聚酯瓶胚生產(chǎn)工藝流程的優(yōu)化

葉 軍 王 崢

（1.東華機(jī)械有限公司，廣東 東莞 523118；2.東莞市環(huán)聯(lián)自動化設(shè)備有限公司，廣東 東莞 523000）

市場上存在生產(chǎn)周期在7s左右的高速聚酯瓶胚生產(chǎn)系統(tǒng)，采用高速專用注塑機(jī)，并配套高端模具及復(fù)雜的輔助設(shè)備，造價非常昂貴，但并不是每個公司都有能力來購買這類高速生產(chǎn)系統(tǒng)。對成本較低的成型設(shè)備，生產(chǎn)者如采取一些恰當(dāng)?shù)拇胧?，也可以非常有效地縮短周期。

1 聚酯瓶簡述

聚酯是聚對苯二甲酸乙二酯的簡稱，是性能優(yōu)異、用途廣泛的工程塑料，可用來制作纖維、薄膜及包裝瓶等。聚酯包裝瓶有以下特點：1） 具有透明度高及表面光澤、剛性好、強(qiáng)度高、韌性強(qiáng)、重量輕，耐折、耐磨、抗撕裂和無嗅、無味、無毒等物理特點；2） 具有良好的耐化學(xué)品性和耐油性，食品衛(wèi)生性高；3） 氣體和水蒸氣滲透率低，有優(yōu)良的阻氣、阻水性能。

日常生活中，聚酯瓶被廣泛應(yīng)用于礦泉水、飲料、食用油、調(diào)味品、藥品、洗護(hù)用品、休閑食品等的包裝，需求量巨大。

聚酯瓶通常由兩步法制作而成，步驟一為注塑成型瓶胚，步驟二將瓶胚吹塑成瓶子。如圖1所示。

圖1 聚酯瓶的生產(chǎn)流程

聚酯瓶胚由注塑機(jī)生產(chǎn)完成，需求量日益增長，但競爭也日益激烈，生產(chǎn)廠家為了確保效率與效益的最大化，即使是零點幾秒的生產(chǎn)時間也想要去壓縮，但很多操作者缺少一些專業(yè)知識，很難正確了解一些工藝過程，他們僅憑個人習(xí)慣或者以往累積的經(jīng)驗來操作機(jī)器，工藝設(shè)定上存在一些不恰當(dāng)?shù)牡胤剑谄颗呱a(chǎn)的周期時間上存在可以提升的空間。該文的目的是幫助縮短聚酯瓶胚的生產(chǎn)周期。

2 瓶胚成型流程

除濕干燥的聚酯顆粒被輸送至注塑機(jī)后，經(jīng)過加熱、塑化、注射、冷卻等過程后，便成為瓶胚。通常在這個生產(chǎn)過程中，由于瓶胚的規(guī)格不同，生產(chǎn)周期可以達(dá)到7s左右，也有慢的需要2min。根據(jù)不同的注塑機(jī)及生產(chǎn)工藝、輔助設(shè)備等，可以從中做出一些優(yōu)化，以縮短生產(chǎn)周期。而圖2的注塑工藝流程中，射膠、保壓、熔膠、冷卻以及取件等均是壓縮周期時間的重點環(huán)節(jié)。

圖2 瓶胚注塑工藝流程

3 射膠與保壓的合理設(shè)定

3.1 射膠與保壓的區(qū)分

大部分操作者難以界定射膠與保壓，尤其無法定義射膠與保壓的位置切換點，在參數(shù)設(shè)定上將射膠與保壓混淆在一起，導(dǎo)致一定長度的快速的射膠行程變成慢速的保壓行程，拖慢了整體周期時間，甚至影響制品合格率。

