中空吹塑成型机壁厚控制系统的发展

中空吹塑成型机壁厚控制系统的发展制造塑料容器的成型方法有很多种，例如中空吹塑成型、注射成型、滚塑成型、压缩成型、热挤冷压成型等。在众多塑料容器的成型方法中，中空吹塑成型和注射成型是使用最广泛、产量最大的两种成型方法。据资料介绍，世界上80％～90％的中空容器是采用中空吹塑法成型的。中空吹塑成型技术是通过气压使塑化的型坯紧贴模具内壁成型。型坯的生产方式为挤出式，即将加热塑化的塑料熔体从各种形状的模芯缝隙中挤出，形成各种形状的筒状型坯。挤出的型坯靠自重垂直悬挂。中空容器制品因其强度要求规定了最小壁厚，而早期的中空吹塑成型设备缺少型坯壁厚控制系统，为使制品最薄处达到最小壁厚要求，制品的其它部位就要相应加厚，造成材料的浪费。为了节省成本、缩短制品冷却时间、加快制品生产周期，一种比较经济的做法就是控制型坯壁厚。如501广口桶，用普通中空吹塑成型机生产的制品净重为3.5kg才能达到最小壁厚要求，而使用型坯控制器，制品净重2.4kg就可完全满足最小壁厚要求，节约原材料20％～30％，并且生产的制品厚薄均匀。1壁厚控制系统的技术要求壁厚控制系统是对模芯缝隙的开合度进行控制的系统，即位置伺服系统。在中空容器的生产过程中，为了保证制品的质量，要求被控量能够准确地跟踪设置值，同时还要求响应过程尽可能快速。以简单的10点壁厚控制器为例，在连续挤出的模式下，从模头挤出一个型坯最短时间约5s，在5s的时间内要实现一条有限长度的函数曲线，需要将其分成10个段落，在时间轴上，每个段落只有大约0.5s的时间，按照跟踪理论，壁厚控制器的单位脉冲过渡时间应为段落时间的1/5～1/10，即0.05～0.1s，这就要求系统响应非常迅速。而在响应如此迅速的同时，还要保证被控的位置量能够准确跟踪设置值，否则，壁厚控制将失去意义。要达到上述两种要求的控制效果，对于重载荷系统来说，正是壁厚控制系统设计的难点。另外，由于在型坯轮廓曲线上取l0个点来描绘曲线，点与点之间还须进行插值处理，尽量使轮廓曲线光滑。2壁厚控制系统的控制原理壁厚控制系统采用闭环反馈设计，其组成部分包括壁厚控制器、电液伺服阀、动作执行机构和作为信号反馈装置的电子尺。用户在壁厚控制器的面板上设定型坯壁厚轴向变化曲线，控制器根据曲线输出大小变化的电压或者电流信号至电液伺服阀，由电吹瓶机、吹膜机、吸塑机、塑料包装机械、制袋机液伺服阀驱动执行机构控制模芯的上下移动，从而造成模芯缝隙的变化。电子尺通过测量缝隙的大小得出相应的电压信号反馈给壁厚控制器。这就构成了闭环的壁厚控制系统，如图l所示。3壁厚控制器的现状塑料加工机械的水平在很大程度上取决于测控水平的高低。国外先进塑料机械的控制系统普遍采用以可编程逻辑控制器(PLC)等为核心的可编程系统，并在一些高精度塑料机械上采用了模糊控制、统计过程控制(SPC)，以及基于网络的远程监控、故障诊断和控制系统。美国的穆格(M00G)公司是全球电液伺服元件及伺服系统设计及制造领域的领导者。在吹塑控制领域，其独立的壁厚控制系统中提供30点、100点的壁厚控制器(DIGIPACK)，可用于控制储料缸式和连续式吹塑成型机的型坯壁厚。储料缸式机器常用于制造较大的容器。DIGIPACK根据储料缸电子尺的反馈控制口模开度，液晶显示屏(LCD)上的纵坐标显示储料缸位置，横坐标显示口模开度。连续式机器通常有多个模头，DIGIPACK根据工作循环时间控制口模开度，此时LCD上的纵坐标显示循环时间，通常是以切刀动作作为一个完整循环的开始。目前在中空吹塑成型技术方面，国外的潮流是用整机控制及上位机和下位机方式控制，而壁厚控制则包括在整机控制中。仍以M00G公司为例，它提供整机控制(TMC)方案。国内使用的壁厚控制器有穆格(M00G)、贝加莱(B＆R)、西门子(SIEMENS)等公司的产品，国外品牌牢牢占据着国内市场。这种状况和我国的塑料加工水平不高有直接关系。2003年我国的中空吹塑成型机产量已达3405台，在这三千多台机器中，绝大部分机器是由我国的厂家把机械部分做好，再装上进口的控制系统组装起来。