熱塑性蜂窩板封邊機的研發(fā)與應(yīng)用

鄧榮堅

(廣州金發(fā)碳纖維新材料發(fā)展有限公司，廣州 510663)

0 前言

夾層結(jié)構(gòu)板材最早應(yīng)用于20 世紀40 年代，是指在2層性能優(yōu)異的面板之間采用膠接等方法夾入如正六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)、圓形蜂窩結(jié)構(gòu)、泡沫結(jié)構(gòu)等具有低密度、高剛性的夾層芯結(jié)構(gòu)而制備的新型結(jié)構(gòu)材料[1]。特殊的結(jié)構(gòu)特征使其具有高強輕質(zhì)的優(yōu)異性能，在誕生之初就廣泛應(yīng)用于航空航天等高科技領(lǐng)域。

早期的夾層材料以蜂窩結(jié)構(gòu)為主，滿足高科技領(lǐng)域?qū)Σ牧细咝阅艿囊螅饕獞?yīng)用金屬蜂窩[2]。隨著復(fù)合材料科學(xué)的發(fā)展，以纖維增強熱固性聚合物為原材料的蜂窩結(jié)構(gòu)，如玻璃鋼蜂窩以其高的比強度、比模量，耐腐蝕性，絕緣性等優(yōu)異性能亦應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。由于熱固性蜂窩夾層結(jié)構(gòu)具有很多缺點如韌性較差，原材料不易保存，固化成型后不可回收利用等，為了更好地實現(xiàn)蜂窩夾層材料“民用化”，熱塑性蜂窩結(jié)構(gòu)逐漸受到研究人員的關(guān)注[3]。

熱塑性蜂窩板具有質(zhì)輕、比強度和比剛度高等優(yōu)點，相比熱固性蜂窩板最大的優(yōu)點是，韌性好，環(huán)保可回收，因而被廣泛應(yīng)用于建筑工業(yè)、航空航天、汽車制造等領(lǐng)域，但其后續(xù)的封邊處理一直是業(yè)內(nèi)的難點，阻礙了其在某些行業(yè)的應(yīng)用如家具行業(yè)和物流行業(yè)等。傳統(tǒng)的封邊機，大多數(shù)為應(yīng)用于板式家具行業(yè)的封邊機，一般需要采用額外的封邊條進行封邊，即將封邊條用粘接劑涂膠后，將其放在板材的邊上，沿板材邊緣將封邊條壓實，這種方式生產(chǎn)效率低，封邊后邊緣的強度不高，且制備的板材還含有膠水等膠黏劑，不利于環(huán)保，因而不適用于熱塑性蜂窩板的封邊。

本文作者針對熱塑性蜂窩板的特點，通過大量試驗研究，成功開發(fā)出一款適用于熱塑性蜂窩板的封邊機，已申請專利保護。以下作詳細介紹。

1 熱塑性蜂窩板簡介

熱塑性蜂窩板為質(zhì)輕高強的環(huán)保材料，它是一種夾芯結(jié)構(gòu),如圖1所示，面層為連續(xù)玻璃纖維增強熱塑片材經(jīng)過熱壓復(fù)合而成 (CFRTP面層)，芯層為熱塑性材料六角蜂窩芯如PP六角蜂窩芯。芯層與面層通過熔融熱壓黏結(jié)在一起形成板材，成型過程不含任何有害溶劑和膠黏劑，可以100 %回收絕對環(huán)保。

圖1 熱塑性蜂窩板的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural representation of thermoplastic honeycomb plate

圖2所示為熱塑性蜂窩板的實物圖，從圖中可以看到蜂窩板的邊緣并不是一個平面，而是由很多凹凸表面組成，正是由于這種結(jié)構(gòu)決定了蜂窩板采用傳統(tǒng)的封邊機用封邊條膠粘的方法行不通，最致命的缺點是膠黏劑用量極其多，而一般膠黏劑的價格不菲，而且黏結(jié)后黏結(jié)強度不高，封邊條容易脫落，影響了后續(xù)的使用。

