически въпроси) се разделя на HDPE и LDPE. HDPE, поради високата си кристалност и добра твърдост, е подходящ за производство на контейнери с голям капацитет чрез шприцване (като химически бутилки от 5-20 литра) и има добра устойчивост на удар и химическа корозия; LDPE има добра гъвкавост и висока якост на стопилка, което го прави подходящ за тънкостенни продукти и продукти с малък капацитет (като козметични бутилки за проби), но скоростта на охлаждане е по-бавна, а цикълът на формоване е малко по-дълъг от този на ПП.

Поли(етилен терефталатът) (ПЕТ) е подходящ за висококачествени прозрачни опаковки. Светлопропускливостта на ПЕТ продуктите, получени чрез шприцване, е над 90%, с висок повърхностен блясък, отлична механична якост и добра химическа устойчивост. Той се използва широко в бутилки за козметика (като бутилки за есенции) и бутилки за здравни продукти. ПЕТ обаче има силна влагоабсорбция и изисква строго сушене (съдържание на влага ≤ 0,005%) преди обработка. Температурата на шприцване може да достигне 270-290 ℃, което изисква висока прецизност при контрола на температурата на оборудването.

Поликарбонатът (компютър) се използва за направата на прозрачни контейнери с висока якост (като бутилки за медицинско оборудване и бебешки бутилки) поради добрата си прозрачност и силна удароустойчивост. Продуктите, получени чрез шприцване на компютър, могат да се използват непрекъснато при температури до 120 ℃, но цената е висока и по време на обработката е необходимо добавяне на антиоксиданти, за да се предотврати разграждането при висока температура.

Други специални материали, като полиамид (Пенсилвания), са подходящи за маслоустойчиви контейнери, докато полистирен (П.С.) се използва за бутилки за медицински проби за еднократна употреба. Тези материали изискват регулиране на параметрите на процеса според техните характеристики, като например Пенсилвания, изискващ по-високи температури на шприцване (230-260 ℃) и по-дълго време за охлаждане.

Изисквания за ключови показатели за ефективност на материалите

Процесът на шприцване има строги изисквания за скоростта на течене на стопилката (МФР) на материала, обикновено контролирани на 5-25g/10min (190 ℃/2.16kg). Ако МФР е твърде висок, това ще доведе до недостатъчна якост на заготовката и лесно счупване по време на раздувното формоване; Ако МФР е твърде нисък, течливостта на стопилката е лоша и шприцовите заготовки са склонни към недостиг на материал или следи от заварки. Якостта на стопилката е ключов показател в етапа на раздувното формоване, отнасящ се до способността на стопилката да устои на разтягане и разширяване. Недостатъчната якост на стопилката може да доведе до свиване или напукване на заготовката по време на раздувното формоване. Якостта на стопилката на ПП и Специалист по икономически въпроси е умерена и подходяща за шприцване; ПВЦ стопилката обаче има ниска якост и трябва да бъде модифицирана, преди да може да се използва в процесите на шприцване. Скоростта на охлаждане и формоване влияе върху ефективността на производството. Кристалните пластмаси (ПП, Специалист по икономически въпроси) имат бърза скорост на охлаждане и кратък цикъл на формоване; скоростта на охлаждане на аморфните пластмаси (компютър, ПЕТ) е бавна и дизайнът на охладителната система трябва да бъде оптимизиран.

4. Контрол на параметрите на процеса и оптимизация на качеството

Основното в контрола на качеството при процеса на шприцване е прецизното регулиране на ключови параметри, намаляването на дефектите на продукта, осигуряването на точност на размерите и стабилност на производителността. Настройките на параметрите трябва да се регулират динамично според размера на продукта, характеристиките на материала и структурата на матрицата.

Принципи за регулиране на ключови параметри на процеса

Параметрите на инжектиране влияят пряко върху качеството на заготовката: температурата на инжектиране трябва да се настрои според точката на топене на материала. Температурата на ПП цилиндъра обикновено е 180-200 ℃ в предната част, 200-220 ℃ в средната част и 210-230 ℃ в дюзата. Ако температурата е твърде висока, материалът ще се разгради (например ПЕТ ще пожълтее), а ако температурата е твърде ниска, пластификацията ще бъде неравномерна и заготовката ще има студени петна; Налягането на инжектиране трябва да съответства на сложността на заготовката, като налягането е 80-100 МПа за малки прецизни заготовки (като фармацевтични бутилки) и 50-70 МПа за големи груби заготовки (като химически бутилки). Налягането на задържане трябва да бъде 60% -80% от налягането на инжектиране, за да се гарантира, че заготовката е плътна и без мехурчета; Скоростта на инжектиране се контролира на секции, с начална бавна скорост, за да се предотврати пръскане на стопилката, средна секция, която бързо запълва кухината на формата, и последна секция, която бавно поддържа налягането, за да се намали вътрешното напрежение.

