熱塑性蜂窩板封邊機(jī)的研發(fā)與應(yīng)用

鄧榮堅(jiān)

(廣州金發(fā)碳纖維新材料發(fā)展有限公司，廣州 510663)

0 前言

夾層結(jié)構(gòu)板材最早應(yīng)用于20 世紀(jì)40 年代，是指在2層性能優(yōu)異的面板之間采用膠接等方法夾入如正六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)、圓形蜂窩結(jié)構(gòu)、泡沫結(jié)構(gòu)等具有低密度、高剛性的夾層芯結(jié)構(gòu)而制備的新型結(jié)構(gòu)材料[1]。特殊的結(jié)構(gòu)特征使其具有高強(qiáng)輕質(zhì)的優(yōu)異性能，在誕生之初就廣泛應(yīng)用于航空航天等高科技領(lǐng)域。

早期的夾層材料以蜂窩結(jié)構(gòu)為主，滿足高科技領(lǐng)域?qū)Σ牧细咝阅艿囊?，主要?yīng)用金屬蜂窩[2]。隨著復(fù)合材料科學(xué)的發(fā)展，以纖維增強(qiáng)熱固性聚合物為原材料的蜂窩結(jié)構(gòu)，如玻璃鋼蜂窩以其高的比強(qiáng)度、比模量，耐腐蝕性，絕緣性等優(yōu)異性能亦應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。由于熱固性蜂窩夾層結(jié)構(gòu)具有很多缺點(diǎn)如韌性較差，原材料不易保存，固化成型后不可回收利用等，為了更好地實(shí)現(xiàn)蜂窩夾層材料“民用化”，熱塑性蜂窩結(jié)構(gòu)逐漸受到研究人員的關(guān)注[3]。

熱塑性蜂窩板具有質(zhì)輕、比強(qiáng)度和比剛度高等優(yōu)點(diǎn)，相比熱固性蜂窩板最大的優(yōu)點(diǎn)是，韌性好，環(huán)?？苫厥眨蚨粡V泛應(yīng)用于建筑工業(yè)、航空航天、汽車制造等領(lǐng)域，但其后續(xù)的封邊處理一直是業(yè)內(nèi)的難點(diǎn)，阻礙了其在某些行業(yè)的應(yīng)用如家具行業(yè)和物流行業(yè)等。傳統(tǒng)的封邊機(jī)，大多數(shù)為應(yīng)用于板式家具行業(yè)的封邊機(jī)，一般需要采用額外的封邊條進(jìn)行封邊，即將封邊條用粘接劑涂膠后，將其放在板材的邊上，沿板材邊緣將封邊條壓實(shí)，這種方式生產(chǎn)效率低，封邊后邊緣的強(qiáng)度不高，且制備的板材還含有膠水等膠黏劑，不利于環(huán)保，因而不適用于熱塑性蜂窩板的封邊。

本文作者針對(duì)熱塑性蜂窩板的特點(diǎn)，通過大量試驗(yàn)研究，成功開發(fā)出一款適用于熱塑性蜂窩板的封邊機(jī)，已申請(qǐng)專利保護(hù)。以下作詳細(xì)介紹。

1 熱塑性蜂窩板簡(jiǎn)介

熱塑性蜂窩板為質(zhì)輕高強(qiáng)的環(huán)保材料，它是一種夾芯結(jié)構(gòu),如圖1所示，面層為連續(xù)玻璃纖維增強(qiáng)熱塑片材經(jīng)過熱壓復(fù)合而成 (CFRTP面層)，芯層為熱塑性材料六角蜂窩芯如PP六角蜂窩芯。芯層與面層通過熔融熱壓黏結(jié)在一起形成板材，成型過程不含任何有害溶劑和膠黏劑，可以100 %回收絕對(duì)環(huán)保。

圖1 熱塑性蜂窩板的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural representation of thermoplastic honeycomb plate

圖2所示為熱塑性蜂窩板的實(shí)物圖，從圖中可以看到蜂窩板的邊緣并不是一個(gè)平面，而是由很多凹凸表面組成，正是由于這種結(jié)構(gòu)決定了蜂窩板采用傳統(tǒng)的封邊機(jī)用封邊條膠粘的方法行不通，最致命的缺點(diǎn)是膠黏劑用量極其多，而一般膠黏劑的價(jià)格不菲，而且黏結(jié)后黏結(jié)強(qiáng)度不高，封邊條容易脫落，影響了后續(xù)的使用。

