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管道圆周壁厚控制新技术
作者:HEINZ GROSS    来源:KUNSTSTOFFE INTERNATIONAL杂志
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塑料挤出机展厅
片材生产线, 单螺杆挤出机, 双螺杆挤出机, 板材生产线, 木塑挤出机, ...
身处现在全球竞争激烈的大环境中,生产制造型企业如果不能用高人一筹的优质商品来击退竞争者,就很难持续生存发展。从长远来看,大浪淘沙胜出的那些公司,其首要核心竞争力就是能够以最低生产成本提供高品质产品。薄片、薄膜和管道产品的生产采用不同塑料生产工艺,通过比较可以清楚看出,削减成本潜力空间最大的是管道挤出生产领域。在挤出生产中,由于原材料成本在整个生产成本中占有的比重超过50%,显而易见,若要实现最大程度的成本节约,就应该积极探索如何降低原材料生产用量。

目前薄膜生产普遍可以达到膜厚偏差低于5%。而管道生产的合格壁厚偏差,欧洲标准往往是10%范围之内,例如,根据EN 1401-1,直径110mm泡沫PVC管道的合格壁厚为3.2到3.8mm。尽管如此,所有的管道生产制造商都在向着更小偏差这个目标努力,但现在的实际生产偏差往往还是超过了5%。薄膜生产之所以能够实现较小偏差,是因为采用膜厚闭环控制,特别是在挤塑薄膜生产中可以实现整个生产宽度的控制,这目前在全球范围内已经是最顶尖的技术。而管道挤出生产还只能望其项背。由于校准管道圆周壁厚这道工序缺乏系统的技术解决方案,操作者仍被局限在只能手动比照心轴将模具居中定位,而由于无法借由传统管道端口的圆周固定对焦螺丝来调整模具居中定位,更使得这个过程难上加难。

通过对管道圆周壁厚实施闭环控制,从而实现减少管道的原材料生产用量,为了达到这个目标,就必须给管道端口配备可控驱动器。为了达到更好的预期效果,首先需要实现的是能够将管道端口自动居中定位。壁厚偏差最小化的目标如果得以达成,便可通过控制系统来减少管道圆周存在材料不均匀点。只有采用这种设计,才能实现管道生产中的长期壁厚偏差趋近于薄膜生产中的普遍膜厚偏差,现在Flexring模具试验成果也从理论上验证了这种方案的可行性。

倾卸模具的自动居中设计

随着倾卸模具技术的研发成果出炉,终于破解出了管道端口自动居中的简单解决方案。在这套解决方案中,为了校准模具比照心轴的定位,模具没有采用以往的移除脱模,而是取而代之采用倾卸脱模,并且管道端口和模具之间的密封口采用弹性密封,密封材质改良自人造橡胶,特别适用于这种用途。当使用传统手动可调定位螺钉时,系统也能够保障比传统放射状排列居中定位螺钉更精准的居中定位。采用了这种无须额外控制的自动调节系统,倾卸模具技术便更显而易见拥有成本低廉的优势,无论是倾卸模具,还是比手动定位更加精准的模具自动居中,仅仅靠两个低成本的步进电机便可足够支持。

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在去年10月德国Düsseldorf的塑料展览会上,新型倾卸模具技术并弹性倾卸组件第一次被展出(见图1)。虽然问世不久,这项技术的广泛应用范围已经被成功验证,面对不同系统,多种多样的原材料,甚至相当大范围内的管道直径系数,系统都可应对自如。测试倾卸模具技术的准备工作进展十分顺利,任何现存管道端口都可以通过安装弹性密封组件很迅速完成升级,且成本低廉。一款专门为了生产医疗用途PLA毛细血管的模具,初始目的是作为倾卸模具工具,现在已经通过了测试,这套模具代表了管道规格的最小极限,毛细血管的外直径仅有0.2mm,足以说明倾卸模具技术能够充分实现高精准度和敏感度的居中定位。

管道端口和模具之间的区域必须密封,目前用弹性倾卸组件升级的最大模具在这个部位的直径为220mm,该模具同时具备个端口给挤出吹塑生产线供应半成品。在新型倾卸系统下,模具定位在管道端口的中心,这种紧密的配合也缩短了启动待机时间,挤出吹塑更额外收获了一个改良惊喜,因为系统装有自动调整装置(见图2),吹塑设备便不再需要停下来调整半成品的下落。精明的吹塑薄膜生产商更是充分利用倾卸模具技术的优势,首次用弹性倾卸组件改良其现有的吹塑薄膜模具。

