從德國K 2016看注射成型行業技術發展趨勢

謝鵬程，武高健，張玉麗

（北京化工大學機電工程學院，北京100029）

綜 述

從德國K 2016看注射成型行業技術發展趨勢

謝鵬程，武高健，張玉麗

（北京化工大學機電工程學院，北京100029）

根據2016年德國杜塞爾多夫國際塑料及橡膠展覽會（K 2016——International Trade Fair for Plastics and Rubber）現場參觀體會，重點介紹了注射成型行業目前代表性的技術趨勢，包括智能化、輕量化與綠色制造、高效精密化、增材制造等，指出工業4．0和中國制造2025為中國注塑產業帶來的發展機遇。

塑料；橡膠；展覽會；注塑產業；智能化；輕量化；綠色制造

0 前言

被稱作是“自舉辦以來最成功的K展”的K 2016（簡稱K展）于2016年10月26日在德國杜塞爾多夫完美落幕。據統計，共有來自160個國家約230000名有投資意向的觀眾和3285個展商參與此次盛會［1］。其中70％的觀眾來自于國外，40％來自于歐洲以外的國家和地區。來自亞洲的近30000觀眾是外國觀眾中的最大群體，其中印度參展人數最多，中國、韓國和伊朗的觀眾數量也有明顯增長。在過去10年中，全球塑料加工業生產格局的改變。除了美國、日本和德國基本保持原有份額以外，以中國為代表的亞洲新興市場的全球銷售占比顯著提升。市場對塑料產品的需求在未來幾年將繼續增長，預計亞洲塑料加工業在未來10年還將保持10％的年均增長率。此次展會碩果頻豐，整個產業受益于全球終端用戶市場不斷增長的高品質需求，參展觀眾紛紛展現出強烈的投資意愿。

K 2016的口號是“工業4．0——Working for you！（為你而為）”設備制造商們都基于這一目標努力為用戶創造出具有更高附加值的技術解決方案。對于塑料加工業來說，工業4．0本身并不是最終目的，智能工廠的目標是通過信息化和網絡化，以及自我優化的制造流程來提高生產率并實現資源的最佳利用。這對客戶則意味著可靠的生產與高標準的品質，最終將帶來決定性的競爭優勢。本屆K展上，幾乎所有參展單位都以完整的生產單元形式來展示工業4．0如何使制造過程更高效，以及如何使產品本身變得更加智能。作為塑料行業的技術發展趨勢的風向標，本文將透過本次K展簡要總結注射成型行業代表性的幾項技術趨勢。

1 工業4.0：智能制造推動行業未來發展

K 2016期間，歐洲塑料和橡膠機械制造商協會（EUROMAP）推出了EUROMAP 77標準，這是一種面向工業4．0的注塑機與中央計算機或制造執行系統（MES）之間數據交換的新工業標準，這方面歐洲企業已經走在了前面。從目前市場現狀和未來發展趨勢來看，智能化將是我們必須面對的挑戰，目前也是歐美發達國家把握在手中的市場陣地。

德國恩格爾公司（Engel Austria Gmb H，簡稱恩格爾）通過其“inject4．0”概念和相關技術向用戶全方位詮釋注射成型工業4．0，分別從智能機器（smart machine）、智能生產（smart production）和智能服務（smart service）3個層面來實現智能工廠的目標［2］。

在智能機器方面，恩格爾的iQ系列軟件可以持續不斷地分析關鍵工藝參數，及時發現偏差并進行補償，從而避免產出廢品。如iQ Weight可以在整個注塑過程中保持射膠量和熔體黏度的恒定（圖1所示）；iQ Clamp可通過控制模具的排氣持續調整合模力；iQ Flow可實現模具溫度的閉環控制。在環境或者原料發生變化時，恩格爾軟件自動采取措施來保持工藝的一致性，從而確保產品的品質。

