注射技术的系统化创新：无人化、自动化生产单元成为主题

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注射技术的系统化创新

段庆生

注射技术的发展日新月异，尤其是结合个性化应用开发的系统化解决方案成为市场的热点。在这些系统开发过程中，一方面新型注射技术、模具技术，以及自动化技术不断推陈出现，另一方面系统整合、系统优化、产业链合作、智能化制造等成为热点中的热点。具体而言，生产单元定制化系统已成为业界体现竞争实力的关键，欧洲制造业的“工业4.0”概念开始展示智能化制造的魅力，产业链企业的合作则成为系统优化、系统效率提升的主要途径。

工业4.0强调智能化制造，为制造工业带来全程可追溯的便利性。

相片提供 Photo Courtesy：Arburg

生产单元开发热潮

注射生产单元的概念最早从欧洲开始，发展至今已不再是欧洲公司的专利。在当今各种大型展览会上，无论是三年一度的K展，还是一年一度的CHINAPLAS，形形色色的生产单元系统，已成为领先注射技术提供商展示技术实力最基本的定式。

一方面欧洲领先厂商的生产单元越来越复杂，功能越来越丰富；另一方面，中国供应商，也从最初以模内贴标制造单元展示为主，开始推出针对光学产品、汽车制品、通讯产品、医疗应用等丰富的制造系统。

与SCHAUMFORM GmbH合作, 威猛巴顿菲尔在K 2013展出具有高表面质量的发泡注射生产单元，其制品外观看起来与非发泡产品无异。现场生产的制件采用结构发泡技术，是一个用于放置咖啡杯或名片的小盘。该技术综合采用威猛巴顿菲尔的CELLMOLD结构发泡技术，变模温技术和HiP高精密开模技术，在重量减轻30%的同时得到具有极优表面质量的产品。在展会上，一台高效的全电动EcoPower 240/1330 被用于这一制件生产。

在CHINAPLAS2014现场，百塑展示了智能型无人化整合系统，现场演示生产双色螺丝起子。整个生产单元整合了两台立式注塑机和一台卧式注塑机，双色注塑，并现场生产包装盒。起子铁芯先移至1号机台(立式圆盘注塑机V3-2R-55T)进行第1色成型，第1色成品移至2号机台（立式单滑板注塑机V4-S-55T）进行第2色注塑，卧式直压注塑机SM-90T生产出包装盒，最后，成品经过CCD影像检测后，置入包装。“现在生产单元供货需求越来越多，无人化、自动化生产单元的需求趋势明显。”百塑企业股份有限公司总经理吴正炜说。

广东联升在CHINAPLAS现场也展出多套生产单元系统，其中包括一套光电显示（背光源）专业注塑系统。系统采用GT2-LS100L单杠射胶伺服节能注塑机，射速达500mm/s，现场采用光学级PC生产4寸手机导光板，制品厚度0.5mm。联升并现场展出1出32专业医疗注塑系统，现场以PET树脂生产 12×100采血管；同场展出的还包括一套1出8 LED透镜成型系统。

基于全产业链合作的系统优化

注射生产单元的概念本质上源于整个注射产业链不同供应商的通力合作，涉及到原料、注射机、模具、辅助设备、自动化系统等技术。因此，并不奇怪，一套满足高效率、高性价比、高可靠性的系统，得益于构成系统的每一个环节的优化。

一个项目团队的组成

LIPA合作项目是一个针对采用连续纤维增强的高级热塑性复合材料零部件生产开发工艺流程的合作团队。不久前看到帝斯曼加盟LIPA合作项目的新闻稿，笔者特意搜索找到LIPA的官网，网站介绍成员包括两部分，项目伙伴和支持伙伴。

项目伙伴包括：Georg Kaufmann，负责加工过程开发，工程化，模具构造；Quadrant Plastics Composite负责零件设计，有机板生产，材料选择和设计；Kistler Instrumente AG负责加工监控，传感器技术，软硬件评估。

支持伙伴包括：克劳斯玛菲提供注射机；库卡提供机械手；Institut für Leichtbau und Kunststoff-technik, TU Dresden 负责零件设计，材料和零件测试；Borealis 负责材料和模拟；帝斯曼负责材料和模拟。

