聚酯瓶胚生產工藝流程的優化

葉 軍 王 崢

（1.東華機械有限公司，廣東 東莞 523118；2.東莞市環聯自動化設備有限公司，廣東 東莞 523000）

市場上存在生產周期在7s左右的高速聚酯瓶胚生產系統，采用高速專用注塑機，并配套高端模具及復雜的輔助設備，造價非常昂貴，但并不是每個公司都有能力來購買這類高速生產系統。對成本較低的成型設備，生產者如采取一些恰當的措施，也可以非常有效地縮短周期。

1 聚酯瓶簡述

聚酯是聚對苯二甲酸乙二酯的簡稱，是性能優異、用途廣泛的工程塑料，可用來制作纖維、薄膜及包裝瓶等。聚酯包裝瓶有以下特點：1） 具有透明度高及表面光澤、剛性好、強度高、韌性強、重量輕，耐折、耐磨、抗撕裂和無嗅、無味、無毒等物理特點；2） 具有良好的耐化學品性和耐油性，食品衛生性高；3） 氣體和水蒸氣滲透率低，有優良的阻氣、阻水性能。

日常生活中，聚酯瓶被廣泛應用于礦泉水、飲料、食用油、調味品、藥品、洗護用品、休閑食品等的包裝，需求量巨大。

聚酯瓶通常由兩步法制作而成，步驟一為注塑成型瓶胚，步驟二將瓶胚吹塑成瓶子。如圖1所示。

圖1 聚酯瓶的生產流程

聚酯瓶胚由注塑機生產完成，需求量日益增長，但競爭也日益激烈，生產廠家為了確保效率與效益的最大化，即使是零點幾秒的生產時間也想要去壓縮，但很多操作者缺少一些專業知識，很難正確了解一些工藝過程，他們僅憑個人習慣或者以往累積的經驗來操作機器，工藝設定上存在一些不恰當的地方，在瓶胚生產的周期時間上存在可以提升的空間。該文的目的是幫助縮短聚酯瓶胚的生產周期。

2 瓶胚成型流程

除濕干燥的聚酯顆粒被輸送至注塑機后，經過加熱、塑化、注射、冷卻等過程后，便成為瓶胚。通常在這個生產過程中，由于瓶胚的規格不同，生產周期可以達到7s左右，也有慢的需要2min。根據不同的注塑機及生產工藝、輔助設備等，可以從中做出一些優化，以縮短生產周期。而圖2的注塑工藝流程中，射膠、保壓、熔膠、冷卻以及取件等均是壓縮周期時間的重點環節。

圖2 瓶胚注塑工藝流程

3 射膠與保壓的合理設定

3.1 射膠與保壓的區分

大部分操作者難以界定射膠與保壓，尤其無法定義射膠與保壓的位置切換點，在參數設定上將射膠與保壓混淆在一起，導致一定長度的快速的射膠行程變成慢速的保壓行程，拖慢了整體周期時間，甚至影響制品合格率。

射膠動作的目的是讓熔融膠料快速填滿型腔，而保壓動作是在型腔基本填滿、膠料開始從液態向固態轉換時（如圖3所示），補充熔融膠料直到完全凝固，避免瓶胚內壁或外部產生縮水或不平整。假如瓶胚的體積為100cm3，則理論上其射膠填充完成時，處于液態的重量為115g，保壓完成后成為固態的最終重量為133g，則其需要保壓的重量為133-115=18g，約等于最終重量的13%。實際上，當射膠一開始，便有部分熱熔融膠料接觸冷的模具內壁而凝固，射膠填充完成時，有一部分膠料已固化，這樣實際需要保壓的重量大約是6%～8%。假如總的注射行程需要100mm時，則真正保壓的行程大約是 6mm～8mm，射膠與保壓的精確位置切換點應該在射膠開始后92mm～94mm的位置。這樣從理論上清晰地界定了射膠和保壓，從而可分別控制其速度、壓力及時間，有助于縮短周期時間。通過實際驗證，根據不同的瓶胚，可縮短時間約1s～10s，這個時間是很可觀的。

