浅析塑料成型工业中的绿色技术

王竞男 浙江汽车职业技术学院

浅析塑料成型工业中的绿色技术

王竞男 浙江汽车职业技术学院

绿色设计和制造已成为塑料模具行业的发展趋势。把塑料模具设计、制造和塑料成型同绿色制造技术有机融合，将在加速塑料成型工业发展的同时，实现高质量、高效率、低成本、低污染的目标。

塑料模具；绿色制造；塑料成型工业

模具是工业生产中的基础工艺装备，而塑料模具在模具行业中占有举足轻重的地位。传统的塑料成型工业在设计阶段仅考虑产品的功能、质量、成本和寿命等,而很少考虑其环境属性和对资源、能源造成的浪费。因此，在塑料成型工业中提倡绿色制造尤为重要。

绿色制造是产品制造、环境影响和资源优化三方面的有机结合，是一个综合考虑环境影响和资料利用率的现代制造模式，其目标是使产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个生命周期中,对环境的负影响最小,资源使用率最高。

一、面向绿色制造的塑料模具设计

绿色模具的设计宗旨是，将环境性能作为产品的设计目标，力求从产品开发阶段起消除潜在的、对环境的负面影响，将环境属性融入到概念设计—结构设计—包装设计—材料选择—工艺设计—使用维护—回收处理的整个过程中。

1.模具绿色并行工程

绿色并行工程是现代绿色模具设计和开发的新模式,其核心是将塑料模具开发各阶段看成一个过程的集成，强调产品设计及其相关过程同时交叉进行。因此,涉及产品整个生命周期的各部门必须协同工作。工艺、制造、质量、客服、销售等各部门都要参与产品的设计工作,对产品设计方案提出修改意见等,以确保设计和制造的一次成功率。

2.材料的选择

绿色的模具材料是绿色模具设计的基础。在选材时应从以下几方面考虑：

（1）减少所用材料种类，既可简化产品结构，又方便原材料的标识、分类和零部件的生产、管理，在相同产品数量下，可得到更多的某种回收材料；

（2）绿色模具材料应具备:①低能耗、低污染、低成本；②易加工和加工过程中无污染或少污染；③可降解, 易回收，等性能。例如，可直接用不锈钢材料加工防腐模具，以避免电镀、电解等表面处理过程中产生的环境污染。

3.可拆卸性设计

塑料模具在使用过程中部分零部件因承受过大的摩擦与冲击造成磨损时,只需更换这部分零部件模具仍可使用。如果模具不具备可拆卸性不仅造成大量可重复零部件材料的浪费,而且因废弃物处理不当还会污染环境。因此设计初期就应尽量使模具结构易于拆卸, 方便维护。例如：尽可能选择通用结构,以方便更换;在满足强度要求的前提下,尽量采用可拆卸连接(如螺纹连接),不用焊接、铆接;采用组合模架等。

4.可回收性设计

在模具设计初期就应将材料的可回收性、回收处理方法和回收经济效益等问题考虑在内，从而在后续生产中尽量节约原材料。因此，应尽可能减少所用材料的种类；减少或不使用含铜、铅等对污染环境的材料；避免使用与现有循环再回收过程不相容材料等。

5.标准化、模块化设计

模具标准化是组织模具专业化生产的前提,而模具的专业化生产是提高模具质量、缩短制模周期、降低成本的关键。标准模架及标准件由专门的企业通过社会化分工进行生产,使有限的资源得到优化配置，此外，模架的标准化可以使生产模架所用的设备、夹具数量大大减少，在节约资源的同时，缩短了设计周期，方便加工，利于管理。

模块化设计是在一定范围内,在对不同功能、或相同功能下的不同性能、不同规格的产品进行功能分析的基础上,划分并设计出一系列功能模块,通过模块的选择和组合构成不同的产品,以满足市场的不同需求;如模具的侧向分型与抽芯机构、脱模定位机构等都可以按这些方法设计、组合、再利用。

6.高寿命设计

对于注塑模具,如采用随形冷却水道可有效避免塑件在冷却过程中产生的翘曲变形，提高注塑成型精度和模具使用寿命;此外还可将结构复杂的凹模设计为镶拼式结构,减少应力集中现象引起的模具变形问题，并且在产生使用磨损后还方便修磨,从而有效延长模具寿命。