从这样一个项目团队的组成可以看出，建设一套强大的注射系统需要怎样的上下游产业链的整合。

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一个看似简单的产品制造系统，需要从原料，注射机，辅助设备到自动化系统，甚至包括终端用户，整个产业链的通力合作。

相片提供 Photo Courtesy：Georg Kaufmann

选择合适的注塑机

系统化整合已经成为注射技术创新最典型的特征，但是，是不是一定要最尖端技术的注射机才能制造可靠的生产单元系统？

海天集团的研究表明，能有效实现注塑过程中核心功能的标准化机型以其高效的优势将在复杂的应用和自动化过程中占据一席之地。“在复杂的高科技塑料制品中，注塑制品与其他材料相连接并非总是技术含量很高的事情。有时候人们会很容易地把事情变得过于复杂。”海天国际战略总监Franz教授说道，并给出了现有客户的一个例子,“有家汽车行业供应商，其总部在日本并是世界前50强企业，他们在总共7个高度自动化的生产单元中进行塑料部件的生产。每个生产单元都配有一台海天天隆机器。因为客户实施零库存的战略，所以他们的主要要求是机器的正常运行时间长、节能，且能实现快速的切换，包括平稳地集成所有的周边设备。注塑过程本身可由中高端的注塑机来完成,因此，选择天隆系列是极为合适的。我们的机器可与上下游设备自动化应用相结合——他们大概都为3,000吨左右的规格——机器现在已经稳定可靠地运行了两年。”

自动化技术优化

与上述注射机技术相似，自动化技术同样未必一定要最先进的机械手才可以实现高效率生产。

阿博格在其总部举办的2014技术节上，在“生产效率”专题展区特别展示了一套自动化系统优化对成型周期影响的制造单元。阿博格通过这一案例展示，对于中批量和大批量注射生产，并非必须使用专门的自动化系统。

阿博格特别展示了一台具有新的动态力学特性的伸入式机器人系统，以证明标准的机器人系统同样可以减少取件时间并相应的减少循环周期。现场展出一个包装件的生产。两个6.4g的PP盆（tubs）的生产周期只有3.6s。与标准的机器人系统比较，其动作时间从1.32s缩短到0.99s，减少25%。

Hekuma专注于制造注射成型高性能自动化系统, 尤其是在汽车、消费品与医疗领域。在K 2013，Hekuma与模具制造商Braunform和奥地利注射机制造商Engel合作展示了一套生产效率提高20%的针头接口制造系统。同时改进了整体的品质和生产的可靠性。Hekuma为这一系统提供了加工自动化系统，包括从模具中取出制品以及检测控制和输送产品。

使用自动化系统不仅可以增加速度，高精度的取出机械手和输送系统还可以完成品质控制的需求，强化整个系统的可靠性和效率。其中生产出的缺陷制品被直接跌落，不会进入生产环节，无需另外花费人力去分拣。Hekuma制造的光学控制系统可以确保快速的反应时间，可用于迅速发现潜在的问题并尽快修复。

生产一致性产品

注塑系统的最终目标就是在系统的生命周期内重复经济地生产出一致的产品。注塑系统中的可变性可能来自于机器、模具、热流道、工艺、辅机、原料及其准备。其中每一项如何帮助实现产品的一致性依赖于特定的工具和应用，但审查整套系统也同样重要。

例如，针对热流道可变性最小化或消除赫斯基做了大量的研究与开发。赫斯基采用分流板内熔料流道的分层设计，简单而有效地混合熔料从而避免了由于剪切作用导致的某些模腔的优先流。作为几何平衡的补充，赫斯基近期的改进关注点包括改善热流道的热平衡性，精确的温度控制和同步的阀针浇口开启与关闭。这些改进都试图消除注塑系统中来源于热流道的可变性以实现一致的充模，并生产出更多符合规格的产品。

温控器也是重要的考量部分。据赫斯基在今年CHINAPLAS期间介绍，其所有的Altanium™温控器均采用适应性推理技术（ART），提供针对更优的产品一致性的优化控制。ART借助一流的输出功率分配，完全绝缘的热电偶输入和业界领先的热电偶采样率确保温度读数的精确度，提供严格控制和最小的可变性。

赫斯基UltraSync-E技术将所有阀杆与通过电伺服马达驱动的单一阀板相连。这样可实现阀针100%的同步并允许使用其他先进的成型工艺技术，如通过控制阀针运动速度曲线来减少磨损从而延长浇口寿命。全阀针同步可消除阀针运动的可变性，提高产品质量和一致性。