（a）注塑過程中偏差分析 （b）注塑過程中保持射膠量和熔體黏度恒定圖1 恩格爾的iQ Weight control系統Fig．1 iQ Weight control system of Engel

在智能生產方面，恩格爾的e-factory系統可以將所有高度集成的自動化生產單元完全聯網，從一臺中央電腦上觀察并分析每個機器的工作狀況、使用情況以及產量。新增加的能源模塊可以讓用戶對機器能源的消耗進行詳細地展示、分析和優化，通過自動控制注塑機的啟動避免出現能源使用高峰。

在智能服務方面，恩格爾的e-connect．monitor可在線監測設備核心部件工作狀態并提供可靠地故障診斷結果，避免因設備零件問題而導致意外停機。對磨損情況的分析可以確定導致關鍵零件加速磨損的關鍵過程參數，再通過參數調整可以避免磨損再次發生。econnect．monitor擴充了恩格爾inject 4．0解決方案的范圍，為實現智能工廠建立了新的里程碑。

德國克勞斯瑪菲公司（KraussMaffei Technologies Gmb H，簡稱克勞斯瑪菲）將其工業4．0解決方案稱為“Plastics 4．0”，從智能機器（Intelligent Machines）、集成生產（Intergrated Production）和交互服務（Interactive Service）3個層面進行實施，文字表達上略有不同，但是內涵一致。

智能機器：克勞斯瑪菲在2014年時就推出自適應過程控制系統（Adaptive Process Control，簡稱APC）。本次展會上的APC Plus可以更有針對性地對由于環境條件變化、停產或使用回收材料造成的工藝波動做出響應。APC plus首次考慮了20種基本材料的具體性能（如熔體的可壓縮性），并在保壓階段自動采取措施進行調控。

（a）帶有二維碼的注塑制品 （b）制品二維碼對應的加工數據圖2 克勞斯瑪菲的DataXplorer系統Fig．2 DataXplorer system of KraussMaffei

集成生產：DataXplorer是克勞斯瑪菲研發的具有檢測、分析和記錄注塑生產過程以及上下游加工過程綜合工藝數據的開放性系統，如圖2所示。本次展會通過CX 300 FiberForm生產系統為例展示其生產過程中無縫鏈接的新網絡智能解決方案。所有以品質為導向的加工數據如有機板加熱曲線或注塑壓力、模腔壓力曲線等，都被記錄在數據庫中并形成跟隨組件一起的二維碼，可在全球范圍內查詢和跟蹤每個組件的加工數據。

交互服務：克勞斯瑪菲展示了監控機器、評估實際數據和各種服務功能的眾多工具，如基于OPC-UA報告的聯網機器的攝像頭應用和中央計算機接口標準化等。客戶還可在任何時間通過克勞斯瑪菲網站直接登錄電子服務平臺（E-Service platform），查詢所有相關的中央數據，快速處理問題。

德國阿博格公司（Arburg Gmb H＋Co KG，簡稱阿博格）在本次展會上展示了其工業4．0的應用新模式：空間上分離生產并且個性化制造的“智能”行李箱標牌［3］。行李箱標牌作為信息載體，用戶的聯絡數據以電子名片（vCard）的形式與生產過程數據一同存儲到集成的NFC芯片中，最后用激光對行李箱標牌進行個性化處理。生產數據可由生產部件的行李箱標牌提供信息直接從云端獲取，從而實現靈活的分散生產。

德國威猛巴頓菲爾公司（Wittmann Battenfeld Gmb H，簡稱威猛巴頓菲爾）推出可在Windows操作系統下運行的新一代UNILOG B8控制系統，可方便地集成標準應用以及基于互聯網的服務支持［4］。Quick-Setup程序能夠快速完成機器與新模具的初始設置，通過B8中的材料數據以及錄入與成型部件和機器有關的數據，該控制系統即可計算出初始的工藝參數用于參數的快速設置。憑借Wittmann 4．0技術，可以通過單一的監控屏幕，對注塑機和周邊設備可視化和操作。

