自動化技術在塑料加工中的應用

張慰峰，周 平

（廣東聯塑科技實業有限公司，廣東 佛山 528000）

我國塑料產品年產量占世界塑料產品總年產量的20%，是全球最大塑料產品生產國家。而且作為輕工業產業，塑料加工產業在2020年貢獻了1.7%的工業產值。但是我國在塑料加工工藝方面卻遠遠落后于歐美等發達國家，每年需要進口十幾億元的塑料加工設備，用于維持塑料產品生產。所以，開發屬于我國的自動化技術，提升自主研發能力與塑料產品附加利潤，對于我國經濟發展具有重要意義。

1 自動化技術概述

自動化即沒有外界干擾，不需要人工操控、機器或設備就可以按照預設程序進行自動操作的一種技術。自動化技術在機械制造中的設計程序下，可以大幅度降低生產時間，提高單位時間生產效率，減少人工成本支出，提高經濟效益[1]。而且自動化可以使自動設備取代傳統人工行為，例如取熱鑄件，可以降低工人操作失誤帶來的嚴重危險。自動化利用設計內容，對生產作業施行標準化流程，對于重復勞動生產實現無差別作業，提高產品標準件制作。而且，自動化技術還提供模板化產品生產，預先將各種生產模塊調整、加載，有效降低研發成本，縮短技術更新時間，從而全面提升產品生產速率。

2 我國塑料加工水平現狀與發展趨勢

2.1 我國塑料加工水平現狀

我國塑料加工產業在上世紀30年代就已經有了雛形，以簡單的酚醛纖維塑料制品生產產品，因為受到產品與生產設備限制，所以只能實現小批量生產，無法做到大規模生產。經過近百年的發展，我國石油化工取得優異進步，為塑料工業生產提供大量原料，而且供給成本低，推動塑料加工產業快速發展。現階段，我國塑料加工產業利用復合、發泡等方式對塑料產品進行性能改進，提高了質量。而且我國對于塑料加工行業有政策傾斜與經濟支持，未來具有較大發展前景。塑料加工產業也朝自動化、連續化發展，功能性塑料成為我國塑料產品重要發展方向[2]。僅2020年，我國塑料制品出口量已突破1 500萬t大關，成為世界最大塑料生產國家，例如改性塑料等塑料產品已經成為世界先進技術產品。目前我國塑料產業發展戰略以高附加值的高新技術為主，例如高分子發泡技術、平擠出成型工藝等。塑料加工產品也從原有農業、土工等方向轉向高精尖產品領域。

2.2 塑料加工產業發展趨勢

我國的塑料加工產業在非洲、歐洲等具有廣闊市場，未來發展潛力巨大，預計未來每年會保持6%穩定增速。同時，塑料產品的性能與種類也會不斷增加，具有特殊性能的工程用塑料將會在國家政策與資金傾斜下，得到快速發展[3]。例如在農業領域，未來塑料加工產業仍會以地膜的生產與消費為主要發展方向，以提高地膜功能及生產與節水型灌溉配套的塑料管道及其零部件為主，預估未來有年產量150萬t以上的市場；而土工領域主要以聚乙烯膜與無紡布復合制成的土工布，以及其他材料復合的土工布與土工網為主；塑料包裝年產量將會突破350萬t大關，還會在保險、無菌等方面加大研究力度。在維持現有包裝效果的同時，降低包裝成本；在建筑領域則以保溫節能裝修材料為主；日用品年產量將保持320萬t，為生產生活提供更加豐富的塑料產品[4]。我國塑料加工行業也逐漸以企業規模大、產品生產種類齊全、可以提供多種生產產品的綜合性企作為行業主導。而一些專精于某一領域的塑料加工企業，則成為綜合性企業的長期合作對象。部分生產產品質量低下，適應范圍較窄的企業，正在被市場逐漸淘汰。