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从材料方面来看,倾卸模具已经被成功通过了聚烯烃,PVC,PA和PLA的生产测试。从经济角度来看,倾卸模具技术的额外优势在于,比起传统居中定位技术用的模具端头,制造商采用这样一个模具端头所花费的成本要低得多。

结果表明,模具技术首次实现了应用于管道挤出生产线来校准壁厚偏差。现在采用Flexring模具使用寿命可超过10年,能够有效比减少管道壁厚的分布不均的情况。该模具成功应用了吹塑薄膜生产几十年来一直采用的设计原理,为了减少管道圆周壁厚偏差,从模具流出的液流通路被限定在一个有限区域内,改变了流阻便不会影响到邻近区域。采用这种方法,便可以在管道生产实践中实现相对较小的壁厚偏差(见图3)。

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图3 采用Flexring模具,通过实地改良液流通路间隙,从而实现模具圆周壁厚的均匀分布(管道规格:110 × 9 mm)

闭环控制Flexring模具解决方案

尽管试验呈现了让人着实欢欣鼓舞的成果,但Flexring模具无法立即投入生产实践却是铁一样的残酷事实,因为与传统管道端口相比,Flexring模具需要额外增加人力来精准调整模具圆周外围的众多定位螺钉。急速出现的线性波动,在更小壁厚偏差时会变得更加频繁,都使得这一问题更加愈演愈烈。这里需要研发一个控制设计,并根据要求编写相应程序,但在很长时期内,都没有出现对这个项目感兴趣的参与者。

德国政府为开发管道圆周壁厚控制技术提供了优厚条件,也让经济危机和再激励一揽子计划说了再见。由德国经济部管理的中型企业重要创新项目,现在主要投资基金给两个独立的项目,目标致力于发展泡沫内芯PVC管道圆周壁厚的最大限度恒定闭环控制。在这些项目中的第一个便是德国Obertshausen的Ingenieurbüro Walz正在开发的相对简易和低成本的新型测量系统,它的独特之处在于不仅可测量固体壁厚,还可以测量泡沫内芯管道。图4展示了德国Bad Zwischenahn 的Pipelife Deutschland有限公司测试系统整合进管道挤出生产线的应用情况,这套设备用于生产直径110mm的泡沫内芯PVC污水管道。

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然后,采用管筒和步进电机实现模具间隙的自动调整,对Pipelife现存的模具端头进行改造。

在第二个经济部基金项目中,德国Arnsberg的aiXtrusion有限公司将会设计控制系统,并根据新测量系统的管道圆周壁厚数据,来编写相应的软件计算控制器输出值。利用这些控制器输出值,管道端口的液流通路间隙将会被实地校正,从而减少壁厚偏差。所有的试验将会直接实施在Pipelife用于生产直径110、125及160mm的泡沫内芯PVC管道的生产设备上。预定目标自然是希望在大幅降低壁厚偏差来节约原材料的前提下,还能提升管道产品品质,但也期待可以进一步缩减生产和质控所需的人力。

总结与概述

脱模方向壁厚控制已经成为合格管道挤出生产系统的通用实际操作必备,也成为标准配置,如今在这一基础上,具备所有技术先决条件的现有管道挤出生产领域,也努力探索对管道圆周壁厚的闭环控制。以往在生产自动化方面,管道生产远远落后于吹塑薄膜挤出生产,现在终于迎来了机会扭转这一局面,甚至有望反超。挤出薄膜生产线仍然需要手动调整传统居中定位螺钉来降低过大膜厚偏差,而管道壁厚控制的现阶段开发中也有聚焦壁厚偏差的校正,将采用弹性倾卸接头的倾卸模具来首次实现。当进一步探讨在单个基础设备上进行改良升级是否能产生经济效益,这就最终成为一个必要投资和折旧期限的问题。完美匹配的壁厚测量系统应用在挤出生产线上,便可自然简化这个纠结的抉择。就算无法完全实现,目前开发的壁厚测量系统也能够称得上是有利可图的替代性选择,因为它或比传统超声波测量系统的造价要低廉。不过目前尚未能盖棺定论,现在只有图4所示的试验系统正在测试阶段,控制系统的编程也仍需完成。因此,第一套能够同时控制脱模方向和圆周方向壁厚的生产系统何时才能问世,当前还难以预测。
文章内容仅供参考 (投稿) (12/26/2012)
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