圖2 熱塑性蜂窩板實物圖Fig.2 Picture of thermoplastic honeycomb plate

2 實驗研究

從熱性蜂窩板的材料和加工方法可以看到，其所用材料均為熱塑性材料(除了玻璃纖維)，都可以通過熔融加工，作者從這一點上受到啟發(fā)，能否利用熱塑性蜂窩板自身的材料直接通過熔融加工方法來實現(xiàn)封邊。熱塑性蜂窩板的面層是連續(xù)玻璃纖維增強熱塑片材具有很強的可塑性，只要給定一個形狀(通過模具實現(xiàn))，通過熱壓成型就可以簡單的實現(xiàn)。

有了基本思路后，要先驗證其可行性以及封邊效果。在選定形狀時，作者選用了強度最高，最容易成型的圓弧形狀，如圖3所示。封邊的基本原理可以描述如下：先把具有圓弧形狀的模具加熱到設(shè)定的溫度，再把熱塑蜂窩板的邊緣對著圓弧槽緩慢往前壓，最后冷卻定形，熱塑性蜂窩板的靠近邊緣的上下2個面層就會沿著圓弧槽成形為與圓弧槽一樣的形狀，形成圓弧狀的封邊結(jié)構(gòu)。

(a)封邊前 (b) 封邊后圖3 熱塑性蜂窩板封邊原理圖Fig.3 Edge banding schematic of thermoplastic honeycomb plate

圖4 熱塑性蜂窩板封邊簡易模具Fig.4 Edge banding mold of thermoplastic honeycomb plate

圖4所示為實驗研究制作的簡易模具，圖5為通過帶加熱功能的四柱液壓機進行熱塑性蜂窩板封邊的現(xiàn)場照片。液壓機平板工作臺具備加熱功能，圓弧狀模具通過平板加熱到設(shè)定的溫度，液壓機上壓板往下運動，緩慢把熱塑性蜂窩板往下壓，使蜂窩板的邊緣通過面層的熱壓成型進行封邊。圖6所示為熱塑性蜂窩板4個直角邊都封邊后的實物效果。 直角邊經(jīng)過封邊后變成圓弧邊緣，蜂窩芯被全部包裹在圓弧面層中， 封邊后圓弧邊緣既美觀又耐用(強度高，不會變形)，既環(huán)保(不含膠黏劑)又經(jīng)濟(不使用額外的封邊條)。

圖5 熱塑性蜂窩板封邊實驗現(xiàn)場圖Fig.5 Edge bandingexperimental site of thermoplastic honeycomb plate

圖6 熱塑性蜂窩板封邊實物圖Fig.6 Picture of thermoplastic honeycomb plate with the edge banding

3 熱塑性蜂窩板封邊機的開發(fā)

經(jīng)實驗研究確認利用熱塑性蜂窩板面層材料的熱壓成型可以順利對蜂窩板進行封邊，而且封邊效果可以滿足使用要求。可行性和實用性都得到驗證后，作者在此基礎(chǔ)上開始設(shè)計開發(fā)一套適用于熱塑性蜂窩板封邊的封邊機，并找到加工廠家生產(chǎn)制造出來。如圖7所示為執(zhí)塑性蜂窩板封邊機的三維圖設(shè)計圖，設(shè)計過程把效率和自動化作為基本要求，該封邊機可實現(xiàn)兩邊同時封邊，蜂窩板材在封邊過程自動對中，自動夾緊，工人只需完成上料和下產(chǎn)品的過程，直正實現(xiàn)一鍵啟動，完全自動化。關(guān)鍵功能部件可簡述如下：左右兩個封邊模塊配置完全一樣，模塊都配有冷模和熱模，冷模通過冷卻水冷卻，熱模通過電阻絲加熱，兩個模具均為圓弧槽形狀，通過氣缸實現(xiàn)上下位置切換；封邊過程，封邊模塊緩慢往前移動實現(xiàn)熱壓封邊，移動距離通過伺服電機加滾珠絲桿和直線導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)精確定位，這是封邊機能實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定的保證；由于使用了伺服電機，左右封邊模塊可實現(xiàn)精準的同步運動，同步運動過程成型模具推著蜂窩板左右移動實現(xiàn)自動對中。通過調(diào)節(jié)夾緊機構(gòu)和封邊模塊的行程，封邊機可實現(xiàn)任意規(guī)格熱塑性蜂窩板的封邊。