圖3 瓶胚的兩種狀態示意圖

3.2 射膠速度與時間

聚酯瓶胚射膠速度太快會導致瓶胚飛邊或者內應力太大導致無法吹瓶，也有可能由于模具排氣不足而產生氣泡或表面燒灼現象，射膠太慢則會導致注射不滿、部分結晶或瓶胚縮水，射膠速度慢也會加長整體生產周期，因此合理的射膠速度至關重要。一般推薦射膠速度：8g/s～12g/s（每個瓶胚），隨著原料性能的改進及模具流道的改進，瓶胚壁厚在4mm以內時，每個瓶胚理想射膠速度建議為9g/s～14g/s，壁厚更大時射膠速度還可加大，最大可達到18g/s～22g/s。當然，射膠起步階段，膠料開始進入模具內，主要為排除模具內空氣，速度還可以適當加快。如8腔360g壁厚7mm的瓶胚，每腔穩定的射膠速度可達22g/s（總的射膠速度為8×22=176g/s），總的射膠時間可快至13s，根據不同情況設定射膠速度，射膠時間差異可達10s以上。因此設定合理的射膠速度，有助于在保證產品質量的前提下，縮短周期時間。

3.3 射膠壓力

射膠過程應該受速度控制，不應該受壓力控制，射膠壓力能保證射膠過程的速度，設定壓力大于實際需要壓力10bar～20bar即可。聚酯瓶胚射膠工藝上最常見的一個誤區是，射膠壓力不能大，否則型芯會被打偏，瓶胚會偏心或者內應力太大不好吹瓶，所以操作者不敢輕易將壓力設大。聚酯材料在受熱及充分塑化后，流動性會比較好，相比其他工程塑料，不需要太大的射膠壓力，所以大部分的PET瓶胚注塑機本身射膠壓力是不高的，而且這樣最大的好處是可以選擇大直徑的螺桿來確保熔膠速度。常規注塑機標準螺桿直徑注射壓力基本在1800bar，PET瓶胚注塑機的注射壓力一般只在1100bar～1300bar，所以設定偏低的壓力無法保證熔膠速度，導致機器提前進入保壓模式，影響周期時間。尤其是壁厚在3mm以下的瓶胚，需要更大一些的壓力。科學的做法是結合射膠曲線來看，首先結合上文設定合適的射膠速度，初始時可將射膠壓力設定為較大的保證速度，然后根據實際射膠過程的壓力曲線，提取到實際的壓力，再將射膠壓力設定為大于實際壓力10bar～20bar即可。

3.4 保壓時間

聚酯瓶胚的注塑進入保壓過程，補充熔融膠料彌補固化過程的收縮，保壓時間長短取決于熔體溫度、冷卻固化速度及瓶胚壁厚。溫度越高、冷卻固化越慢、瓶胚越厚都會導致保壓時間加長。保壓的最終目的是保證瓶胚的重量及外觀效果等合格，在保壓壓力和時間的設定上，可以在達到最終位置的前提下，反復優化。同時，瓶胚固化成型后進入冷卻時間，此時仍保持保壓也不會改變瓶胚效果，但會壓縮冷卻時間，而塑化與冷卻是同步進行的，冷卻時間縮短了，留給塑化時間則會不足，導致整體生產周期的加長。所以通過優化保壓工藝參數，在取得較好的制品效果前提下，得到盡可能短的保壓時間及整體生產周期時間。

4 塑化與冷卻

4.1 塑化時間

理想的塑化時間，不應大于冷卻時間，否則會影響整體周期時間。而冷卻時間可以通過一些辦法來壓縮，則塑化時間也要盡量縮短。塑化時間主要取決于注塑機螺桿直徑、結構、轉速及料溫等，好的螺桿設計還可以降低料溫及剪切溫升，更有助于縮短保壓時間及冷卻時間。當冷卻足夠快，塑化時間大于冷卻時間時，注塑機則需要采取一些特殊的配置，如同步開模功能，在冷卻結束后，可以一邊熔膠一邊開模、頂出及合模；甚至同步保壓功能，在射膠結束后就開始熔膠，爭取更多的熔膠時間。當然這些特殊的配置需要增加額外的成本，客戶需要評估成本與收益。

4.2 冷卻時間

冷卻的作用是讓瓶胚略微收縮及變硬，容易從模腔拔出及頂出，縮短瓶胚生產周期時，快速冷卻也是最直接的方法。冷卻需要將瓶胚在模具內300℃左右的熔體，降低至不高于60℃的固體。為使瓶胚得到完全的非結晶狀態，冷卻速度至少需要達到每分鐘100℃，而為取得快速的冷卻效果，一般需要冷卻速度達到每分鐘300℃～400℃。模具方面需要良好的冷卻流道設計，盡量允許大的流道，允許流通更大流量的冷卻水，更快速地帶走熱量。

