從德國K展2022看注塑產業發展新趨勢

焦曉龍，黨開放，周 洋，馬藝濤，王金領，謝鵬程，3，4

（1.海天塑機集團有限公司，浙江 寧波 315801；2.北京化工大學機電工程學院，北京 100029；3.有機無機復合材料國家重點實驗室，北京 100029；4.人工智能交叉研究中心，北京 100029）

0 前言

三年一屆的K 展于2022年10月26日在德國杜塞爾多夫完美落幕，K 展是全球最重要的塑料與橡膠工業展會，也是一個行業中心交流和信息平臺，集中展示過去幾年來，在橡塑成型自動化設備領域中深耕的技術、產品、服務以及先進解決方案。今年恰逢K展70周年，本屆展會以氣候保護、循環經濟和數字化為主題，匯聚來自59個國家和地區3 020家知名廠商，吸引了來自167 個國家共計17.7 萬余觀眾，這充分顯示了塑料仍是備受矚目且不可或缺的重要基礎材料。

塑料像是一把雙刃劍，給人們帶來便利的同時也直接威脅著人類與全球生物生活的環境，導致“循環經濟”仍是塑料工業中最重要、最前沿的話題之一。而全球眾多跨國及上市設備公司正擴大技術創新步伐以適應綠色環保低碳的迫切需求，在當前經濟形勢下，也為整個行業帶來勃勃生機，也提供新的發展機遇。K2022 圍繞橡塑材料產業鏈中循環經濟主題展出了一系列具體解決方案，參展觀眾對再生材料與回收、實現工業數字化等領域表現出濃厚的興趣。此外，如圖1所示，K2022 舉辦的“塑料塑造未來”特展來討論如何借助新技術和新材料行業［1］，來應對這個時代面臨的挑戰，共同討論如何用塑料塑造未來。本文將結合現場參觀情況簡要介紹此次K 展的展出亮點，探討注塑行業代表性的技術發展趨勢。

圖1 “塑料塑造未來”特展Fig.1 Special exhibition on "Plastics Shaping the Future"

1 以“循環經濟”為持續發展目標，推動行業節能環保轉型

本屆K 展就循環經濟為中心，推動行業節能環保轉型，解決可持續發展問題。發展參展商主要從材料回收技術、加工工藝創新、應用范圍拓展等方面紛紛推出了各自的技術解決方案。

1.1 回料再加工助力塑料回收

塑料回收加工是綠色化學、循環經濟最直接的方式，因此眾多廠商均立足于開發可加工回收塑料的生產工藝及設備。恩格爾與合作伙伴阿爾法集團合作開發出基于再生PET（rPET）的薄壁注射成型技術［2］，如圖2所示，現場展示了利用薄壁成型技術與膜內貼標技術一次成型生產出壁厚為0.32 mm 的125 mL 食品接觸級薄壁容器，展現出其強大的再生塑料安全性，該突破性技術可減少對新塑料的需求，降低廢物產生，對環境保護具有重要意義。意大利吹塑機廠商Plastiblow推出的多層共擠設備，在現場演示加工含有50 %聚乙烯回料，并生產出20 L 3 層工業包裝堆碼桶，為節能和回料的擠出加工提供了新的解決方案。

圖2 rPET薄壁食品容器與Engel e-speed系列注塑機Fig.2 rPET thin-walled food containers and Engel e-speed series injection molding machine

1.2 回收工藝創新提升回收塑料再制造效率

一般傳統的回收加工工藝是對回收材料預加工改性后，由擠出機混合塑化完成造粒過程，再通過注塑機來實現回料的再生產，顯然兩步法的過程比較繁瑣且伴隨著巨大的能耗，阻礙了回收工藝的進一步推廣發展。如圖3所示，克勞斯瑪菲利用直接混煉注塑技術（DCIM）可實現配混3種不同黏度的回收材料［3］，并完美整合了單螺桿擠出機和注塑機，其單螺桿擠出機直接連接注塑機的塑化單元，對回收材料進行改性、增強填充后直接進行注射成型。DCIM 技術避免了傳統回收材料加工過程繁瑣周期長、能耗成本高的缺點，由于省去了回料改性配混后造粒、干燥等過程，可大幅縮短回料再利用的注射成型周期，材料成本可節省高達50 %，配混熔體直接擠出機進入注塑機塑化裝置，有助于節省能源和二氧化碳排放。如圖4所示，恩格爾第一次展示了使用“兩步法”工藝來生產物流用托輥裝載運輸車［4］，該技術取消傳統回收再生產過程中的造粒過程，改善了CO2的平衡并降低了近30 %的回收成本，配套開發出的脫氣單元可以有效降低回料中的材料降解或印刷油墨殘留物等雜質，有效提升再回收制品的使用強度。