射膠動作的目的是讓熔融膠料快速填滿型腔，而保壓動作是在型腔基本填滿、膠料開始從液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)換時（如圖3所示），補(bǔ)充熔融膠料直到完全凝固，避免瓶胚內(nèi)壁或外部產(chǎn)生縮水或不平整。假如瓶胚的體積為100cm3，則理論上其射膠填充完成時，處于液態(tài)的重量為115g，保壓完成后成為固態(tài)的最終重量為133g，則其需要保壓的重量為133-115=18g，約等于最終重量的13%。實際上，當(dāng)射膠一開始，便有部分熱熔融膠料接觸冷的模具內(nèi)壁而凝固，射膠填充完成時，有一部分膠料已固化，這樣實際需要保壓的重量大約是6%～8%。假如總的注射行程需要100mm時，則真正保壓的行程大約是 6mm～8mm，射膠與保壓的精確位置切換點應(yīng)該在射膠開始后92mm～94mm的位置。這樣從理論上清晰地界定了射膠和保壓，從而可分別控制其速度、壓力及時間，有助于縮短周期時間。通過實際驗證，根據(jù)不同的瓶胚，可縮短時間約1s～10s，這個時間是很可觀的。

圖3 瓶胚的兩種狀態(tài)示意圖

3.2 射膠速度與時間

聚酯瓶胚射膠速度太快會導(dǎo)致瓶胚飛邊或者內(nèi)應(yīng)力太大導(dǎo)致無法吹瓶，也有可能由于模具排氣不足而產(chǎn)生氣泡或表面燒灼現(xiàn)象，射膠太慢則會導(dǎo)致注射不滿、部分結(jié)晶或瓶胚縮水，射膠速度慢也會加長整體生產(chǎn)周期，因此合理的射膠速度至關(guān)重要。一般推薦射膠速度：8g/s～12g/s（每個瓶胚），隨著原料性能的改進(jìn)及模具流道的改進(jìn)，瓶胚壁厚在4mm以內(nèi)時，每個瓶胚理想射膠速度建議為9g/s～14g/s，壁厚更大時射膠速度還可加大，最大可達(dá)到18g/s～22g/s。當(dāng)然，射膠起步階段，膠料開始進(jìn)入模具內(nèi)，主要為排除模具內(nèi)空氣，速度還可以適當(dāng)加快。如8腔360g壁厚7mm的瓶胚，每腔穩(wěn)定的射膠速度可達(dá)22g/s（總的射膠速度為8×22=176g/s），總的射膠時間可快至13s，根據(jù)不同情況設(shè)定射膠速度，射膠時間差異可達(dá)10s以上。因此設(shè)定合理的射膠速度，有助于在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，縮短周期時間。

3.3 射膠壓力

射膠過程應(yīng)該受速度控制，不應(yīng)該受壓力控制，射膠壓力能保證射膠過程的速度，設(shè)定壓力大于實際需要壓力10bar～20bar即可。聚酯瓶胚射膠工藝上最常見的一個誤區(qū)是，射膠壓力不能大，否則型芯會被打偏，瓶胚會偏心或者內(nèi)應(yīng)力太大不好吹瓶，所以操作者不敢輕易將壓力設(shè)大。聚酯材料在受熱及充分塑化后，流動性會比較好，相比其他工程塑料，不需要太大的射膠壓力，所以大部分的PET瓶胚注塑機(jī)本身射膠壓力是不高的，而且這樣最大的好處是可以選擇大直徑的螺桿來確保熔膠速度。常規(guī)注塑機(jī)標(biāo)準(zhǔn)螺桿直徑注射壓力基本在1800bar，PET瓶胚注塑機(jī)的注射壓力一般只在1100bar～1300bar，所以設(shè)定偏低的壓力無法保證熔膠速度，導(dǎo)致機(jī)器提前進(jìn)入保壓模式，影響周期時間。尤其是壁厚在3mm以下的瓶胚，需要更大一些的壓力?？茖W(xué)的做法是結(jié)合射膠曲線來看，首先結(jié)合上文設(shè)定合適的射膠速度，初始時可將射膠壓力設(shè)定為較大的保證速度，然后根據(jù)實際射膠過程的壓力曲線，提取到實際的壓力，再將射膠壓力設(shè)定為大于實際壓力10bar～20bar即可。

