淺析塑料成型工業中的綠色技術

王競男 浙江汽車職業技術學院

淺析塑料成型工業中的綠色技術

王競男 浙江汽車職業技術學院

綠色設計和制造已成為塑料模具行業的發展趨勢。把塑料模具設計、制造和塑料成型同綠色制造技術有機融合，將在加速塑料成型工業發展的同時，實現高質量、高效率、低成本、低污染的目標。

塑料模具；綠色制造；塑料成型工業

模具是工業生產中的基礎工藝裝備，而塑料模具在模具行業中占有舉足輕重的地位。傳統的塑料成型工業在設計階段僅考慮產品的功能、質量、成本和壽命等,而很少考慮其環境屬性和對資源、能源造成的浪費。因此，在塑料成型工業中提倡綠色制造尤為重要。

綠色制造是產品制造、環境影響和資源優化三方面的有機結合，是一個綜合考慮環境影響和資料利用率的現代制造模式，其目標是使產品從設計、制造、包裝、運輸、使用到報廢處理的整個生命周期中,對環境的負影響最小,資源使用率最高。

一、面向綠色制造的塑料模具設計

綠色模具的設計宗旨是，將環境性能作為產品的設計目標，力求從產品開發階段起消除潛在的、對環境的負面影響，將環境屬性融入到概念設計—結構設計—包裝設計—材料選擇—工藝設計—使用維護—回收處理的整個過程中。

1.模具綠色并行工程

綠色并行工程是現代綠色模具設計和開發的新模式,其核心是將塑料模具開發各階段看成一個過程的集成，強調產品設計及其相關過程同時交叉進行。因此,涉及產品整個生命周期的各部門必須協同工作。工藝、制造、質量、客服、銷售等各部門都要參與產品的設計工作,對產品設計方案提出修改意見等,以確保設計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計的基礎。在選材時應從以下幾方面考慮：

（1）減少所用材料種類，既可簡化產品結構，又方便原材料的標識、分類和零部件的生產、管理，在相同產品數量下，可得到更多的某種回收材料；

（2）綠色模具材料應具備:①低能耗、低污染、低成本；②易加工和加工過程中無污染或少污染；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、電解等表面處理過程中產生的環境污染。

3.可拆卸性設計

塑料模具在使用過程中部分零部件因承受過大的摩擦與沖擊造成磨損時,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零部件材料的浪費,而且因廢棄物處理不當還會污染環境。因此設計初期就應盡量使模具結構易于拆卸, 方便維護。例如：盡可能選擇通用結構,以方便更換;在滿足強度要求的前提下,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.可回收性設計

在模具設計初期就應將材料的可回收性、回收處理方法和回收經濟效益等問題考慮在內，從而在后續生產中盡量節約原材料。因此，應盡可能減少所用材料的種類；減少或不使用含銅、鉛等對污染環境的材料；避免使用與現有循環再回收過程不相容材料等。

5.標準化、模塊化設計

模具標準化是組織模具專業化生產的前提,而模具的專業化生產是提高模具質量、縮短制模周期、降低成本的關鍵。標準模架及標準件由專門的企業通過社會化分工進行生產,使有限的資源得到優化配置，此外，模架的標準化可以使生產模架所用的設備、夾具數量大大減少，在節約資源的同時，縮短了設計周期，方便加工，利于管理。

模塊化設計是在一定范圍內,在對不同功能、或相同功能下的不同性能、不同規格的產品進行功能分析的基礎上,劃分并設計出一系列功能模塊,通過模塊的選擇和組合構成不同的產品,以滿足市場的不同需求;如模具的側向分型與抽芯機構、脫模定位機構等都可以按這些方法設計、組合、再利用。

6.高壽命設計

對于注塑模具,如采用隨形冷卻水道可有效避免塑件在冷卻過程中產生的翹曲變形，提高注塑成型精度和模具使用壽命;此外還可將結構復雜的凹模設計為鑲拼式結構,減少應力集中現象引起的模具變形問題，并且在產生使用磨損后還方便修磨,從而有效延長模具壽命。

