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水雾注射技术缩短循环周期 |
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作者：Walter Michaeli 来源：德国Kunststoffe international杂志 |
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拉伸吹塑成型被用于生产具有极好机械性能和光学性能，同时又兼具重量轻和成本低的优势的高质量瓶子。当前用于两段式拉伸吹塑成型的转瓶机每腔每小时的产量可达1800个瓶子，即事实上用于成型和冷却相关的循环时间为两秒。然而更高的生产率则受到了冷却部件以使其到达脱模温度而所需时间的限制。冷却周期的测定通过对塑料瓶子底部温度的测量来进行，与较薄的瓶子侧壁相比，瓶底是厚壁，因而将热量散发到冷却的模具上的速度更慢一些。为了进一步缩短拉伸吹塑成型的循环周期，必须找到合适的方法来缩短冷却时间。 
通过瓶子的内表面来对其进行冷却
在传统的拉伸吹塑成型中，吹塑瓶的冷却主要是通过瓶子外表面和模具之间的接触来完成的。由于具有极好的热导性，水冷方式的铝制模具被广泛采用。瓶子外壁和模壁之间的热传递通过增加吹成阶段的内压来进行改善。采用这种传统方法的话就没有大量的热量从瓶子的内壁散出。因此增加通过瓶子内壁的散热也就提供了一种在拉伸吹塑成型过程中大大缩短冷却时间的的方式。
在与挤出吹塑成型相关的技术中，不同的内部冷却方式也已经被进行了研究以缩短生产的循环时间。这样，间歇冷却和清洗空气法以及冷却空气注入或者低温液化气都缩短了冷却时间。然而，这些方法的吸引力因加工技术的复杂性和冷却液体的成本而大打折扣。
另一种通过瓶子内表面散热的方法是通过往瓶子内部注射水雾来实现。位于德国亚琛大学塑料加工研究所(IKV)进行的一个AiF项目已经成功地将这种方法用于挤出吹塑成型中。该实验缩短了多达41%的冷却时间。因为相对简单的机器和水作为冷却介质的高度可靠性，这种将该冷却方法用于拉伸吹塑的想法很有吸引力。
目标
德国Neutraubling的Krones 股份有限公司和IKV的一项联合研究项目研究了在两段式拉伸吹塑成型中用水雾注射来缩短冷却时间的可能性。为此，IKV为Krones的实验室的拉伸吹塑成型机设计了一个高压水系统，它能在适当的时候通过拉伸杆往已经成型好的瓶内注入水雾。注射水雾的目的是引出瓶子材料中多于的热量，从而缩短所需的冷却时间。
实际应用
图1所示为拉伸吹塑成型和采用水雾技术来冷却的示意图。首先，受热的预成品被放入吹塑模具内，然后模具被合拢。然后预成品被拉伸杆沿轴向拉伸。几乎就在同时，一个预膨胀压力被施加，这样防止瓶胚和拉伸杆接触并且也沿圆周方向拉伸预成品。一旦拉伸杆达到其拉伸的末端，成型膨胀压力就被施加并且预成品就被成型成一个瓶子。除了最终的成型外，最终的膨胀压力确保瓶子材料和模具壁之间的好的热传递。在传统方法中，模具内部的压力将会在瓶子冷却后被释放。然后模具将打开并且成型的瓶子将被脱模。
图1 集成有水雾注射装置的拉伸吹塑加工过程
在集成有水雾注射装置的拉伸吹塑成型加工的最后膨胀期间，在瓶子成型以后，一个附件的步骤马上执行，也就是，一个位于拉伸杆顶部的水雾喷嘴将水注入模塑部件的内部(图1所示)。注射时间窗需要和拉伸杆同步，以便壁厚较厚的瓶底区域能被形成的锥形喷雾所润湿。一旦瓶底完全成型后，水雾就能被注射进瓶内。另一方面，可提供的注射时间窗受拉伸杆从模具中抽出的时间限制。