圖3 克勞斯瑪菲展示的DCIM設備與可重復使用板條箱Fig.3 DCIM equipment and reusable crates presented by KraussMaffei

圖4 恩格爾“兩步法”工藝生產的托輥裝載運輸車Fig.4 Roller-loading transporters produced by ENGEL′s "Two-Step" process

1.3 新回收技術拓展回收材料范圍

全球每年產生的140億噸塑料包裝廢物中，有相當大一部分是復合包裝材料，如塑料-鋁膜和多功能復合包裝膜等，回收這些復合材料對于塑料可持續性構成了巨大的挑戰。在此背景下，德國Saperatec 公司開發了一種創新的擴展回收方法［5］，用于解構薄膜復合包裝并再生成幾乎具有原始質量的材料，這些回收材料可以直接替代薄膜或箔片基包裝中的原始樹脂，預計每年可處理約18 000 t 包裝廢料。Covestro 公司采用可持續的天然分離劑回收含有聚氨酯（PU）黏合劑的多層薄膜復合包裝，這些分離劑可以選擇性地減弱復合包裝膜中PU 黏合劑的黏合強度，從而有助于高效分離和隨后的材料回收。此外，巴斯夫公司利用化學回收技術，將舊輪胎的分解油轉化為聚酰胺6 材料，用于制造高性能、耐用的微型斷路器（MCB），充分體現了循環經濟的理念，將廢舊材料再利用。

1.4 生物基回收材料大放異彩

由于其環保、可再生和生物降解等特性，生物基材料受到了材料制造商的廣泛關注。科思創、Novamont 和LG化學等主要廠商展示了他們在生物基材料領域的突破。科思創推出了面向未來交通的新型充電站和壁掛式充電裝置，所用塑料來自Makrolon RE系列，該系列塑料按比例由生物廢料和殘余材料制成，部分使用可再生能源，因此碳排放極低。如圖5所示，LG化學展示了采用回收材料制成的PCR 產品，100 %生物基的PLA，可生物降解的PBAT 以及用于控制電池熱失控的氣凝膠。Novamont展示了其雙生物基塑料在食品包裝、餐飲、零售和農業領域的多種應用。該公司的硬質食品包裝含有高達100 %的生物基成分，具有良好的阻隔性能，可生物降解并可堆肥。Mater-Bi地膜適用于不同的環境條件和作物周期，由于可在土壤中生物降解，因此無需在作物周期結束時回收和處理，可留在土壤中由微生物降解，從而有助于減少塑料廢物并保護土壤免受塑料污染。如圖6所示，泰瑞推出了低能耗、可持續的100 %可降解餐具生產方案，支持循環經濟的可持續發展。其展出的NEO-T系列注塑機專用于生產100 %PLA可降解餐盤。

圖5 LG化學展示的回收材料制品Fig.5 Recycled material products displayed by LG Chem

圖6 泰瑞展示的100 %可降解餐具解決方案Fig.6 Tederic′s demonstration of a 100 % biodegradable tableware solution

1.5 溫控循環與熱管理技術節省能源開支

加熱過程及熱量交換是注塑過程能耗的重要組成部分，如何利用好這部分能量是降低注塑生產過程能耗水平的關鍵。泰創集團推出了一款新一代的溫控和熱管理裝置（圖7）［6］。通過高效節能的溫控系統、優化的廢熱利用以及更環保的制冷設備，這一創新為塑料加工行業的持續發展提供了更為實用的解決方案。這款新型冷水機組具有1 500 kW 的制冷輸出，提供了多功能的制冷循環，多級高溫熱泵將冷卻過程中產生的廢熱提升至150 ℃，便于原料干燥。此外，采用人工智能驅動的管理技術在不同系統組件之間建立智能連接，以降低能源消耗并最大限度地減少CO2排放，從而進一步增強了該裝置的實用性。