圖7 熱塑性蜂窩板封邊機三維圖Fig.7 Three-dimensional diagram of thermoplastic honeycomb plate edge banding machine

圖8 熱塑性蜂窩板封邊機實物圖Fig.8 Picture of thermoplastic honeycomb plate edge banding machine

圖8所示為執(zhí)塑性蜂窩板封邊機的實物圖，熱塑性蜂窩板的封邊過程可簡述如下：工人把待封邊的蜂窩板搬到封邊機的工作臺上，按下控制面板上的一鍵啟動按鈕，左右封邊模塊往前移動，蜂窩板自動對中，夾緊機構(gòu)動作夾緊蜂窩板，熱模接觸到蜂窩板開始熱壓封邊，左右封邊模塊緩慢往前移動到設(shè)定位置后迅速往后退一定的距離，氣缸動作切換冷模和熱模的位置，左右封邊模塊再往前迅速移動到設(shè)定位置，冷模接觸到蜂窩板開始冷卻定型，冷卻時間到后，封邊模塊往后退，夾緊機構(gòu)松開蜂窩板，工人拿出封好邊的產(chǎn)品，完成一次封邊過程。

4 熱塑性蜂窩板封邊產(chǎn)品的應(yīng)用

圖9 蜂窩托盤Fig.9 Picture of pallet made by thermoplastic honeycomb plate

熱塑性蜂窩板由于其邊緣為凹凸表面組成而非一個平面，導(dǎo)致其后續(xù)的封邊處理一直是業(yè)界的難點，阻礙了其進一步的應(yīng)用。通過作者設(shè)計的熱塑性蜂窩板封邊機可實現(xiàn)蜂窩板的完美封邊，促進了其在某些行業(yè)的應(yīng)用，如物流行業(yè)、家居行業(yè)等。圖9所示為廣州金發(fā)碳纖維新材料發(fā)展有限公司開發(fā)的蜂窩托盤在物流展上拍的照片，該托盤主要由熱塑蜂窩板和注塑腳組成，熱塑蜂窩板通過作者所設(shè)計的封邊機進行封邊處理，封邊后邊緣強度與蜂窩板母體強度一致，經(jīng)得起3 m跌落試驗和平時工人開叉車的野蠻操作。由于該蜂窩托盤具備輕量化負重大和周轉(zhuǎn)次數(shù)遠比木托盤高的特點，所以一經(jīng)推出就受到了廣泛的好評。

隨著現(xiàn)代生活的不斷發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，人們對于板式家具的質(zhì)量的要求也不斷提高。在板式家具的生產(chǎn)中，封邊是非常重要也是使用最頻繁的一個環(huán)節(jié)， 但又是產(chǎn)品質(zhì)量問題體現(xiàn)得最為集中的一個工序。判斷一件板式家具的質(zhì)量究竟如何，最直觀的一點就是家具的封邊質(zhì)量[4]。熱塑封窩板作為質(zhì)輕高強的板式材料，只要封邊處理好，就可以成功應(yīng)用于家居行業(yè)。

5 結(jié)論

(1)熱塑性蜂窩板封邊機的成功開發(fā)，解決了行業(yè)的一個難點，采用該技術(shù)處理的蜂窩板，其邊緣光滑美觀，邊緣強度基本與蜂窩板母體強度一致，經(jīng)久耐用，永不脫落；

(2)由于不需要使用額外的封邊條，也不需要任何膠黏劑，因此該封邊技術(shù)應(yīng)該是目前所有封邊工藝中成本最低的一種工藝，既環(huán)保又美觀又耐用又經(jīng)濟，必然會促進熱塑性蜂窩板更廣泛的應(yīng)用。