这就造成产品的成本高、附加值低，效益不显著。如果能够配上国产的壁厚控制器，则国内中空吹塑成型机产业自然会跃上一个新台阶。4壁厚控制器的将来综观国外塑料机械工业技术，今后主要围绕下列几个方向发展。(1)微型化与大型化微型化是各类产品今后的重要发展方向，有越来越多的市场需求，在电子、信息、电器、医疗、生物等部门已表现出明显的发展。目前虽然已有生产3mL塑料瓶的中空吹塑成型机，但是生产更小容积的应用于医疗、生物方面的中空容器设备，已经有一些国家正在研发中。大型化也是今后发展的方向之一。目前已出现生产5000L中空容器的商品化生产设备。而工业用各种大型中空容器的需求明显，10000L甚至更大容积的塑料储装容器也已有需求。(2)个性化长期以来中空吹塑成型机的机型、功能、规格的划一和固定不变已不能满足市场需求。中空容器生产厂家需要灵活应变，以适应日新月异的市场需求，促使中空吹塑成型机的模块化设计、技术集成、专业化生产、国际采购能力与水平的提高，这既要求塑料机械企业在技术人才、技术创新方面具有雄厚实力，也要求企业能在第一时间内准确把握客户的个性化需求。(3)智能化自动控制技术在塑料机械工业中的应用已发展到相当高的水准。设备单元的自动控制、参数的死循环控制、过程联动、在线反馈控制等都借助电子技术与计算机技术在塑料机械上得到较广泛的应用。简单地说，智能控制系统主要是指具有能理解工作人员的理念和意图、能识别和检测工作失误、能回答人员提出的问题、能提出解决问题的办法和措施并发出指令实施相应的生产等功能的控制系统。智能化塑料机械的发展，将会明显提高塑料机械的运行稳定性和可靠性，切实提高塑料机械高质量、高效率、低损耗的生产能力，并为实现无人车间、无人工厂提供坚实的技术基础。(4)网络化与虚拟化这在理念上和模式上都是全新的技术，它会使塑料机械的生产企业在质量、效率、成本、服务、销售等方面的竞争力大幅提高，从而使企业的经济效益显著增大。虽然虚拟技术的发展在各个工业部门都处于初始发展阶段，但是，由于虚拟技术可带来巨大经济效益的潜力，将为虚拟技术今后的发展提供强大的推动力。5国内壁厚控制器的发展对策一个实用的控制系统，先进的控制理论固然重要，更重要的是实际应用中解决实际问题的经验。鉴于国内中空吹塑成型机的生产现状，今后壁厚控制系统的发展之路主要是从空白入手，从无到有，从简单到复杂。可以先从10点的、应用在一些对型坯壁厚精度要求不高的机器开始，开发出适用的壁厚控制器，先占据国内的低端市场，然后进行改良，开发出精度高的控制器。再增加点数至30点或者100点以上，运用先进的控制手段，参与国际竞争，与国际同步发展。6结语国内中空吹塑成型机壁厚控制系统的发展之路充满了机遇和挑战。随着我国加人WTO，国内在知识和技术产权方面不断完善，加大科技创新的投入，吸引专业技术人才，实现规模化和专业化生产，努力缩短国内外技术水平上的巨大差距，已成为塑料机械领域有识之士的共识。早在20世纪70年代，聚烯烃（HDPE、PP）药用塑料瓶在国外就已得到应用。20世纪80年代中期，国内的天津力生制药厂和上海大明玻璃厂率先从国外引进了“注-吹”流水生产线用于生产药品包装塑料容器，从而推动了聚烯烃（HDPE、PP）药用塑料瓶在我国的生产和使用。本文对药用塑料容器的成型工艺、可选用的原料以及GMP规范和工艺流程等问题进行了介绍。药用塑料瓶的常用生产工艺1、中空挤出吹塑（Extrusion-Blowmolding）中空挤出吹塑是利用挤出机连续地挤出空心管，然后用剪刀（人工）或切割装置（自动）将其切成小段后移到挤吹模具内吹制成型。其优点是：设备简单，投资小，成本价格低；缺点是：瓶口不平，密封性能差。此外，中空挤出吹塑工艺所适用的塑料原料是PE，常用的为LDPE,其阻透性能远远低于HDPE和PP，装药保质期短。2、二步法“注-吹”（Twostepsinjection-Blowmolding）二步法“注-吹”实际上是指注射、吹塑分别由两台机器进行操作，俗称“二步法”。