圖7 泰創集團展示的高溫熱管理系統Fig.7 High temperature thermal management system demonstrated by Technotrans Group

在可持續發展領域，海天公司一直專注于從根本上減少原材料消耗、促進原料回收和重復循環利用，以及降低制造工藝的碳排放。在本次K展上，海天公司展示了JU系列二板式注塑機（圖8），充分展示了海天多年來在可持續發展方面持續深耕的成果。一方面，海天的JU 系列二板式注塑機采用了最新一代的海天驅動技術，配置了更加節能高效的伺服驅動系統，進一步提升了注塑機的節能效率。另一方面，海天的JU 系列二板式注塑機為創新型材料和可循環材料的應用提供了高效的解決方案。展會現場，JU 系列二板式注塑機采用高密度聚乙烯和利樂可循環混合材料生產物流果框，充分展示了其在使用可循環材料方面的高效解決方案。此外，JU注塑機還具備低壓注塑、微發泡模板微開等衍生功能，持續為客戶提供更多符合低碳理念的可持續發展解決方案。

圖8 JU系列二板式注塑機Fig.8 JU series two-plate injection molding machine

2 數字化、智能化助力行業高速發展

數字化和智能化的興起深刻促進了注塑行業的發展。工業4.0 的數字化轉型理念不僅徹底改變了注塑行業，還使得生產過程能夠持續優化以滿足迅速變化的需求。引入數字化解決方案不僅提升了制造效率、可用性和生產率，同時也在節約能源和減少碳足跡方面發揮著重要作用。

在K2022 展會上，海天國際與海天攜手智聯合作了多套智能注塑方案。這些方案涵蓋了從智能產品到數字化平臺的范圍，為客戶提供了一站式智能化周邊設備和系統，實現了自動化與信息化的綜合互動，并提供了個性化解決方案。其中，如圖9所示，海天智聯模內貼標工藝在展會現場與海天MA4500K 協同演示，展示了保鮮盒制品的全套解決方案。該方案通過縮短制造周期、降低生產成本和采用更環保可循環的材料，引起了眾多歐洲客戶的關注。

圖9 海天模內貼標疊模應用解決方案Fig.9 In-mold labeling and stacking mold application solution by Haitian

海天國際的展示設備搭載了“智能能耗管理”功能，如圖10所示，助力客戶實現高效能耗監測和分析。隨著后續功能的拓展和更新，這一功能將更便捷地實現能耗分析和管理，從而達到更優的節能效果。此外，每套展示方案還配備了海天智聯的數字化管理軟件“管工廠2.0”，該軟件專為中小制造業設計，能夠對大量離散設備進行標準化聯網，通過移動互聯方式幫助制造企業實時標準化、規范化地管控工廠設備，實現了“將工廠放進口袋”的目標。通過數字化轉型，助力企業節約成本、提高效率，智能賦能，進一步提升市場競爭力。

圖10 智能能耗管理功能與數智化管理軟件管工廠2.0Fig.10 Smart energy consumption management features and Data-driven management software in Factory 2.0

另外，德國Netzsch Process Intelligence 公司推出的SensXPERT 智能工藝系統，通過模內傳感器和機器學習軟件分析材料行為，實現動態、適應性生產，提高成型效率。該系統通過評估硬件和軟件生成模型，捕捉所有物料和工藝過程中微小的偏差，并通過模擬、預測和分析材料行為，得出關鍵參數，如玻璃化轉變溫度、壓力和固化要求，持續優化這些過程模型。這一技術釋放了數據驅動生產力的潛力，極大地提升了塑料加工行業的效率。

Polyplastics 開發了一種CAE 分析技術，能夠預測由POM 材料制成的注塑產品中可能出現的孔隙。這一新技術通過結合流動和結構分析，根據模具收縮率、彈性模量和樹脂固化過程中的壓力分布等參數，準確預測模制產品內部應變的形成情況，從而減少試驗樣品，縮短開發周期，并降低能源使用。