2.3 塑料加工產業發展特點與加工特點

未來塑料加工產業將會以減少原材料使用的輕量化生產為主，例如降低薄膜厚度和容器壁厚等，在降低產品生產成本時，提高產品經濟效益，對資源起到有效保護。并且進一步增強塑料制品性能，拓展塑料制品的應用領域[5]。也會在抗磁、阻燃等功能領域得到優化與細化，提高塑料制品技術含量。我國目前塑料加工方法主要有以下幾種：（1）可以用作熱塑性與彈性產品加工的注塑加工，在外形復雜尺寸、精度要求較高的塑料產品制作中實現一次成型，而且成型周期滿足流水線生產。（2）適用于熱固性與熱塑性的擠出加工，生產成本較低，且生產效率高。可以使用不同直徑口模，對薄膜、管材等產品進行批量化生產。（3）制品具有較高強度與硬度的吹塑加工，利用凹模即可生產。在一些外形獨特，復雜性較高的塑料制品生產中也有良好表現。

3 塑料加工中自動化技術應用

3.1 基于PC技術自動化系統

作為自動化技術成熟應用于生產的PC技術，在另一個方面也是技術開發的基礎環節。目前自動化系統的各種供應廠商，都在PC技術開發與推廣領域展開技術探索，旨在推動PC技術呈現開放與模塊特性。一方面，控制系統具備開放性，可以降低控制軟件開發制作成本，也可以大幅度降低軟件開發周期。而模塊化系統則為機器應用提供全新方向與渠道，推動技術在不同領域獲得高效益。所以，基于PC技術自動化系統的塑料加工是未來塑料加工行業重點研究方向。在提高現有塑料制品生產水平的同時，降低機械使用成本，簡化原有機器操作復雜程序，提高機器操作工人數量。PC技術在融合其他應用技術方面具有較強表現，例如將數值化控制與PC技術相融合，提高對塑料加工產品的質量控制。減少因操作人員疏忽或流水線生產而存在的潛在隱患和給塑料加工產品帶來質量下降等問題。并且，PC技術還提供聯網功能，可以實現在設備運作時，采集產品實時生產數據，通過無線網傳輸到中央控制系統，操作人員通過監控屏幕即可掌握當前產品生產狀態，并對生產環節進行適當調節，提高塑料產品的生產質量[6]。如果在生產過程中出現異常現象，PC技術會立即報警，提醒操作人員解除安全風險，在操作風險解除后恢復正常作業，通過這種方法來穩定產品的生產質量。

3.2 電氣傳動技術

傳統的塑料產品生產使用液壓傳統技術，不僅生產效率低下，還極容易對生產工人造成嚴重傷害。在電氣傳動技術加入塑料產品生產后，能有效提高塑料生產全流程的自動化程度。電氣傳動技術在運行時產生噪聲較低，生產耗能較少，在塑料產品生產中也具有高精度、高效率等特點，在未來塑料生產領域具有較好生產前景。目前，電氣傳動技術在塑料生產領域的應用集中在以下幾點：（1）對于生產全流程的高水平控制，減少過去生產效率低下，生產質量一般的問題；（2）借助電氣傳動技術對清潔電能變流器進行開發，拓展塑料產品生產領域；（3）在大數據時代背景下，電氣傳動技術也朝系統化、集中化方向快速發展，而CAD技術與電氣傳動技術相融合是未來塑料產品技術革新的大趨勢，許多例如中國聯塑集團控股有限公司的塑料產品生產企業，正在投入大量成本探索技術革新；（4）塑料產品生產裝置尺寸大小也在電氣傳動技術影響下，縮小部分零部件尺寸，提高塑料產品生產裝置便攜性[7]。電氣傳動技術也在塑料加工自動化技術背景下，增加監控裝置，對生產全流程進行完整監控，從源頭上減少塑料加工產品質量低下的問題。