冷水機是必備的，前提是保證流量大小充足，一般情況下當進出水的壓差為0.4MPa時，冷卻水的流量便達到一個理想的狀態。冷卻水的溫度通常是設定低于環境溫度8℃～10℃，如果環境溫度在26℃，則冷卻水的溫度可設定在17℃左右，太高則會冷卻得比較慢，太低雖然會使冷卻時間更短，但會使模具表面結露，使瓶胚產生水痕，這是不允許的。如果使用低溫追求更快的冷卻效果，又不讓模具結露，可以通過增加除濕機的方式保持模具區域的空氣干燥。

表1為2種不同的瓶胚，在只改變冷水溫度情況下，做的一個對比試驗。可以看出同樣在13℃和23℃時的水溫時，壁厚2.5mm的瓶胚，保壓冷卻時間相差只有1.4s，而4mm壁厚瓶胚時間差為3.8s。

表1 不同壁厚瓶胚在兩種溫度下冷卻時間對比

可以看出，冷卻水溫度對厚壁的瓶胚作用更為明顯，而12℃時一般需要配模具除濕機，這個時候客戶需要考慮投入及使用除濕機的成本與生產效率之間的對比，對2.5mm厚的瓶胚，有可能從其他地方節約時間產生的成本更低，如提快開合模、取件動作速度等。

5 取件方式

取件方式可以分為自由頂落及機械手取件，選擇不同方式也會影響模內冷卻時間及周期時間。機械手（含治具及吸胚筒）可以將仍處于高溫的瓶胚取出，放置在治具內冷卻，可以帶2～4個冷卻工位（圖4所示為96腔瓶胚的三工位治具），讓瓶胚充分冷卻。機械手可以采用伺服電機驅動，直線移動的速度可達1.5m/s，好的機械手模內取件時間可以達到1.8s以內，可以快于自由頂落。自由頂落的方式，瓶胚脫模溫度一般不能高于50℃，否則瓶胚會產生劃痕、碰傷或相互黏連在一起。而采用機械手及吸胚筒取件，瓶胚在150℃時脫模，也不會變形或劃傷，且沒有黏連。采用機械手吸取的方式可以節省模內近100℃的冷卻時間，是相當直接與可觀的時間。

圖4 取胚治具及吸胚筒

6 其他時間的優化

6.1 機器干周期時間

機器干周期時間包括合模、起高壓及卸壓、開模，以300t左右的注塑機為例，不同的機器一般干周期時間在1.8s～5s，基本取決于機器的機械結構、油路設計及控制等，固定的條件下可優化的空間不多。如配置性能優異的伺服閥，可以快速平穩地切換動作，相對普通的開關閥，有助于縮短干周期時間，通常達1.5s～2.5s。接近合模時，需要判斷模具內有無異物，避免模具被壓壞，如果機械上增加包括靈敏的應變檢測儀的低壓護模系統[1]，可以在快速合模過程中迅速地做出判斷及報警，縮短了不裝應變儀僅依靠電腦判斷的低速運行時間，有助于縮短合模時間約0.2s～0.6s。計算合理而不多余的開模位置，則不會浪費干周期時間。

6.2 機器的并行動作

傳統工藝都是順序動作，一個動作完成后執行下一個動作，而如果采取一些并行動作，則可以壓縮一些生產時間。注塑機的并行動作主要有同步開模、同步保壓、同步頂針、同步射膠等。同步開模及同步保壓在4.1章節中已有說明。同步頂針是指采取自由頂落的方式時，開模過程沒有結束時，提前頂出，讓頂出動作與開模同步，一般可以節省0.4s～0.8s的時間。同步射膠指的是，模具剛剛合上還沒有起高壓時，提前啟動射膠動作，同時進行合模起高壓動作，熔體提前進入模具及排氣而確保不會溢出，這種方式也可以節省0.4s～0.7s的時間。這些并行動作，都需要注塑機增加這些功能，會產生額外的成本。此外，當冷卻還未結束時，電腦可以設置提前開模卸壓，僅微開1mm～2mm，冷卻完成再開模到位，這種方式也是簡單經濟的，只需要電腦程序做出調整及改變設定，可以縮短開模卸壓的時間約0.2s～0.4s。各個環節都去爭取的話，累計起來節省的時間也是很可觀的。

7 結語

在現有的機器條件下，通過正確合理地設定，大約可以節省10%～20%的周期時間，再通過適當地配置機器或調整輔助設備，總共可以節省約20%～40%的周期時間，這對連續不斷、大量的生產，是非常有幫助的。需要科學、正確地理解瓶胚的生產過程，該文從聚酯瓶胚的整個注塑工藝過程出發，針對操作者容易忽視或錯誤理解的方面，做出了詳細地分析與闡述，提出如何優化或設定參數、增加機器功能或配置及匹配輔助設備的解決方法，對縮短瓶胚的生產周期有直接幫助。