如圖11所示，Engel 公司在展示的全電動注塑機e-mac 80 中采用了數字化解決方案，成功實現了能耗的降低。該注塑機配備了e-flomo、e-temp 和iQ 流量控制系統，通過溫控水路系統監測和調節流速、壓力、溫度和溫差，智能的iQ 流量控制輔助系統能夠針對所有單個回路中的溫差進行調整，以實現高重復性和最小冷卻水和能源消耗。此外，注塑機還搭載了iQ 保壓控制系統和iQ 工藝觀察系統，可分析模具注入量，精確定位塑化螺桿的位置，并跟蹤注塑工藝各階段的數百個參數，以快速診斷質量變化并減少廢品數量。通過一系列數字化解決方案，注塑機從設備到溫度控制，再到數字輔助系統，都能根據當前生產產品的精確要求進行協調，實現完全和諧的協同工作。在處理1 kg 聚對苯二甲酸丁二酯（PBT）時，e-mac 注塑機僅消耗0.8 kWh 的電力，實現了高達67 %的節能。

圖11 Engel全電動e-mac注塑機Fig.11 Engel′s All-electric e-mac injection molding machine

3 降本增效仍是企業追求的目標

隨著注塑行業的發展，企業追求降低成本、提高效率已成為必然選擇。在這方面，一些創新技術和解決方案正在廣泛應用，并取得了顯著效果。

如圖12所示，震雄集團推出了2 款經濟高效的解決方案，SPEED-PACKII 高速包裝機采用了第三代伺服技術SVP/3，顯著增強了設備的節能環保特性，最多可節省80 %的用電和冷卻用水；MK 系列伺服注塑機采用獨創的精確液壓技術，展現出世界級的穩定性，通過將注塑機的液壓系統優化到極致，實現了高制品精度、高穩定性和低能耗的完美融合，具備出色的節能、降本和高效率等優勢。

圖12 震雄展出的SPEED-PACKII400高速包裝機Fig.12 The SPEED-PACKII400 high-speed packaging machine exhibited by Chenhsong

Matrix Molding Systems 公司開發的Soniplas 技術，利用超聲波能量來降低注塑工藝的能耗。該技術利用超聲波能量在聚合物熔體中產生低能振動，從而觸發聚合物材料剪切變稀的特性，降低材料黏度，提高注射時的流動性。值得注意的是，采用Soniplas 技術的成型零件不會影響其物理性能。該技術可以提高難以成型且廢品率較高的零件的質量，從而減少廢品率。此外，由于降低了注射壓力，該技術也降低了模具鎖模力的要求。在試點階段的6 個月內，Soniplas技術成功地降低了34 %的能源使用量，縮短了27 %的周期，實現了能源和碳排放的節約以及生產效率的提高。

Essentra Components 推出了一項基于隔熱護套概念的節能方案，如圖13所示，可以減少加熱機筒時的能耗。在一次測試中，近300 臺注塑機安裝了隔熱夾套，每臺機器每個周期的熱損失減少，同時還降低了下個循環中重新加熱機筒所需的能量（0.4 kWh 電力），使得每臺機器能耗降低15 %。此外，隔熱夾套還將外部溫度降低了30 %，降低了意外燒傷的風險。這種小而關鍵的創新既能減少能源使用和碳排放，又能實現生產效率的提高。

圖13 隔熱夾套可減少能耗Fig.13 Thermal insulation jackets for energy consumption reduction

4 醫療領域成為行業發展的關注點

在過去的幾十年里，醫療設備的尺寸和復雜性不斷增長，這為診斷和治療提供了更多的可能性。然而，這也導致了越來越多的設備需要更小、更精確的部件，并需要在生產過程中進行精確的控制。金屬一直是醫療設備生產的主要材料，但隨著塑料技術的發展，醫用樹脂作為一種新材料正在嶄露頭角。醫用樹脂具有越來越多的優勢，可應用于醫療設備的設計和生產。而注塑作為一種重要的塑料加工方法，可在短生產周期內自動生產出精確、復雜的塑料制品，非常適合醫療領域產品的生產要求。這也使得各大注塑行業廠商紛紛將目光轉向醫療領域。

魯爾連接器由生活在巴黎的德國人Hermann Luer在19世紀末發明，這種設計能夠確保無泄漏，如今已經廣泛應用于醫療行業。Arburg 以這一經典的魯爾連接器為例，展示了現代工藝如何高效成型這一常用醫用產品。如圖14所示，在其生產過程中使用了聚丙烯和熱塑性彈性體2 種材料注射成型。Arburg 使用Allrounder More 1600 型號注塑機搭配Braunform 的4+4腔模模具進行注射成型，并使用AMKmotion 公司的電力伺服軸控制了模具內部的各個過程，并通過基于相機的檢測系統進行分類篩選。Allrounder More 注塑機采用模塊化設計，特別適用于多組分注射成型。