Параметрите на формоването чрез раздуване определят качеството на формоването на продукта: Налягането при формоване чрез раздуване трябва да се регулира според обема на продукта и дебелината на стената. За тънкостенни продукти с малък капацитет (като козметични бутилки от 100 мл), налягането е 1,5-2,5 МПа, а за дебелостенни продукти с голям капацитет (като химически бутилки от 5 литра), налягането е 2,5-3,5 МПа. Недостатъчното налягане може да доведе до недостиг на материал или повърхностно вдлъбване на продукта, докато прекомерното налягане може лесно да причини разкъсвания; Времето за формоване чрез раздуване включва време за напомпване и време за задържане. Времето за напомпване трябва да гарантира, че заготовката е напълно прикрепена към формата (обикновено 0,5-2 секунди), а времето за задържане трябва да е достатъчно за охлаждане и оформяне на продукта (обикновено 2-5 секунди). Недостатъчното време за задържане може да причини свиване и деформация на продукта; Времето за забавяне при формоване чрез раздуване (времето от прехвърлянето на заготовката към станцията за формоване чрез раздуване до началото на напомпването) трябва да бъде сведено до минимум, за да се предотврати охлаждането на заготовката и втвърдяването ѝ за напомпване. Обикновено се контролира в рамките на 1-3 секунди.

Параметрите на охлаждане влияят върху ефективността на производството и точността на размерите: температурата на формата трябва да се настрои според характеристиките на кристализация на материала, като температурата на ПП формата е 40-60 ℃ (за насърчаване на кристализацията) и температурата на ПЕТ формата е 10-30 ℃ (за поддържане на прозрачност чрез бързо охлаждане); обемът на охлаждащата вода трябва да бъде равномерен, като се гарантира, че температурната разлика между различните части на кухината на формата е ≤ 5 ℃. Времето за охлаждане представлява 50% -70% от цикъла на формоване. Времето за охлаждане може да се съкрати чрез увеличаване на броя на каналите за охлаждаща вода или намаляване на температурата на водата (обикновено 15-25 ℃), но е необходимо да се избягва прекомерно вътрешно напрежение, причинено от бързото охлаждане в продукта.

Често срещани дефекти в качеството и решения

Често срещани дефекти в производството могат да бъдат решени чрез регулиране на параметрите и оптимизиране на матрицата: счупването на заготовката често се дължи на ниска температура на инжектиране или твърде висока скорост на инжектиране, което изисква повишаване на температурата на цилиндъра или намаляване на скоростта на инжектиране; неравномерната дебелина на стената на продукта се дължи на неравномерна дебелина на стената на преформата или неравномерно разпределение на налягането при шприцване и е необходимо да се регулират параметрите за задържане на налягането при шприцване или да се оптимизира каналът за изпускане на формата; деформацията на отвора на бутилката обикновено се причинява от недостатъчно охлаждане на отвора на бутилката по време на шприцване и е необходимо да се увеличи кръгът на охлаждащата вода на отвора на бутилката или да се намали температурата на шприцване в съответната област; драскотини по повърхността на продукта могат да бъдат причинени от замърсявания в кухината на матрицата или износване на механизма за разформовяване, което изисква редовно почистване на матрицата или подмяна на компонентите за разформовване; мехурчета или дупки могат да бъдат засегнати от недостатъчно изсушаване на суровините или задържане на въздух по време на шприцване. Необходимо е да се засили сушенето на суровините (например температура на сушене на ПЕТ от 120 ℃ за 4 часа) или да се намали скоростта на шнека, за да се намали задържането на въздух.

5. Области на приложение и тенденции в технологичното развитие

Процесът на инжекционно издухване, с предимствата си на висока прецизност и високо уплътнение, заема незаменимо място в областта на висококачествените опаковки и специалните кухи продукти. С повишаването на пазарното търсене и технологичните иновации, обхватът му на приложение и производителността на процеса продължават да се разширяват.

Основни области на приложение и типични продукти

Областта на фармацевтичните опаковки е основният пазар за технологията за шприцване. Медицинските бутилки имат строги изисквания за запечатване, чистота и точност на размерите. Бутилките за твърди лекарства за перорално приложение, получени чрез шприцване (като капсулни бутилки и таблетни бутилки), имат висока точност на резбата на отвора на бутилката и могат да бъдат запечатани срещу влага с бутилови гумени запушалки; Бутилката за капки за очи се оформя наведнъж с помощта на технология за шприцване чрез издухване, без шевове на отвора на бутилката, за да се избегне замърсяване на лекарството; Бутилките за ваксини и реагенти са изработени от медицински ПП или компютър, а процесът на шприцване и издухване гарантира, че тялото на бутилката е без мехурчета и примеси, отговаряйки на изискванията за стерилност.