博創智能裝備股份有限公司（簡稱博創）的工業4．0技術也是通過一套交鑰匙系統進行展示，而且產品能夠滿足工業4．0的歐洲標準。此外，其他國內參展的設備供應商都相繼推出各自品牌的工業4．0的解決方案。如震雄集團有限公司控股的iChen 4．0、東華機械有限公司的2．0、廣東伊之密精密機械股份有限公司的I-factory 4．0等，關注重點是解決生產過程的監控、管理及服務。

海天國際控股有限公司（簡稱海天）在討論工業4．0時，考慮更多的是成本因素，以及如何將信息技術與制造業更深入地融合。海天提出“以恰到好處的技術打造靈活性”的參展口號，重點展示其能夠滿足80％市場需求的標準化應用解決方案［5］。早在K 2013海天就已將發展方向設定為：“小機電動化，大機兩板化”。截至2015年底，海天小噸位全電機銷售份額從11．1％上升到14．8％，大中噸位的兩板機銷售份額也從19．5％提升至28．5％。此次K展上，海天發布了“模塊化生產”的新戰略，客戶在未來可以更加方便地將不同規格型號或是將全電機和伺服液壓設備的零部件進行混合和匹配。“模塊化”戰略有助于幫助客戶找到柔性制造、生產效率和價格的最佳組合，也將幫助海天更方便地適應工業化程度不同的國家的需求。新發布的“模塊化生產”也被海天稱為是未來注塑機設計的發展方向。

2 汽車工業：輕量化及綠色制造

近年來，隨著各國不斷出臺愈加嚴苛的燃油經濟性、排放、回收標準，汽車行業要想在這樣的大背景下實現可持續發展，輕量化勢在必行。其中，采用新型輕量化替代材料是行業內普遍看好的實現途徑。

克勞斯瑪菲推出了熱塑性樹脂傳遞模塑成型（TRTM）技術［6］，如圖3所示，該技術能在較短成型周期內生產出由纖維、塑料和金屬制成的混合材料汽車樣件。新的計量系統可實現原料（己內酰胺）的按需供應，近凈形狀的生產最大程度地減少了碳纖維材料浪費和加工步驟，該工藝可同時用于加工玻璃纖維（白色）和碳纖維。現場展示的成型樣件是一種帶有金屬嵌件的纖維增強復合材料汽車結構部件，生產過程只需幾分鐘。顯然，熱塑聚酰胺6（PA6）結構件比熱固性塑料擁有更高的沖擊強度和更大的韌性斷裂特性。此外，T-RTM相比注射成型工藝具有更高的纖維含量和更低黏度，因而可生產出壁厚極薄的部件。克勞斯瑪菲的T-RTM工藝將反應加工設備、熱塑性材料以及傳遞模塑工藝集于一體，同時具備連續纖維、短周期、可焊接及可回收等方面的優勢，實現了對現代輕量化生產的完美整合。

圖3 克勞斯瑪菲的T-RTM模塑成型工藝Fig．3 T-RTM moulding equipment of KraussMaffei

恩格爾展示了利用模內成型皮紋覆皮工藝（In-Mould Graining，IMG）結合連續滾動式制程生產汽車內飾件產品，這是恩格爾首次在完全自動化的生產單元中展示DecoJect技術［7］。圖4給出了恩格爾IMG在70 s內生產出具有許多先進特性的汽車門內板。與傳統的IMD工藝不同，IMG工藝不是簡單將圖案從薄膜傳遞到組件上，利用激光對薄膜進行精細加工并將其保留在組件上，制件顏色、圖案、表層結構和觸感都一次成型。為了表明新技術應用前景，展示的部件表面呈現出包括復雜皮革顆粒在內的多種結構。

圖4 恩格爾IMG生產的具有許多先進特性的汽車門內板Fig．4 The car door panel with lots of advanced nature made by IMG