圖14 由聚丙烯和熱塑性彈性體制成的魯爾連接器部件Fig.14 Ruhr connector components made of polypropylene and thermoplastic elastomers

由Braunform 提供的模具搭載了其RotaricE2技術，將魯爾連接器鎖緊螺紋的封蓋和擰蓋功能結合在一個多組分側澆模具上，同時頂出機構一側組合了6種功能——芯體回縮、每個型腔包含2個滑塊、開蓋、平順的封蓋、擰開以及頂出。由于采用電力驅動、耐腐蝕鋼、低脂潤滑和滾動元件定心系統，整體設計十分潔凈。通過RotaricE2技術，可節約2 套注塑模具和機器，以及一條裝配線，使總體生產成本降低了45 %。

為滿足醫用產品對潔凈度的要求，注塑機制造商Engel和KraussMaffei分別展示了在潔凈室條件下生產醫療產品的全電動注塑機。Engel的e-motion 160 combi M具備潔凈室設計，可以在潔凈室條件下成型醫療診斷的樣品容器。該注塑機擁有定位臺和2個注塑單元，可以同時進行2個模具的加工，大大提高了生產效率。同樣，KraussMaffei 的PX 200-1400 也具有潔凈室設計，可在96 s的循環時間內產生105 個聚丙烯筆帽，注射質量為105 g。在確保高精度制造的前提下，該設備可以最短的循環時間，最大限度地減少能源和材料等資源的使用，在潔凈室條件下生產合格的醫用產品。

國內企業同樣在此賽道上紛紛發力。如圖15所示，海天長飛亞ZE 電動注塑機，配置了醫療專用包和Max Petek 層流罩，演示一套潔凈室解決方案。伯樂智能在K展上帶來了新型號全電動注塑機110FE，現場演示疫苗注射器的生產解決方案，為醫療行業量身打造。該型號注塑機具有精密、高效、潔凈、節能，滿足ISO6級潔凈車間生產要求。泰瑞鏈接歐洲先進成型工藝技術，帶來了高效節能醫療診斷類解決方案。NEO·E208c電動注塑機滿足ISO 8級（10w 級）潔凈室生產環境要求。其搭載TLRE-06-900HQ 自動化集成高效精密多腔模具，動作控制精度高，產品注射重復精度達0.1 %，生產300 UL 移液吸頭，實現1 模48 腔的高效生產。博創攜新一代全電注塑機BD130醫療解決方案亮相展會。該方案以直驅電動注塑機BD130為主體，配備iMEC智能終端，實現注塑裝備實時監控，生產高效協同。

圖15 國內企業展示的最新注塑機Fig.15 The latest injection molding machines exhibited by domestic enterprises

5 結語

K 展作為全球橡塑行業創新發展的風向標，不僅為業界同行從全球化視角把握經濟脈動提供了參考和指導，同時也全方位地展現了行業技術前瞻性發展趨勢和具體解決方案。在全球經濟形勢整體下行的情況下，循環經濟和可持續發展有可能創造行業新的增長點。歐盟委員會要求2025年歐洲再生塑料使用量達到10 000 kt，2030年所有塑料包裝都必須可回收。我國即將全面建立資源高效利用制度，實行垃圾分類和資源化利用制度，垃圾智能分類收集、轉運、分揀及回收利用都將帶來較大的市場空間，因此，循環經濟有望成為一個持續發展的業務領域，并不斷推動行業技術創新發展。此外，智能化、高效化、集成化仍是全球注塑行業當前的技術熱點。從長久發展來看，伴隨著新能源汽車、醫療器械和智能制造等一大波新興制造業在國內的發展，注塑制品作為制造業的基礎，市場需求將繼續攀升；從發展方向來看，為適應下游產業高端化發展需求，未來傳統注塑產業必將走向智能化、節能化、數字化，將信息技術應用到注塑產業以提高生產效率、降低成本、提高產品質量；從政策導向來看，隨著國家碳中和、碳達峰政策的不斷落實，日益嚴苛的環保政策和注塑產業結構的轉型升級，未來注塑產業將逐漸面向高端化和可降解產品領域發展。因此，未來注塑行業充滿著機遇和挑戰。