7.智能化、自动化设计

对模具制造业，CAD/CAPP/CAM/CAE一体化是模具设计自动化的重要措施和基础。采用CAD/CAPP/CAM/CAE 技术，可实现少图纸或无图纸加工，在节约资源的同时可有效缩短模具设计与制造周期。例如，现在广泛应用的CAD三维软件(Pro／E、SolidWorks、UG 等)基本都集成了CAE技术，可模拟熔体的流动情况并进行强度、刚度、抗冲击性等性能的实验模拟，预知塑件有可能出现的成型缺陷，防患于未然。

二、塑料模具的绿色制造工艺

绿色制造工艺是“绿色模具”生命周期中的重要一环。要在提高经济效益的同时，产生的能耗最低，对环境影响最小，除了利用现代设计技术之外，还需要采用模具先进制造技术。

1.模具设计反向工程

反向工程(Reverse Engineering,)是通过扫描测量获得已有产品实物或模型的几何信息，然后利用CAD/CAM 技术快速、准确地建立产品的数学几何模型，经过工程分析、结构设计和CAM 编程，数控加工出产品模具，最终制成产品的过程。现已广泛应用于模具翻制、产品改型等生产活动中。RE技术是学习先进技术近而改造和开发新产品，加速设计、制造过程的重要手段。

2.模具快速原型制造技术

快速原型制造技术(Rapid Protoyping Manufacturing，RPM )集成了机械、计算机、数控、激光和材料技术等现代科技成果，突破了传统加工技术去除材料的方法，而是基于离散∕堆积原理，根据CAD造型生成的零件三维几何数据，通过激光束等方法使材料逐层堆积成样件或零件，极大地提高了材料的利用率。由于无需经过模具设计制造环节，RPM 技术大幅度降低了新产品开发研制的成本,极大地缩短了生产周期。

3.模具高速切削技术

传统模具制造中的型腔加工基本采用电火花完成，但其加工速度较低。除窄缝、深槽以及很细的纹理等，一般形状不太复杂的浅型腔已能在高刚度的铣床或加工中心上用涂层铣刀进行高速加工。而小曲率半径的深型腔可用高速铣削加工作为粗加工和半精加工,而电加工只作为精加工，这样可大大节约电火花和抛光的时间以及相关材料的消耗，从而减少对环境的负面影响。例如，德国Droop公司生产的FOG2500铣床，主轴转速为10000～40000r/min，加工精度达50 ，可用于汽车车身冲压模具和塑料模具的加工。

三、塑料注射成型中的绿色技术

塑料注射成型装备是塑料成型工业的重要工艺装备，广泛应用于汽车、家电、航空航天等领域。而现代制造业中80%以上的塑料制品都采用注射成型加工制造。随着全社会环境保护和资源节约意识的不断增强，塑料注射成型工业中不断涌现出多种绿色节能环保新技术。

1.面向绿色制造的注射机

（1）节能的动力驱动系统

随着伺服电机驱动液压泵的伺服节能系统的出现，注射成型过程中节电20%～80%已成为可能。例如，宁波海天集团推出的天泰系列电液复合动力注塑机，其整机采用直压式锁模单元，配以单缸注射结构，采用伺服电机与滚珠丝杆结构实现“S”形开关模动作，并用线性导轨导向，速度快、平稳性好、精度高、能耗显著降低。

（2）微型注射机

随着电子通讯、生化产业的飞速发展，产品逐渐趋向小型化、轻量化和功能多样化，对微细化零部件的需求日益增大。用传统注射机生产微型塑件，流道凝料常占注射总量的90%，浪费严重，此外还伴随着质量难以控制，废品率高等问题。微型注射机应运而生，例如，香港力劲机械国际有限公司推出的SP系列微型注射机注射系统精度可达5μm，最小注射量为0.01g，该微注射机采用无阀门结构设计排除了物料滞留于阀门的隐患，并可减少材料浪费。

2.面向绿色制造的注射成型工艺

（1）超高速注射成型

对于薄壁、深腔制品的成型，注射成型过程复杂，塑料熔体充模流动困难，而超高速注射成型（注射速度达800mm/s时）能有效消除成型缺陷，降低废品率。

（2）热流道技术

由于热流道成型从注射机喷嘴至浇口的塑料始终保持熔融状态，每次开模时不需要固化成废料取出，滞留在浇注系统中的熔料可在下一次注射时被注入型腔，这样可以最大限度地减少原料的浪费。热流道技术的典型代表有马斯特模具、捷飞特（GEFIT）、信易等。

[1]李发致编著.模具先进制造技术[M].北京：机械工业出版社.2003.3

[2]徐哲.高速切削加工在模具制造中的应用[M].CAD/CAM与制造业信息化化.2004,(11):90-92

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.09.090