В областта на опаковането на храни се набляга на безопасността и свежестта. Бутилките за подправки, произведени чрез технология за шприцване (като бутилки за сос и бутилки за оцет), са изработени от хранителен ПП, с добро уплътнение на отвора на бутилката, за да се предотврати изтичане на течност; Бутилките за мед и сладко са направени прозрачни и имат гладки вътрешни стени чрез технология за шприцване, което улеснява наливането и почистването на съдържанието; Бутилките за бебешка и малка храна са изработени от ПЕТ или ПП без Бисфенол А, шприцвани, за да се гарантира, че тялото на бутилката няма мирис и отговаря на стандартите за безопасност на храните.

В областта на козметиката и ежедневните химикали се стремим към външен вид, текстура и прецизност. Бутилките за есенции и лосиони, произведени чрез шприцване и издухване, са изработени от прозрачен ПЕТ или акрил, а повърхността може да постигне висока гладкост, която може да бъде подобрена чрез галванично покритие или ситопечат; Бутилките за шампоан и душ гел са изработени от химически устойчив HDPE, а резбите на отвора на бутилката, формовани чрез шприцване, са прецизно съчетани с главата на помпата, за да се предотврати изтичане; Бутилките за мостри за пътуване се произвеждат масово чрез оборудване за шприцване и издухване с множество кухини, с висока размерна консистенция и лесно опаковане и сглобяване.

Индустриалната и химическата област се фокусира върху устойчивостта на корозия и здравината. Бутилките за химически реактиви, произведени чрез процес на шприцване, са изработени от HDPE или ПП, които са устойчиви на киселинна и алкална корозия, а уплътнението на резбата на отвора на бутилката е надеждно; Бутилките за смазочни масла и бутилките с мастило постигат добра твърдост и удароустойчивост чрез технологията на шприцване, предотвратявайки повреди по време на транспортиране; Малкият резервоар за съхранение на течности е изработен от подсилен ПП, който може да издържи на определено вътрешно налягане след шприцване и е подходящ за промишлено съхранение на течности.

Тенденции в технологичното развитие и насоки за иновации

Интелигентното надграждане е важна насока за развитие на технологията за шприцване. Оборудването интегрира система за визуална проверка с изкуствен интелект, която може да идентифицира дефекти на продукта (като драскотини, деформации, черни петна) в реално време чрез високоскоростни камери, с точност над 99,5%. Адаптивната система за управление може автоматично да регулира параметрите на процеса въз основа на колебанията в суровините и промените в околната среда, като например откриване на температурата на заготовката чрез сензори, динамично оптимизиране на налягането при шприцване и намаляване на ръчната намеса. Индустриалната интернет технология позволява свързване в мрежа на множество устройства за данни, дистанционно наблюдение на производствената ефективност, потреблението на енергия и процента на отпадъците, както и подобряване на точността на управление.

Зеленото производство се е превърнало в консенсус в индустрията, а технологията за шприцване насърчава прилагането на рециклирани материали. Рециклираните ПП и Специалист по икономически въпроси, получени чрез физическо рециклиране, могат да се използват за продукти, които не са в контакт с храни (като промишлени бутилки), докато химически рециклираните ПЕТ материали имат свойства, подобни на суровините, и се използват в производството на козметични бутилки; Лекият дизайн намалява разхода на материали, като същевременно осигурява здравина чрез структурна оптимизация (като гофриране и изтъняване на бутилката). След като бутилката за вода от 500 мл на определена марка беше олекотена чрез технология за шприцване чрез издухване, теглото на една бутилка намаля с 15%, спестявайки над 100 тона суровини годишно; Енергоспестяващото оборудване използва технология за серво мотор и термопомпа, което намалява консумацията на енергия с 20% -30% в сравнение с традиционното оборудване.

Прецизността и многофункционалната интеграция разширяват границите на приложението. Технологията за микроинжектиране и издухване може да произвежда микро контейнери с обем ≤ 10 мл (като например бутилки за парфюмни мостри), а толерансът на размерите се контролира в рамките на ± 0,05 мм; двуцветният процес на инжектиране и издухване може да постигне многоцветен или многоматериален композитен материал на тялото на бутилката (като например ПП и Специалист по икономически въпроси композит), подобрявайки външния вид и функционалността; Интегрираната технология за етикетиране във формата и формоване чрез раздуване синхронно залепва етикетите към тялото на бутилката по време на етапа на формоване чрез раздуване, намалявайки последващите стъпки на обработка и подобрявайки ефективността на производството.

6、 Сравнение между процеса на шприцване и други процеси на кухи форми

Процесът на шприцване чрез раздуване има своите предимства в сравнение с екструдирането чрез раздуване, разтягането чрез раздуване и други процеси и е подходящ за различни сценарии. При избора е необходимо да се вземат предвид цялостно изискванията към продукта, обемът на производство и цената.

Сравнение с процеса на екструдиране с раздуване

Екструзионното формоване чрез раздуване използва екструдер за непрекъснато екструдиране на тръбни заготовки, които след това се формоват чрез формоване и раздуване. Подходящо е за производство на големи кухи продукти (като резервоари за съхранение от 50 литра или повече), но точността на размерите на заготовките е ниска и линията за формоване на продукта е затворена.