淺析塑料成型工業(yè)中的綠色技術(shù)

王競(jìng)男 浙江汽車職業(yè)技術(shù)學(xué)院

淺析塑料成型工業(yè)中的綠色技術(shù)

王競(jìng)男 浙江汽車職業(yè)技術(shù)學(xué)院

綠色設(shè)計(jì)和制造已成為塑料模具行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。把塑料模具設(shè)計(jì)、制造和塑料成型同綠色制造技術(shù)有機(jī)融合，將在加速塑料成型工業(yè)發(fā)展的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高效率、低成本、低污染的目標(biāo)。

塑料模具；綠色制造；塑料成型工業(yè)

模具是工業(yè)生產(chǎn)中的基礎(chǔ)工藝裝備，而塑料模具在模具行業(yè)中占有舉足輕重的地位。傳統(tǒng)的塑料成型工業(yè)在設(shè)計(jì)階段僅考慮產(chǎn)品的功能、質(zhì)量、成本和壽命等,而很少考慮其環(huán)境屬性和對(duì)資源、能源造成的浪費(fèi)。因此，在塑料成型工業(yè)中提倡綠色制造尤為重要。

綠色制造是產(chǎn)品制造、環(huán)境影響和資源優(yōu)化三方面的有機(jī)結(jié)合，是一個(gè)綜合考慮環(huán)境影響和資料利用率的現(xiàn)代制造模式，其目標(biāo)是使產(chǎn)品從設(shè)計(jì)、制造、包裝、運(yùn)輸、使用到報(bào)廢處理的整個(gè)生命周期中,對(duì)環(huán)境的負(fù)影響最小,資源使用率最高。

一、面向綠色制造的塑料模具設(shè)計(jì)

綠色模具的設(shè)計(jì)宗旨是，將環(huán)境性能作為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)目標(biāo)，力求從產(chǎn)品開(kāi)發(fā)階段起消除潛在的、對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響，將環(huán)境屬性融入到概念設(shè)計(jì)—結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—包裝設(shè)計(jì)—材料選擇—工藝設(shè)計(jì)—使用維護(hù)—回收處理的整個(gè)過(guò)程中。

1.模具綠色并行工程

綠色并行工程是現(xiàn)代綠色模具設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的新模式,其核心是將塑料模具開(kāi)發(fā)各階段看成一個(gè)過(guò)程的集成，強(qiáng)調(diào)產(chǎn)品設(shè)計(jì)及其相關(guān)過(guò)程同時(shí)交叉進(jìn)行。因此,涉及產(chǎn)品整個(gè)生命周期的各部門(mén)必須協(xié)同工作。工藝、制造、質(zhì)量、客服、銷售等各部門(mén)都要參與產(chǎn)品的設(shè)計(jì)工作,對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案提出修改意見(jiàn)等,以確保設(shè)計(jì)和制造的一次成功率。

2.材料的選擇

綠色的模具材料是綠色模具設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。在選材時(shí)應(yīng)從以下幾方面考慮：

（1）減少所用材料種類，既可簡(jiǎn)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，又方便原材料的標(biāo)識(shí)、分類和零部件的生產(chǎn)、管理，在相同產(chǎn)品數(shù)量下，可得到更多的某種回收材料；

（2）綠色模具材料應(yīng)具備:①低能耗、低污染、低成本；②易加工和加工過(guò)程中無(wú)污染或少污染；③可降解, 易回收，等性能。例如，可直接用不銹鋼材料加工防腐模具，以避免電鍍、電解等表面處理過(guò)程中產(chǎn)生的環(huán)境污染。

3.可拆卸性設(shè)計(jì)

塑料模具在使用過(guò)程中部分零部件因承受過(guò)大的摩擦與沖擊造成磨損時(shí),只需更換這部分零部件模具仍可使用。如果模具不具備可拆卸性不僅造成大量可重復(fù)零部件材料的浪費(fèi),而且因廢棄物處理不當(dāng)還會(huì)污染環(huán)境。因此設(shè)計(jì)初期就應(yīng)盡量使模具結(jié)構(gòu)易于拆卸, 方便維護(hù)。例如：盡可能選擇通用結(jié)構(gòu),以方便更換;在滿足強(qiáng)度要求的前提下,盡量采用可拆卸連接(如螺紋連接),不用焊接、鉚接;采用組合模架等。

4.可回收性設(shè)計(jì)