3.4 保壓時間

聚酯瓶胚的注塑進(jìn)入保壓過程，補(bǔ)充熔融膠料彌補(bǔ)固化過程的收縮，保壓時間長短取決于熔體溫度、冷卻固化速度及瓶胚壁厚。溫度越高、冷卻固化越慢、瓶胚越厚都會導(dǎo)致保壓時間加長。保壓的最終目的是保證瓶胚的重量及外觀效果等合格，在保壓壓力和時間的設(shè)定上，可以在達(dá)到最終位置的前提下，反復(fù)優(yōu)化。同時，瓶胚固化成型后進(jìn)入冷卻時間，此時仍保持保壓也不會改變瓶胚效果，但會壓縮冷卻時間，而塑化與冷卻是同步進(jìn)行的，冷卻時間縮短了，留給塑化時間則會不足，導(dǎo)致整體生產(chǎn)周期的加長。所以通過優(yōu)化保壓工藝參數(shù)，在取得較好的制品效果前提下，得到盡可能短的保壓時間及整體生產(chǎn)周期時間。

4 塑化與冷卻

4.1 塑化時間

理想的塑化時間，不應(yīng)大于冷卻時間，否則會影響整體周期時間。而冷卻時間可以通過一些辦法來壓縮，則塑化時間也要盡量縮短。塑化時間主要取決于注塑機(jī)螺桿直徑、結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)速及料溫等，好的螺桿設(shè)計還可以降低料溫及剪切溫升，更有助于縮短保壓時間及冷卻時間。當(dāng)冷卻足夠快，塑化時間大于冷卻時間時，注塑機(jī)則需要采取一些特殊的配置，如同步開模功能，在冷卻結(jié)束后，可以一邊熔膠一邊開模、頂出及合模；甚至同步保壓功能，在射膠結(jié)束后就開始熔膠，爭取更多的熔膠時間。當(dāng)然這些特殊的配置需要增加額外的成本，客戶需要評估成本與收益。

4.2 冷卻時間

冷卻的作用是讓瓶胚略微收縮及變硬，容易從模腔拔出及頂出，縮短瓶胚生產(chǎn)周期時，快速冷卻也是最直接的方法。冷卻需要將瓶胚在模具內(nèi)300℃左右的熔體，降低至不高于60℃的固體。為使瓶胚得到完全的非結(jié)晶狀態(tài)，冷卻速度至少需要達(dá)到每分鐘100℃，而為取得快速的冷卻效果，一般需要冷卻速度達(dá)到每分鐘300℃～400℃。模具方面需要良好的冷卻流道設(shè)計，盡量允許大的流道，允許流通更大流量的冷卻水，更快速地帶走熱量。

冷水機(jī)是必備的，前提是保證流量大小充足，一般情況下當(dāng)進(jìn)出水的壓差為0.4MPa時，冷卻水的流量便達(dá)到一個理想的狀態(tài)。冷卻水的溫度通常是設(shè)定低于環(huán)境溫度8℃～10℃，如果環(huán)境溫度在26℃，則冷卻水的溫度可設(shè)定在17℃左右，太高則會冷卻得比較慢，太低雖然會使冷卻時間更短，但會使模具表面結(jié)露，使瓶胚產(chǎn)生水痕，這是不允許的。如果使用低溫追求更快的冷卻效果，又不讓模具結(jié)露，可以通過增加除濕機(jī)的方式保持模具區(qū)域的空氣干燥。

表1為2種不同的瓶胚，在只改變冷水溫度情況下，做的一個對比試驗?？梢钥闯鐾瑯釉?3℃和23℃時的水溫時，壁厚2.5mm的瓶胚，保壓冷卻時間相差只有1.4s，而4mm壁厚瓶胚時間差為3.8s。

表1 不同壁厚瓶胚在兩種溫度下冷卻時間對比

可以看出，冷卻水溫度對厚壁的瓶胚作用更為明顯，而12℃時一般需要配模具除濕機(jī)，這個時候客戶需要考慮投入及使用除濕機(jī)的成本與生產(chǎn)效率之間的對比，對2.5mm厚的瓶胚，有可能從其他地方節(jié)約時間產(chǎn)生的成本更低，如提快開合模、取件動作速度等。