具体而言，第一步是由一台普通的注塑机注射成型管坯，此时，管坯的瓶头部分（瓶口、螺纹）已经成型；第二步是由人工将管坯放在蜂窝状的加热器或自动循环加热传送带上，经加热调温后，再将其移到吹瓶机内用压缩空气吹制成型。这种方法的优点是：设备比较简单，投资也比较少；瓶口整齐，密封性能良好；产品品种开发速度快，模具费用比较低。其缺点是：注射管坯与吹塑成型分步进行，使制品易被污染，难以保证产品通过菌检；产品的同一性差，不太适应大批量生产。3、一步法“注-吹”（Onestepinjection-Blowmolding）一步法“注-吹”是指注射和吹塑在同一台机器上完成。根据不同的机种，通常分为三工位和二工位“注-吹”。三工位“注-吹”制瓶机的三个工位以120°角成等边三角形分布，其中，第一工位为注射成型工位，第二工位为吹塑成型工位，第三工位为脱瓶工位。这三个工位可同时运行，不仅大大提高了生产效率，而且可与传送带连接，自动计数包装，真正实现了药用塑料瓶生产全过程的“无人手接触”，从而确保了产品的洁净卫生。二工位“注-吹”制瓶机的两个工位可上下或前后排列，第一工位为注射成型工位，第二工位为吹塑成型工位。由于缺少一个专用的脱瓶及冷却工位，所以难以实现全自动计数包装（一般为散装人工计数）。同三工位制瓶机相比，其生产效率较低，生产周期较长。一步法“注-吹”工艺的优点是：自动化程度高，机器的产能大；瓶口的平整度高，密封性极好。当选用HDPE/PP作为原料时，瓶子的壁厚比较均匀，阻透性能优良，使药品的保质储存期长。其缺点是：设备投资较大，模具复杂，系统配置要求较高，因此，不适合小品种、小批量的生产。但是，对于大批量生产而言，可得到高品质低成本的产品，经济效益较好。目前，国内标准化的药用包装企业基本上都是采用一步法“注-吹”工艺设备，并以三工位设备为主。国际上著名的“注-吹”成型设备制造厂家主要有美国的Wheaton公司和Jomar公司、德国的Battenfeld公司和Bekum公司、日本的ASB公司和青木固公司以及意大利的UniloyMilacron公司，这些公司目前所生产的机型均采用一步法三工位的方式，其中，美国产品采用垂直螺杆结构，德国和意大利的产品采用卧式螺杆结构。在国内，江苏维达机械有限公司自1989年开始，首家研制“三工位”一步法“注-吹”成型机，并于1991年将产品投向市场。目前，其生产规模达到每年100条生产线，带动了中国药品包装容器（特别是固体药物片剂、胶囊包装）生产技术的提高。药用塑料瓶常用塑料原料1、聚烯烃适合于制作药用塑料容器的聚烯烃类塑料原料包括：聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚氯乙烯（PVC）、聚苯乙烯（PS）。其中，聚乙烯又包括：高密度聚乙烯（HDPE）、中密度聚乙烯（MDPE）、低密度聚乙烯（LDPE）、线性低密度聚乙烯（LLDPE）；聚苯乙烯包括高抗冲聚苯乙烯（GPPS-HIPS）。2、聚酯聚酯类塑料原料主要有：聚对本二甲酸乙二醇酯（PET）、聚碳酸酯（PC）、聚对萘二甲酸丁二醇酯（PEN）。常用塑料原料的密度性能见表1。从表1可以看出：●固体药物的包装宜选用HDPE和PP，这2种材料具有优良的抗水蒸气渗透性能，可以有效地防止药物因吸潮而变质。但是，对于易氧化变质的药物，应慎用HDPE和PP材料。HDPE和PP材料通常是采用一步法“注-吹”工艺；●LDPE的阻氧性能极差，不适合用作药用塑料瓶的原料，更不能灌装贮存期较长的药物；●PET对水和氧气均具有优良的阻透性，且外观透明，是灌装液体药物（糖浆、口服液类）的理想原料，一般采用“注-拉-吹”工艺。表1常用塑料原料密度性能比较种类密度透光性硬度水蒸气渗透率透氧率LDPE0.91～0.92半透明软性2040000HDPE0.94～0.96半透明（低于LDPE）中等10600PVC（食品级）1.35～1.45较透明硬性40150PP0.90～0.91半透明（接近透明）