圖2 熱塑性蜂窩板實(shí)物圖Fig.2 Picture of thermoplastic honeycomb plate

2 實(shí)驗(yàn)研究

從熱性蜂窩板的材料和加工方法可以看到，其所用材料均為熱塑性材料(除了玻璃纖維)，都可以通過熔融加工，作者從這一點(diǎn)上受到啟發(fā)，能否利用熱塑性蜂窩板自身的材料直接通過熔融加工方法來實(shí)現(xiàn)封邊。熱塑性蜂窩板的面層是連續(xù)玻璃纖維增強(qiáng)熱塑片材具有很強(qiáng)的可塑性，只要給定一個(gè)形狀(通過模具實(shí)現(xiàn))，通過熱壓成型就可以簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)。

有了基本思路后，要先驗(yàn)證其可行性以及封邊效果。在選定形狀時(shí)，作者選用了強(qiáng)度最高，最容易成型的圓弧形狀，如圖3所示。封邊的基本原理可以描述如下：先把具有圓弧形狀的模具加熱到設(shè)定的溫度，再把熱塑蜂窩板的邊緣對(duì)著圓弧槽緩慢往前壓，最后冷卻定形，熱塑性蜂窩板的靠近邊緣的上下2個(gè)面層就會(huì)沿著圓弧槽成形為與圓弧槽一樣的形狀，形成圓弧狀的封邊結(jié)構(gòu)。

(a)封邊前 (b) 封邊后圖3 熱塑性蜂窩板封邊原理圖Fig.3 Edge banding schematic of thermoplastic honeycomb plate

圖4 熱塑性蜂窩板封邊簡(jiǎn)易模具Fig.4 Edge banding mold of thermoplastic honeycomb plate

圖4所示為實(shí)驗(yàn)研究制作的簡(jiǎn)易模具，圖5為通過帶加熱功能的四柱液壓機(jī)進(jìn)行熱塑性蜂窩板封邊的現(xiàn)場(chǎng)照片。液壓機(jī)平板工作臺(tái)具備加熱功能，圓弧狀模具通過平板加熱到設(shè)定的溫度，液壓機(jī)上壓板往下運(yùn)動(dòng)，緩慢把熱塑性蜂窩板往下壓，使蜂窩板的邊緣通過面層的熱壓成型進(jìn)行封邊。圖6所示為熱塑性蜂窩板4個(gè)直角邊都封邊后的實(shí)物效果。 直角邊經(jīng)過封邊后變成圓弧邊緣，蜂窩芯被全部包裹在圓弧面層中， 封邊后圓弧邊緣既美觀又耐用(強(qiáng)度高，不會(huì)變形)，既環(huán)保(不含膠黏劑)又經(jīng)濟(jì)(不使用額外的封邊條)。

圖5 熱塑性蜂窩板封邊實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖Fig.5 Edge bandingexperimental site of thermoplastic honeycomb plate

圖6 熱塑性蜂窩板封邊實(shí)物圖Fig.6 Picture of thermoplastic honeycomb plate with the edge banding

3 熱塑性蜂窩板封邊機(jī)的開發(fā)

經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究確認(rèn)利用熱塑性蜂窩板面層材料的熱壓成型可以順利對(duì)蜂窩板進(jìn)行封邊，而且封邊效果可以滿足使用要求。可行性和實(shí)用性都得到驗(yàn)證后，作者在此基礎(chǔ)上開始設(shè)計(jì)開發(fā)一套適用于熱塑性蜂窩板封邊的封邊機(jī)，并找到加工廠家生產(chǎn)制造出來。如圖7所示為執(zhí)塑性蜂窩板封邊機(jī)的三維圖設(shè)計(jì)圖，設(shè)計(jì)過程把效率和自動(dòng)化作為基本要求，該封邊機(jī)可實(shí)現(xiàn)兩邊同時(shí)封邊，蜂窩板材在封邊過程自動(dòng)對(duì)中，自動(dòng)夾緊，工人只需完成上料和下產(chǎn)品的過程，直正實(shí)現(xiàn)一鍵啟動(dòng)，完全自動(dòng)化。關(guān)鍵功能部件可簡(jiǎn)述如下：左右兩個(gè)封邊模塊配置完全一樣，模塊都配有冷模和熱模，冷模通過冷卻水冷卻，熱模通過電阻絲加熱，兩個(gè)模具均為圓弧槽形狀，通過氣缸實(shí)現(xiàn)上下位置切換；封邊過程，封邊模塊緩慢往前移動(dòng)實(shí)現(xiàn)熱壓封邊，移動(dòng)距離通過伺服電機(jī)加滾珠絲桿和直線導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)精確定位，這是封邊機(jī)能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定的保證；由于使用了伺服電機(jī)，左右封邊模塊可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的同步運(yùn)動(dòng)，同步運(yùn)動(dòng)過程成型模具推著蜂窩板左右移動(dòng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)中。通過調(diào)節(jié)夾緊機(jī)構(gòu)和封邊模塊的行程，封邊機(jī)可實(shí)現(xiàn)任意規(guī)格熱塑性蜂窩板的封邊。