用于研究的水雾注射系统是一个Nessie Plug & Spray单元(制造商：Danfoss有限责任公司，德国)。装配的该水雾注射系统的关键元件列在图2中。装置用的水由传统的水供应系统所提供。这包括确保水质量稳定的过滤系统。下游的泵站提供形成水雾所需的80到100 bar的压力，并且压力由下游的一个压力传感器来调节。系统还提供一个压力储存池，它在产品生产期间提供足够大体积的水来确保压力保持恒定。水雾注射系统的中心元件为转换阀和水雾喷嘴的结合。为了此项研究，一个用于转换水注射开始和结束点的Danfoss VDH 30 3/2路阀被采用。阀的电磁铁线圈由LabView程序控制(制造商：National instrument，美国），其依次接收到来自拉伸吹塑成型机在预膨胀阶段开始时发出的触发信号。此类阀具有的显著优点是能够在注射过程的末期自发地释放消耗通道中的压力，以使下游喷嘴从不会发生滴液情况。水雾喷嘴被用螺丝固定在拉伸杆的末段(图3所示)。拉伸杆正常地安装在拉伸吹塑机内。所用的喷嘴(制造商：Danfoss有限责任公司)集成了回流阀，其能进一步确保不会发生流延现象。
图2 水雾注射系统的基本设计
图3 带水雾注射喷嘴的拉伸杆
对冷却效应的影响
在水雾冷却系统被安装到实验室的拉伸吹塑机上之后，该方法就被用于对0.5和1.5升的PET瓶进行实际研究(图4所示)。为此，喷嘴的型号、注塑周期和压力都进行了相应的改变。冷却水雾对所需的冷却时间的影响通过测量瓶底温度和其基础尺寸的精度来进行。由于冷却条件对瓶底的稳定性有极大的影响，在内压和环境影响下成型好的瓶子的耐应力开裂性也被进行了测试。使用水雾注射对这些目标值所表示的冷却性能具有显著的正面影响。少数选择样品的冷却效应对瓶底温度的影响是负面的。
图4 进行了研究的0.5和1.5升瓶子
瓶底温度通过一个热成像照相机来进行测量。为此，瓶子在吹塑段成型后就马上被取出用于测温。每次测量的参考值为浇口附近瓶底区域温度的平均值。图5所示为通过采用水雾冷却方法生产而得到的瓶底温度作为注射周期和瓶子尺寸的函数而降低的情况。这或许可看作水雾注射显著降低了瓶底温度的情况。选择的注塑周期对冷却效应具有主要的影响。这可通过注射进瓶子的水的体积水注射周期的增加而增大，从而增加了冷却效应来解释。而且，研究表明冷却效应对0.5升瓶子的影响比对1.5升的明显更高。这依次可由大瓶子的瓶底更厚和需冷却的塑料体积更大来解释。
图5 瓶底温度作为注射周期和瓶子尺寸的函数而降低
由水雾注射法可得到的生产率水平由每小时每腔2000个瓶子的工作点来进行测试，并且逐步降低没有采用水雾注射法的生产的产量，直到产品的质量标准达到水雾注射法开始工作点时的水平。列于图6中的结果为平均瓶底温度。在采用水雾注射法和每小时每腔2000瓶生产能力的情况下，脱模后立即测得的瓶底温度约为81.5℃。作为对比，在同样的工作点，没有采用水雾注射法生产的瓶子的瓶底温度约为84℃。只有在没有采用水雾注射法生产量为每小时每腔1700瓶时，其瓶底温度才和采用水雾注射法在更高产量下时生产的瓶底温度相当。因而，对于这个工作点而言，采用水雾注射法增加了大约18%的生产率。 
图6 由于采用水雾注射而使产量提高
总结
水雾注射技术已经被成功地用于实验室拉伸吹塑机上。研究表明水雾注射可使冷却效率显著提高。因而，水雾的使用缩短了冷却时间，从而大大增加拉伸吹塑机的产量。 (end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(7/27/2009) |
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