在模具設(shè)計(jì)初期就應(yīng)將材料的可回收性、回收處理方法和回收經(jīng)濟(jì)效益等問(wèn)題考慮在內(nèi)，從而在后續(xù)生產(chǎn)中盡量節(jié)約原材料。因此，應(yīng)盡可能減少所用材料的種類；減少或不使用含銅、鉛等對(duì)污染環(huán)境的材料；避免使用與現(xiàn)有循環(huán)再回收過(guò)程不相容材料等。

5.標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化設(shè)計(jì)

模具標(biāo)準(zhǔn)化是組織模具專業(yè)化生產(chǎn)的前提,而模具的專業(yè)化生產(chǎn)是提高模具質(zhì)量、縮短制模周期、降低成本的關(guān)鍵。標(biāo)準(zhǔn)模架及標(biāo)準(zhǔn)件由專門(mén)的企業(yè)通過(guò)社會(huì)化分工進(jìn)行生產(chǎn),使有限的資源得到優(yōu)化配置，此外，模架的標(biāo)準(zhǔn)化可以使生產(chǎn)模架所用的設(shè)備、夾具數(shù)量大大減少，在節(jié)約資源的同時(shí)，縮短了設(shè)計(jì)周期，方便加工，利于管理。

模塊化設(shè)計(jì)是在一定范圍內(nèi),在對(duì)不同功能、或相同功能下的不同性能、不同規(guī)格的產(chǎn)品進(jìn)行功能分析的基礎(chǔ)上,劃分并設(shè)計(jì)出一系列功能模塊,通過(guò)模塊的選擇和組合構(gòu)成不同的產(chǎn)品,以滿足市場(chǎng)的不同需求;如模具的側(cè)向分型與抽芯機(jī)構(gòu)、脫模定位機(jī)構(gòu)等都可以按這些方法設(shè)計(jì)、組合、再利用。

6.高壽命設(shè)計(jì)

對(duì)于注塑模具,如采用隨形冷卻水道可有效避免塑件在冷卻過(guò)程中產(chǎn)生的翹曲變形，提高注塑成型精度和模具使用壽命;此外還可將結(jié)構(gòu)復(fù)雜的凹模設(shè)計(jì)為鑲拼式結(jié)構(gòu),減少應(yīng)力集中現(xiàn)象引起的模具變形問(wèn)題，并且在產(chǎn)生使用磨損后還方便修磨,從而有效延長(zhǎng)模具壽命。

7.智能化、自動(dòng)化設(shè)計(jì)

對(duì)模具制造業(yè)，CAD/CAPP/CAM/CAE一體化是模具設(shè)計(jì)自動(dòng)化的重要措施和基礎(chǔ)。采用CAD/CAPP/CAM/CAE 技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)少圖紙或無(wú)圖紙加工，在節(jié)約資源的同時(shí)可有效縮短模具設(shè)計(jì)與制造周期。例如，現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的CAD三維軟件(Pro／E、SolidWorks、UG 等)基本都集成了CAE技術(shù)，可模擬熔體的流動(dòng)情況并進(jìn)行強(qiáng)度、剛度、抗沖擊性等性能的實(shí)驗(yàn)?zāi)M，預(yù)知塑件有可能出現(xiàn)的成型缺陷，防患于未然。

二、塑料模具的綠色制造工藝

綠色制造工藝是“綠色模具”生命周期中的重要一環(huán)。要在提高經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，產(chǎn)生的能耗最低，對(duì)環(huán)境影響最小，除了利用現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)之外，還需要采用模具先進(jìn)制造技術(shù)。

1.模具設(shè)計(jì)反向工程

反向工程(Reverse Engineering,)是通過(guò)掃描測(cè)量獲得已有產(chǎn)品實(shí)物或模型的幾何信息，然后利用CAD/CAM 技術(shù)快速、準(zhǔn)確地建立產(chǎn)品的數(shù)學(xué)幾何模型，經(jīng)過(guò)工程分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和CAM 編程，數(shù)控加工出產(chǎn)品模具，最終制成產(chǎn)品的過(guò)程?，F(xiàn)已廣泛應(yīng)用于模具翻制、產(chǎn)品改型等生產(chǎn)活動(dòng)中。RE技術(shù)是學(xué)習(xí)先進(jìn)技術(shù)近而改造和開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品，加速設(shè)計(jì)、制造過(guò)程的重要手段。

2.模具快速原型制造技術(shù)