圖7 熱塑性蜂窩板封邊機(jī)三維圖Fig.7 Three-dimensional diagram of thermoplastic honeycomb plate edge banding machine

圖8 熱塑性蜂窩板封邊機(jī)實(shí)物圖Fig.8 Picture of thermoplastic honeycomb plate edge banding machine

圖8所示為執(zhí)塑性蜂窩板封邊機(jī)的實(shí)物圖，熱塑性蜂窩板的封邊過程可簡(jiǎn)述如下：工人把待封邊的蜂窩板搬到封邊機(jī)的工作臺(tái)上，按下控制面板上的一鍵啟動(dòng)按鈕，左右封邊模塊往前移動(dòng)，蜂窩板自動(dòng)對(duì)中，夾緊機(jī)構(gòu)動(dòng)作夾緊蜂窩板，熱模接觸到蜂窩板開始熱壓封邊，左右封邊模塊緩慢往前移動(dòng)到設(shè)定位置后迅速往后退一定的距離，氣缸動(dòng)作切換冷模和熱模的位置，左右封邊模塊再往前迅速移動(dòng)到設(shè)定位置，冷模接觸到蜂窩板開始冷卻定型，冷卻時(shí)間到后，封邊模塊往后退，夾緊機(jī)構(gòu)松開蜂窩板，工人拿出封好邊的產(chǎn)品，完成一次封邊過程。

4 熱塑性蜂窩板封邊產(chǎn)品的應(yīng)用

圖9 蜂窩托盤Fig.9 Picture of pallet made by thermoplastic honeycomb plate

熱塑性蜂窩板由于其邊緣為凹凸表面組成而非一個(gè)平面，導(dǎo)致其后續(xù)的封邊處理一直是業(yè)界的難點(diǎn)，阻礙了其進(jìn)一步的應(yīng)用。通過作者設(shè)計(jì)的熱塑性蜂窩板封邊機(jī)可實(shí)現(xiàn)蜂窩板的完美封邊，促進(jìn)了其在某些行業(yè)的應(yīng)用，如物流行業(yè)、家居行業(yè)等。圖9所示為廣州金發(fā)碳纖維新材料發(fā)展有限公司開發(fā)的蜂窩托盤在物流展上拍的照片，該托盤主要由熱塑蜂窩板和注塑腳組成，熱塑蜂窩板通過作者所設(shè)計(jì)的封邊機(jī)進(jìn)行封邊處理，封邊后邊緣強(qiáng)度與蜂窩板母體強(qiáng)度一致，經(jīng)得起3 m跌落試驗(yàn)和平時(shí)工人開叉車的野蠻操作。由于該蜂窩托盤具備輕量化負(fù)重大和周轉(zhuǎn)次數(shù)遠(yuǎn)比木托盤高的特點(diǎn)，所以一經(jīng)推出就受到了廣泛的好評(píng)。

隨著現(xiàn)代生活的不斷發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，人們對(duì)于板式家具的質(zhì)量的要求也不斷提高。在板式家具的生產(chǎn)中，封邊是非常重要也是使用最頻繁的一個(gè)環(huán)節(jié)， 但又是產(chǎn)品質(zhì)量問題體現(xiàn)得最為集中的一個(gè)工序。判斷一件板式家具的質(zhì)量究竟如何，最直觀的一點(diǎn)就是家具的封邊質(zhì)量[4]。熱塑封窩板作為質(zhì)輕高強(qiáng)的板式材料，只要封邊處理好，就可以成功應(yīng)用于家居行業(yè)。

5 結(jié)論

(1)熱塑性蜂窩板封邊機(jī)的成功開發(fā)，解決了行業(yè)的一個(gè)難點(diǎn)，采用該技術(shù)處理的蜂窩板，其邊緣光滑美觀，邊緣強(qiáng)度基本與蜂窩板母體強(qiáng)度一致，經(jīng)久耐用，永不脫落；

(2)由于不需要使用額外的封邊條，也不需要任何膠黏劑，因此該封邊技術(shù)應(yīng)該是目前所有封邊工藝中成本最低的一種工藝，既環(huán)保又美觀又耐用又經(jīng)濟(jì)，必然會(huì)促進(jìn)熱塑性蜂窩板更廣泛的應(yīng)用。