阿博格則采用物理發泡方式的ProFoam工藝用于轎車內飾件生產，同時借助動態模溫控制技術可獲得高質量的高光表面［8］，如圖5所示。ProFoam技術的基本原理是在原料進入機筒之前通過超臨界氮氣進行浸潤發泡，其優勢在于不需要在螺桿上設置額外的剪切和混合功能部件。采用Profoam技術可注塑出輕質、穩定并且不易變形的部件，部件具備均勻的發泡結構。相比于傳統注塑工藝，獲得的制件不僅可減重13％以上，而且增強纖維平均長度更長。

圖5 阿博格ProFoam發泡工藝生產汽車內飾的外觀部件Fig．5 Car inner decoration manufacted by ProFoam of Arburg

克勞斯瑪菲的Color Form工藝僅通過一道工序即可將具有不同厚度、不同表面效果（比如表面同時具有啞光和高光澤度）和顏色的聚氨酯涂層涂覆于熱塑性背襯材料之上［9］。ColorForm工藝完全取代了傳統的噴漆及其上下游所需配套工藝步驟，無需單獨清潔部件。新工藝既可提高生產效率和產品合格率，又可顯著降低生產成本。作為一種高光表面部件的綠色生產方案，ColorForm可將高光澤表面與各種基體材料（如熱塑性塑料、熱固性塑料或聚氨酯）相結合。可實現從透明到鋼琴黑的廣泛色彩的顯示，使得顏色管理靈活可變，從而使設計更為自由。

3 包裝工業：高效及精密的追求永無止境

包裝行業是聚合物應用最廣的行業之一，約30％的歐洲包裝應用都要求2～3 s的極短周期。不斷提升生產效率和精度是包裝行業對于生產系統永無止境的要求。

德國住友德馬格公司［Sumitomo（SHI）Demag Plastics Machinery Gmb H，簡稱住友德馬格］在全球塑料包裝制造領域的份額超過20％，目前已經有超過2000臺El-Exis SP注塑機用于薄壁塑料包裝、螺紋蓋和各種密封件的生產。展會現場展示的是利用El-Exis SP 200高速注塑機和1模4腔模具生產裝飾杯，周期不到2 s，這應該是K 2016展會上生產裝飾容器最快的機器。此外，El-Exis SP 420注塑機在2＋2疊模中采用注射壓縮工藝生產聚丙烯（PP）托盤，注射壓力和鎖模力顯著降低、保壓壓力分布均勻，成品的殘余應力和翹曲變形也明顯減弱，最終達到更薄、更輕的生產效果。

瑞士耐馳特公司（Netstal-Maschinen AG，簡稱耐馳特）在K 2016展示采用ELIOS 7500注塑機，搭配24＋24疊模，每小時生產超過43000多個圓蓋，每個質量為2．8 g，生產周期為4 s［10］。注塑機構由兩個動態伺服閥驅動，保證在注塑和保壓過程中實現高加速度、高注射能力和精密控制的效果。雙伺服閥使流速高達2×550 L/min，最大注射速度為2200 mm/s，加速度可達20 G。通過配備數字控制器確保高定位精度可實現注塑量的高度一致性。

威猛巴頓菲爾多組分機型SmartPower Cobmimould的每個注射單元都擁有單獨的伺服液壓驅動，使得“以低能耗實現極短的循環周期”成為可能［11］。SmartPower系列多組分機型能夠更方便地完成多色、復合材料、組裝和多組分注射成型，而且能耗更低。圖6為威猛巴頓菲爾在K 2016上展出的采用熱塑性塑料和液態硅膠制成的飲用瓶蓋生產單元采用其COMBIMOULD技術，能將數種具有不同特性及（或）顏色的塑料材料加工成一個部件，且集成諸如黏合、裝配、擰緊等下游工序，為產品特性開辟了新空間，又兼具經濟高效性。