5 取件方式

取件方式可以分為自由頂落及機(jī)械手取件，選擇不同方式也會影響模內(nèi)冷卻時間及周期時間。機(jī)械手（含治具及吸胚筒）可以將仍處于高溫的瓶胚取出，放置在治具內(nèi)冷卻，可以帶2～4個冷卻工位（圖4所示為96腔瓶胚的三工位治具），讓瓶胚充分冷卻。機(jī)械手可以采用伺服電機(jī)驅(qū)動，直線移動的速度可達(dá)1.5m/s，好的機(jī)械手模內(nèi)取件時間可以達(dá)到1.8s以內(nèi)，可以快于自由頂落。自由頂落的方式，瓶胚脫模溫度一般不能高于50℃，否則瓶胚會產(chǎn)生劃痕、碰傷或相互黏連在一起。而采用機(jī)械手及吸胚筒取件，瓶胚在150℃時脫模，也不會變形或劃傷，且沒有黏連。采用機(jī)械手吸取的方式可以節(jié)省模內(nèi)近100℃的冷卻時間，是相當(dāng)直接與可觀的時間。

圖4 取胚治具及吸胚筒

6 其他時間的優(yōu)化

6.1 機(jī)器干周期時間

機(jī)器干周期時間包括合模、起高壓及卸壓、開模，以300t左右的注塑機(jī)為例，不同的機(jī)器一般干周期時間在1.8s～5s，基本取決于機(jī)器的機(jī)械結(jié)構(gòu)、油路設(shè)計及控制等，固定的條件下可優(yōu)化的空間不多。如配置性能優(yōu)異的伺服閥，可以快速平穩(wěn)地切換動作，相對普通的開關(guān)閥，有助于縮短干周期時間，通常達(dá)1.5s～2.5s。接近合模時，需要判斷模具內(nèi)有無異物，避免模具被壓壞，如果機(jī)械上增加包括靈敏的應(yīng)變檢測儀的低壓護(hù)模系統(tǒng)[1]，可以在快速合模過程中迅速地做出判斷及報警，縮短了不裝應(yīng)變儀僅依靠電腦判斷的低速運(yùn)行時間，有助于縮短合模時間約0.2s～0.6s。計算合理而不多余的開模位置，則不會浪費(fèi)干周期時間。

6.2 機(jī)器的并行動作

傳統(tǒng)工藝都是順序動作，一個動作完成后執(zhí)行下一個動作，而如果采取一些并行動作，則可以壓縮一些生產(chǎn)時間。注塑機(jī)的并行動作主要有同步開模、同步保壓、同步頂針、同步射膠等。同步開模及同步保壓在4.1章節(jié)中已有說明。同步頂針是指采取自由頂落的方式時，開模過程沒有結(jié)束時，提前頂出，讓頂出動作與開模同步，一般可以節(jié)省0.4s～0.8s的時間。同步射膠指的是，模具剛剛合上還沒有起高壓時，提前啟動射膠動作，同時進(jìn)行合模起高壓動作，熔體提前進(jìn)入模具及排氣而確保不會溢出，這種方式也可以節(jié)省0.4s～0.7s的時間。這些并行動作，都需要注塑機(jī)增加這些功能，會產(chǎn)生額外的成本。此外，當(dāng)冷卻還未結(jié)束時，電腦可以設(shè)置提前開模卸壓，僅微開1mm～2mm，冷卻完成再開模到位，這種方式也是簡單經(jīng)濟(jì)的，只需要電腦程序做出調(diào)整及改變設(shè)定，可以縮短開模卸壓的時間約0.2s～0.4s。各個環(huán)節(jié)都去爭取的話，累計起來節(jié)省的時間也是很可觀的。

7 結(jié)語

在現(xiàn)有的機(jī)器條件下，通過正確合理地設(shè)定，大約可以節(jié)省10%～20%的周期時間，再通過適當(dāng)?shù)嘏渲脵C(jī)器或調(diào)整輔助設(shè)備，總共可以節(jié)省約20%～40%的周期時間，這對連續(xù)不斷、大量的生產(chǎn)，是非常有幫助的。需要科學(xué)、正確地理解瓶胚的生產(chǎn)過程，該文從聚酯瓶胚的整個注塑工藝過程出發(fā)，針對操作者容易忽視或錯誤理解的方面，做出了詳細(xì)地分析與闡述，提出如何優(yōu)化或設(shè)定參數(shù)、增加機(jī)器功能或配置及匹配輔助設(shè)備的解決方法，對縮短瓶胚的生產(chǎn)周期有直接幫助。