3.3 機械手臂設計應用

在機械手臂應用逐漸常規化的當下，塑料加工自動化程度被大大提高，也推動了生產流程自動化的快速發展。在塑料加工領域，例如注塑機設備中，機械手臂逐漸成為重要生產工具，對生產全流程起到有效簡化工作的作用。而且，機械手臂應用在塑料加工領域逐漸拓寬影響幅度，對解放生產力、簡化生產流程和降低人力成本支出等方面具有重要意義，是真正推動塑料加工產業自動化的重要工具。世界各國都在塑料加工領域的機械手臂設計中獲得較高技術突破，例如由Fanue公司研發的塑料加工自動化方案，依舊是優秀的參考案例。除單一機械手臂參與塑料加工生產全流程，Engel公司的ERC-E系列機器人，不僅擁有較強性能的機械手臂，也對數據輸入、產品輸出效率有重大突破，對于控制生產線自動化也有極大提升。可以對各種塑料產品加工做到高效生產，維修也相對簡單，對于推動塑料加工自動化具有重要意義。

3.4 物料氣動傳送系統

作為目前塑料加工物料傳送的主要方式，物料氣動傳送系統在封閉的管道中，利用負壓來推動顆粒物料的高速運動。其原理為利用電動機與鼓風機聯合運作，帶動驅動葉輪保持超高速轉動，進而在密閉管道空間中形成足以推動顆粒物料高速運動的強大氣流。將氣流進行過濾與干燥等簡單處理后，使之從單向閥流入固體氣體混合器中，并在混合器中形成帶動物料運動的空氣螺旋。在空氣螺旋產生的負壓壓差作用下，物料在混合器中呈現懸浮狀態，并跟隨氣流繼續運送至料倉，繼續塑料加工的下一個環節[8]。物料氣動傳送系統可以對塑料粉末進行高效輸送，實現精準定位輸送位置。物料氣動傳送系統具有設備體積小、采購成低等特點，對于運輸物料具有較高效率，節約大量人力成本的支出。系統運行時并不會產生額外噪音，可以有效地保護環境，降低能源消耗。

4 塑料加工產業相關建議

我國在高精尖塑料加工領域雖然經歷了20余年的發展，但是整體自主創新技術不足，新產品研發力度無法滿足實際作業需求，導致我國與歐美等發達國家的塑料產品生產仍然存在巨大差距。所以，要針對塑料加工設備進行專項改進，提高我國塑料加工綜合實力。爭取短時間、集中化地對塑料加工中一些樹脂、吸附劑等關鍵技術進行突破。對于一些關鍵技術，也需要盡快進行技術升級與產業改進，例如高分子材料復合發泡技術。我國在發泡管材、薄膜等生產領域已經有了優異成績，即使在塑料加工難點，多層共擠出技術也有重大突破。目前塑料加工一些技術仍處于基礎階段，仍然無法實現自主研發；對于平擠出成型技術，例如T型機頭生產技術，歐美等國家相對成熟，在實際應用領域中復合發泡技術、擠出復合板技術都有較為廣泛的應用。但是我國高精尖塑料加工生產起步較晚，所以這種技術在我國仍處于理論研究階段，到具體應用仍需要較長時間。而作為大幅度降低塑料加工生產成本的電磁擠出技術，可以對塑料加工產品進行有效的經濟效益提高。我國也在電磁擠出技術開發上投入大量金錢，但是一些熱平衡、塑料熱塑化能力等技術型問題，仍然無法得到有效解決。對于數字化技術在塑料加工方面的應用和實現薄膜厚度的全程監控方面，我國可以實現擠出管材直線精準控制，但是也局限于部分塑料產品加工，要全面推廣數字化技術監控仍需要較長時間的努力。

5 結束語

作為塑料加工的重要技術，自動化技術可以提高我國塑料加工水平，提升塑料制品質量，對于提高經濟附加價值，創造更多市場份額等具有重要意義。而且，我國塑料產品普遍以農業、土工等低附加值產品為主，在高分子材料方面仍存在發展不足等問題。所以，應該注重塑料生產行業的技術革新，采用更加先進的數字化技術，進行技術與產品的更新換代工作。