赫斯基注塑系統有限公司（Husky Injection Molding Systems Ltd，簡稱赫斯基）于K 2016期間推出一項集成式解決方案HyCAP 4，模具、機器及輔助設備協同工作以提高生產效率、改善能效并增強易用性。系統現場生產1．25 g的29/25礦泉水瓶蓋的周期為2．4 s，生產6．1 g的洗發水翻蓋的生產周期為8．5 s。全集成式eIMC模內閉合技術通過在注塑過程提供更精確的控制，在提升產品品質的同時將注塑時間縮短20％。此外，Husky還推出采用共注塑熱流道技術生成多層阻隔包裝制品，通過與先進的熱流道系統以及增強型控制相結合可對阻隔材料進行精確分配，滿足不同阻隔能力應用要求。同時還通過減少阻隔材料的使用量來提高阻隔性PET包裝制品的可回收性。配合使用LayerWatcher檢測系統，可通過精確測量阻隔層來確保阻隔防護和包裝的安全性。

圖6 威猛巴頓菲爾的COMBIMOULD技術Fig．6 COMBIMOULD technology system of Wittmann Battenfeld

圖7 阿博格的增材制造產品Fig．7 Products of additive manufacturing of Arburg

4 增材制造：3D打印應用不斷擴展

增材制造技術自提出后因其三維結構的快速成型制造等諸多特點，在航空航天、汽車制造、生物醫學等諸多領域得到了廣泛的應用。目前，歐美、日本等發達國家都投入大量資金來推動該技術的發展應用，越來越多的廠商來也將目光投向該技術領域。

阿博格于K 2013發布了Freeformer和Arburg Plastic Freeforming（APF）工藝，通過帶有脈沖開關的噴嘴形成塑膠液滴進行逐層排列構建功能部件［12］。此次展會，結構優化后的Freeformer具有更佳的通風排熱性能，還可選配材料烘干裝置。打印材料也可擴展到耐高溫塑料、生物基聚酰胺等材料等。

德國瓦克化學公司（Wacker Chemie AG，簡稱瓦克）于K 2016上展示了有機硅材料的按需噴墨打印技術，打印速度明顯提升，機器結構也更為緊湊。3D打印技術目前最主要的應用是汽車、航空航天和醫用領域，具有耐高溫、低溫柔韌性、較佳的生物兼容性和透明度、能夠任意染色、消音效果好等特性的有機硅材料正好可在這些應用中充分發揮優勢。

3D打印在注射成型加工中最直接的應用案例是用于注塑模具異型冷卻水路的制造。傳統設計制作的水路都是以鉆孔方式完成，其直線圓管狀須避開結構或組裝原件。異型冷卻水路模具設計可根據需要任意設計，使用時可顯著提高脫模速率或縮短成型周期，并能提升30％～70％產能時效與制品良率。直接金屬激光燒結技術（Direct Metal Laser-Sintering，DMLS）技術是目前市場上成熟的金屬3D打印技術，可根據3D模型數據通過高能激光束來局部熔化金屬基體同時燒結固化金屬粉末材料并層層堆疊生成致密實體零件，代表廠商包括德國EOS公司、日本沙迪克集團等。此外，德國PVA-TePla公司通過高真空疊層擴散焊技術的實現也是目前模具異型冷卻水路制造的有效解決方案。

5 結語

根據EUROMAP發布的統計數據，2015年全球塑料和橡膠機械產值達到339億歐元（2014年為325億歐元），橡塑機產量占比位居前三的國家分別是中國（32．5％）、德國（20．7％）和意大利（7．8％）。在中國增長引擎的驅使下，預計2016—2018年期間全球塑料橡膠機械的銷售額仍將保持3．4％的平均增長率。過去的20年來，中國橡塑機械企業通過持續不斷的技術引進和自主創新已在全球塑機市場上占有舉足輕重的地位。雖然我們與歐美日等發達國家之間的技術水平差距正在不斷縮小，但在高端市場爭奪方面我們仍然缺乏競爭力，中國的高端機械仍舊需要從歐洲進口。這是中國制造業所面臨的殘酷現實，但同時也是難得的發展機遇。中國注塑產業同仁應該在工業4．0和中國制造2025的推進過程中抓住機遇，加快實施智能化制造技術的升級，實現中國制造百年強國夢想將指日可待。