辅助设备的效益

辅助设备的重要性提升也是注射技术系统化的一个典型特征。辅助设备不只是实现自动化生产单元、高精度过程控制的关键环节，还是提高系统易用性、高效经济性的重要途径。甚至于，主机厂也开始自主开发或与合作伙伴共同研发专门的辅助设备系统。

高效率和经济性兼具的解决方案是住友德马格在K 21013针对包装展示的一个重要应用。新的Systec SP为首次面向专业观众展出。在该机器本身的注射特性之外，这家位于日本、德国两地的供应商特别展示了其装备的全新技术模块ActiveColourChange。这一灵活的颜料计量技术可以实现极短的换色时间。

现场展示的一台El-Exis SP 420-2500 (锁模力 4,200 kN),生产28mm HDPE螺纹盖。系统装配带热流道系统的96腔瓶盖模，生产周期只有2.3s。每小时可以生产超过15万个瓶盖。为了确保加工过程的高稳定性以及实现螺纹盖的100%控制，并装备有瑞士IMD公司的IMDvista光学检测系统。

ActiveColourChange模块提供了一种新的特别针对注射成型加工应用的色油计量系统。与传统的色母不同，颜料被直接加入注射成型计量区，其前端的螺杆则完全没有颜料，从而换色时需要更换物料的螺杆长度显著缩短，从而，与色母颜料比较，可以显著缩短换色时间。

与此同时，所有的清洁操作在生产开机前设置好，具体生产过程中完全自动化运行，无需操作者干预。

以上笔者未特别介绍关于原料的案例，但并不代表原料企业注塑工业系统化发展的历程中不重要。事实上，一些领先原料企业甚至是作为某些制造单元开发项目的主导者或关键合作伙伴进入这一领域。例如，拜耳材料科技在K 2013与克劳斯玛菲合作展出的一次成型汽车高性能内饰表面项目；巴斯夫在K 2013展出的连续纤维增强制造系统；帝人化学在CHINAPLAS 2014展出的出租汽车防护板项目等均是经典的案例。

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自动化制造，不只是机器人就够了，提高效率，还涉及到各种定位、装夹、抓取的设计优化等。

相片提供 Photo Courtesy：Hekuma

推波助澜的“工业4.0”

随着生产单元以及智能化制造理念的广泛发展，“工业4.0”的概念自从2011年在汉诺威机床展首次与公众见面，便迅速发展成为近几年欧洲制造业最重要的发展方向。

塑机行业也有越来越多的供应商推出基于“工业4.0”的新概念产品。仅笔者所看到的，从去年K展到今年年初，至少有4、5家欧洲塑机企业在其最新推出的产品中引入了“工业4.0”的概念，而阿博格在K2013及2014技术节关于“工业4.0”的展示笔者印象最为深刻。

在K 2013，阿博格通过与fpt Robotik公司共同研发的线性作业打印设备向公众展示了这种“智能”生产。阿博格以单件流生产铭牌，将所需的灵活生产技术与未来项目“工业4.0”相结合。通过打印的独一无二的QR码可在线查看每个制件的重要过程参数。起重要作用的还有阿博格主机系统（ALS），它用于记录所需的参数，并将其转发到Web服务器。

在今年3月举办的阿博格技术节上，笔者亲身体验了基于“工业4.0”概念的个人定制化小车制造过程。现场通过Selogica控制系统读取一个个人化的芯片卡，从而产生一个自己小车的QR码，每个产品的个性化数据在后边独特的分配一个加工参数，最终所有加工数据可以准确无误的记录在文件中。随后，可以进行小车组装性能检测和速度测试，其生产和品质检测数据自动保存到阿博格的主计算机系统。

据阿博格介绍，在线整合的独立加工过程还可用于改进产品加工并方便远程监控。

随着欧洲“工业4.0”项目的持续推动，笔者认为，中国塑料工业，尤其是中国塑机工业，在过去20多年的高速发展与追赶已经取得丰硕成果之后，如果智能化制造不能尽快推动与发展，极可能又一次拉大与国际领先技术的差距。

广东联升在CHINAPLAS 2014展出的1出8光学LED透镜成型系统。

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