7.智能化、自動化設計

對模具制造業，CAD/CAPP/CAM/CAE一體化是模具設計自動化的重要措施和基礎。采用CAD/CAPP/CAM/CAE 技術，可實現少圖紙或無圖紙加工，在節約資源的同時可有效縮短模具設計與制造周期。例如，現在廣泛應用的CAD三維軟件(Pro／E、SolidWorks、UG 等)基本都集成了CAE技術，可模擬熔體的流動情況并進行強度、剛度、抗沖擊性等性能的實驗模擬，預知塑件有可能出現的成型缺陷，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。要在提高經濟效益的同時，產生的能耗最低，對環境影響最小，除了利用現代設計技術之外，還需要采用模具先進制造技術。

1.模具設計反向工程

反向工程(Reverse Engineering,)是通過掃描測量獲得已有產品實物或模型的幾何信息，然后利用CAD/CAM 技術快速、準確地建立產品的數學幾何模型，經過工程分析、結構設計和CAM 編程，數控加工出產品模具，最終制成產品的過程?，F已廣泛應用于模具翻制、產品改型等生產活動中。RE技術是學習先進技術近而改造和開發新產品，加速設計、制造過程的重要手段。

2.模具快速原型制造技術

快速原型制造技術(Rapid Protoyping Manufacturing，RPM )集成了機械、計算機、數控、激光和材料技術等現代科技成果，突破了傳統加工技術去除材料的方法，而是基于離散∕堆積原理，根據CAD造型生成的零件三維幾何數據，通過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。由于無需經過模具設計制造環節，RPM 技術大幅度降低了新產品開發研制的成本,極大地縮短了生產周期。

3.模具高速切削技術

傳統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、深槽以及很細的紋理等，一般形狀不太復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，這樣可大大節約電火花和拋光的時間以及相關材料的消耗，從而減少對環境的負面影響。例如，德國Droop公司生產的FOG2500銑床，主軸轉速為10000～40000r/min，加工精度達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

塑料注射成型裝備是塑料成型工業的重要工藝裝備，廣泛應用于汽車、家電、航空航天等領域。而現代制造業中80%以上的塑料制品都采用注射成型加工制造。隨著全社會環境保護和資源節約意識的不斷增強，塑料注射成型工業中不斷涌現出多種綠色節能環保新技術。

1.面向綠色制造的注射機

（1）節能的動力驅動系統

隨著伺服電機驅動液壓泵的伺服節能系統的出現，注射成型過程中節電20%～80%已成為可能。例如，寧波海天集團推出的天泰系列電液復合動力注塑機，其整機采用直壓式鎖模單元，配以單缸注射結構，采用伺服電機與滾珠絲桿結構實現“S”形開關模動作，并用線性導軌導向，速度快、平穩性好、精度高、能耗顯著降低。

（2）微型注射機

隨著電子通訊、生化產業的飛速發展，產品逐漸趨向小型化、輕量化和功能多樣化，對微細化零部件的需求日益增大。用傳統注射機生產微型塑件，流道凝料常占注射總量的90%，浪費嚴重，此外還伴隨著質量難以控制，廢品率高等問題。微型注射機應運而生，例如，香港力勁機械國際有限公司推出的SP系列微型注射機注射系統精度可達5μm，最小注射量為0.01g，該微注射機采用無閥門結構設計排除了物料滯留于閥門的隱患，并可減少材料浪費。

2.面向綠色制造的注射成型工藝

（1）超高速注射成型

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

（2）熱流道技術

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

[1]李發致編著.模具先進制造技術[M].北京：機械工業出版社.2003.3

[2]徐哲.高速切削加工在模具制造中的應用[M].CAD/CAM與制造業信息化化.2004,(11):90-92

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.09.090