快速原型制造技術(shù)(Rapid Protoyping Manufacturing，RPM )集成了機(jī)械、計(jì)算機(jī)、數(shù)控、激光和材料技術(shù)等現(xiàn)代科技成果，突破了傳統(tǒng)加工技術(shù)去除材料的方法，而是基于離散∕堆積原理，根據(jù)CAD造型生成的零件三維幾何數(shù)據(jù)，通過(guò)激光束等方法使材料逐層堆積成樣件或零件，極大地提高了材料的利用率。由于無(wú)需經(jīng)過(guò)模具設(shè)計(jì)制造環(huán)節(jié)，RPM 技術(shù)大幅度降低了新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)研制的成本,極大地縮短了生產(chǎn)周期。

3.模具高速切削技術(shù)

傳統(tǒng)模具制造中的型腔加工基本采用電火花完成，但其加工速度較低。除窄縫、深槽以及很細(xì)的紋理等，一般形狀不太復(fù)雜的淺型腔已能在高剛度的銑床或加工中心上用涂層銑刀進(jìn)行高速加工。而小曲率半徑的深型腔可用高速銑削加工作為粗加工和半精加工,而電加工只作為精加工，這樣可大大節(jié)約電火花和拋光的時(shí)間以及相關(guān)材料的消耗，從而減少對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響。例如，德國(guó)Droop公司生產(chǎn)的FOG2500銑床，主軸轉(zhuǎn)速為10000～40000r/min，加工精度達(dá)50 ，可用于汽車車身沖壓模具和塑料模具的加工。

三、塑料注射成型中的綠色技術(shù)

塑料注射成型裝備是塑料成型工業(yè)的重要工藝裝備，廣泛應(yīng)用于汽車、家電、航空航天等領(lǐng)域。而現(xiàn)代制造業(yè)中80%以上的塑料制品都采用注射成型加工制造。隨著全社會(huì)環(huán)境保護(hù)和資源節(jié)約意識(shí)的不斷增強(qiáng)，塑料注射成型工業(yè)中不斷涌現(xiàn)出多種綠色節(jié)能環(huán)保新技術(shù)。

1.面向綠色制造的注射機(jī)

（1）節(jié)能的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

隨著伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓泵的伺服節(jié)能系統(tǒng)的出現(xiàn)，注射成型過(guò)程中節(jié)電20%～80%已成為可能。例如，寧波海天集團(tuán)推出的天泰系列電液復(fù)合動(dòng)力注塑機(jī)，其整機(jī)采用直壓式鎖模單元，配以單缸注射結(jié)構(gòu)，采用伺服電機(jī)與滾珠絲桿結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)“S”形開(kāi)關(guān)模動(dòng)作，并用線性導(dǎo)軌導(dǎo)向，速度快、平穩(wěn)性好、精度高、能耗顯著降低。

（2）微型注射機(jī)

隨著電子通訊、生化產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，產(chǎn)品逐漸趨向小型化、輕量化和功能多樣化，對(duì)微細(xì)化零部件的需求日益增大。用傳統(tǒng)注射機(jī)生產(chǎn)微型塑件，流道凝料常占注射總量的90%，浪費(fèi)嚴(yán)重，此外還伴隨著質(zhì)量難以控制，廢品率高等問(wèn)題。微型注射機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，例如，香港力勁機(jī)械國(guó)際有限公司推出的SP系列微型注射機(jī)注射系統(tǒng)精度可達(dá)5μm，最小注射量為0.01g，該微注射機(jī)采用無(wú)閥門(mén)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)排除了物料滯留于閥門(mén)的隱患，并可減少材料浪費(fèi)。

2.面向綠色制造的注射成型工藝

（1）超高速注射成型

對(duì)于薄壁、深腔制品的成型，注射成型過(guò)程復(fù)雜，塑料熔體充模流動(dòng)困難，而超高速注射成型（注射速度達(dá)800mm/s時(shí)）能有效消除成型缺陷，降低廢品率。

（2）熱流道技術(shù)

由于熱流道成型從注射機(jī)噴嘴至澆口的塑料始終保持熔融狀態(tài)，每次開(kāi)模時(shí)不需要固化成廢料取出，滯留在澆注系統(tǒng)中的熔料可在下一次注射時(shí)被注入型腔，這樣可以最大限度地減少原料的浪費(fèi)。熱流道技術(shù)的典型代表有馬斯特模具、捷飛特（GEFIT）、信易等。

[1]李發(fā)致編著.模具先進(jìn)制造技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2003.3

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10.3969/j.issn.1001-8972.2011.09.090