［1］230，000 Investment-oriented Visitors from All Over the World Make for Excellent Mood at K 2016［EB/OL］．［2016-10-28］．http：//www．k-online．com/cgi-bin/md_k/lib/pub/tt．cgi/230_000_investment-oriented_visitors_ from_all_over_the_world_make_for_excellent_mood_at_K _2016．html？oid＝97986＆lang＝2＆ticket＝g_u_e_s_t

［2］Injection4．0 Solutions for the Smartfactory［EB/OL］．［2016-09-26］．https：//www．engel-konline．com/en/inject-40．html

［3］4．0 Information Point-Components for the Smart Factory［EB/OL］．［2016-09-26］．https：//www．arburg．com/en/my/events/k2016/industry-40/40-information-point/

［4］Control Unit UNILOGB8_One Control Unit for All Machines［EB/OL］．［2016-08-25］．http：//www．wittmann-group．com/zh_hans/zhusujishu/control-unit-unilog-b8．html

［5］Lots of Potential to Grow［EB/OL］．［2016-07-28］．http：//www．haitian．com/cn/advantage_online/？tabdbadv_ cat＝＆tabdbadv_id＝293

［6］Thermoplastic Resin Transfer Molding（T-RTM）［EB/OL］．［2016-10-03］．http：//k2016．kraussmaffeigroup．com/en/thermoplastic-resin-transfer-molding-t-rtm-．html

［7］DecoJect?Moulding and Designing in One Step［EB/OL］．［2016-09-28］．https：//www．engelglobal．com/en/at/decoject．html

［8］Automotive-Lightweight Construction with ProFoam［EB/OL］．［2016-09-15］．https：//www．arburg．com/en/my/events/k2016/industries/automotive/

［9］GXW Color Form：New Total Package for Perfect Highgloss Surfaces［EB/OL］．［2016-10-03］．http：//k2016．kraussmaffeigroup．com/en/gxw-650-4300-colorform．html

［10］ELIOS 7500：New Standard for Thin-wall Packaging［EB/OL］．［2016-10-04］．http：//k2016．kraussmaffeigroup．com/en/elios-7500-4200．html

［11］HM MK 45-300 t More of Functionality，Design Quality and Performance［EB/OL］．［2016-08-16］．http：//www．wittmann-group．com/en_us/injection-molding/hydraulic/hm-mc-45-300．html

［12］Freeformer Parts-Manufactured on an Additive Basis［EB/OL］．［2016-09-15］．https：//www．arburg．com/en/my/products-and-services/additive-manufacturing/freeformerparts/

An Observation at K 2016 for Development Trends of Injection-molding Technology

XIE Pengcheng，WU Gaojian，ZHANG Yuli
（College of Mechanical and Electrical Engineering，Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029，China）

This article described an observation at German K 2016—International Trade Fair for Plastics and Rubber for the worldwide development trends of some representative injection-molding technologies，including intelligent manufacturing，lightweight and green manufacturing，high efficiency and precision，additive manufacturing，etc．The opportunities for the development of Chinese injection-molding industry on the background of“Industry 4．0”and“Made in China 2025”were also proposed．

plastic；rubber；exhibition；injection molding；intelligent manufacturing；lightweight and green manufacturing

TQ32

A

1001-9278（2017）01-0001-06

10．19491/j．issn．1001-9278．2017．01．001

2016-11-24

國家科技支撐計劃（2014BAF10B01）聯系人，xiepc＠mail．buct．edu．cn