多层共挤流延膜成型设备与技术的创新现状和进展（下）

2018-02-18张友根

橡塑技术与装备 2018年18期

张友根

(上海浦东新区，上海 201200)

（接上期）

4 多层共挤流延膜设备智能化绿色成型技术的创新现状和进展

多层共挤流延膜设备智能化控制以成型加工流延膜质量为目标，生产线具有感知、分析、推理、决策、控制功能的“人脑”智能，实现真空上料、机筒加热温度、挤出速度和压力、模头温度、流延压花辊的转速和冷却温度、电晕、薄膜厚度，牵引辊速度、边料回收、断膜、收卷等机组各部件的动作自我协调、工艺参数自动修正、故障自我诊断显示、质量自我检测、加工环境自我适应，实现设定的质量预期目标。

4.1 智能系统控制技术的创新现状和进展

广东仕诚塑料机械有限公司与奥地利的运动控制专家贝加莱公司合作开发多层共挤流延膜生产线智能控制系统， Power Panel系列HMⅠ是基于PCC设计的集成显示与控制的HMⅠ，500 MHz的主频，可执行高达200 μs的循环扫描任务，PP400内置128 MB的SDRAM，并且可插入CF卡，支持8 GB的大容量存储，此系统为配置512 MB的存储卡。系统支持多种总线控制卡，X2X总线、Profibus DP Slave和 Master、Ethernet POWERLⅠNK、RS485、CAN、DeviceNet均可选择相应卡件支持，这就使得阀岛和第三方直流调速系统得以开放的连接。ACOPOS伺服驱动器具有125 μs的速度环刷新能力，支持高速的速度同步关系，通过建立轴之间的电子齿轮比、CAM曲线可实现高速的同步控制，内置的智能路径搜索可实现最佳的运动曲线，机械冲击被极大的降低，系统平稳而可靠。高性能系统得以实现的核心来自于Ethernet POWERLⅠNK这一前沿的实时通信技术，在B&R Motion Control满足了现代运动控制的前瞻性理念-系统被设计为轴与轴之间的数学关系，通过不断的进行轴与轴之间的数据交换，确保所建立的关系被良好的维持，而POWERLⅠNK以高达400 μs的刷新、小于1 μs的系统抖动，将各个轴之间的同步关系得以紧密的耦合。

佛山飞友自动化公司在吸收消化德国先进的多层共挤技术的基础上，结合我国具体情况，与佛山市万嘉塑胶有限公司紧密联手合作，研发了 3～7层的高档次多层共挤流延机控制系统。该控制系统采用了德国西门子 S7-315 PLC 可编程控制器进行整机控制，人机界面使用 10.4"HⅠTECH 彩色触摸屏，并通过PROFⅠBUS 通讯总线方式，实现了对挤出系统、流延装置、牵引系统、浮辊调节系统以及收卷张力控制系统等的闭环式全自动控制。另设有全自动换卷和切料等功能。系统的自动化程度高，操作简便直观，可全方位参数设置和集中显示。具有可操作性，高速稳定性和耐久性等优点。是集光、机、电、气、液、多种控制于一体的高科技、高附加值新产品。标志着与国际最新技术同步，可与国外同类产品媲美。

4.2 智能化远程诊断与维护技术的创新现状和进展

B&R Power Panel一体化人机界面可通过插入VNC Server、Web Server、FTP Server等不同方式实现远程诊断与维护，在无需增加任何设备成本的情况下，通过在Automation Studio里为Power Panel设置VNC Server即可对远程的计算机实现监控，Power Panel作为服务器端，通过Ⅰnternet为远程设备分配ⅠP地址，本地的VNC Client即可实现两级监控，一级参数监控和一级修改权限的设置，而Web Server则实现了通过ⅠE浏览器的设备状态、系统参数的监控，FTP Server可将修改的程序通过远程方式下载到设备上，供现场维护人员对程序进行升级。

4.3 智能化测厚技术的创新现状和进展

模头智能化在线自动测厚系统由检测、执行及中央处理器等三部份组成，中央处理器根据单层厚度测量系统检测层厚发出的信号，控制与层厚有关的技术参数，既能对整体厚度进行精确监控和调整，又能对某些关键的功能层进行厚度的精确监控和调整。有效控制薄膜几何参数的预设值，组态监控软件系统软件更易于实现其对薄膜平整性的调整，只需把薄膜厚度输入到控制计算机，整个控制过程在计算机的控制下自动完成，排除了诸多的人为因素，控制精度明显提高，使层厚尺寸公差控制在要求范围内，开机速度快，降低机头废料，减少原料消耗，节约生产成本。

法国思肯德（SCANTECH）公司是全球第一家将X线探头应用于塑料薄膜厚度的测量，拥有自己的专利技术，在该领域处于领导地位，全自动模头螺栓对位系统软件（Auto-Mapping software）实现智能测厚及控制膜厚，系统利用完全相同的前后二台测厚仪，测量准确，真正实现测厚仪剖面完全准确的自动对应，不需要任何的人工干预，既便是在改变生产线速度或改变产品的宽度情况下，薄膜测厚仪能在每次扫描时根据所测薄膜宽度的变化，监视和调节模唇间隙，自动调整螺栓的对应位置关系，持续不断的调整和优化模头横向的薄膜厚度均匀度。前后二台测厚仪完全相同，可以互换使用；二台测厚仪各自独立运行，互不干扰；模头螺栓控制柜独立运行，从测厚仪中读取数据后直接控制螺栓。该自动对位系统实现了剖面和螺栓的准确对应，不管铸片剖面如何变化，薄膜测厚仪都能精确跟踪，流延膜厚度的平均误差在2%以内。人工调节螺丝，不但需要很长的停机调节时间及浪费大量原料，而且流延膜厚度的平均误差只能控制在10%（1 m宽度）。

精诚的专利成果膜厚“在线自动控制”装置，他与模唇温控系统红外线、β射线、X射线的相互配合作用下，经测厚仪自动横向往返准确检测后反馈数据，采用特殊的热膨胀螺栓对模唇的开口厚薄进行自动微调，从而快速有效的达到控制产品的精度。在每分钟20多次的扫描频率中，能够非常准确的动态显示制品的厚度尺寸，宽度精度≤2%，产品的厚薄精度在±2%。

4.4 智能化精密挤出计量控制技术的创新现状和进展

智能化精密挤出计量控制是实现多层化流延薄膜成型质量的重要一环。挤出计量精度得不到精密控制，分配器不能达到目标的控制精度，各层厚度及总厚度的精度不能实现目标的控制精度。多层共挤要求多台挤出机之间计量喂料、挤出压力两个技术参数，不但精密匹配而且互相之间精密协调，保证稳定工作。

智能化精密挤出计量控制是一个系统工程，同时也是整个智能化成型加工的一个分支。精密的多组分计量喂料系统、测厚装置及全线自动控制和监测组成一个智能化精密挤出计量控制系统，实时自动调整各挤出机组的挤出率、挤出压力，确保共挤出各层物料稳定的精密计量分配和稳定的挤出压力。美国美奎公司的28组分自动称重喂料系统，通过失重计量方式将各层薄膜厚度、牵引速度等检测信号传送到各个重力料斗，精确确定各组分的给料速率，在线控制挤出螺杆的转速，实现精密喂料。中山市台达塑料机械有限公司TGB系列称重式拌料机采用新一代的单晶片微处理器、功能更强大、运算速度更快、抗干扰能力更强的单晶片微处理器，具有自动补偿功能，在每次开机时能自动校准以确保精度准确，可最多实现12组分的原料精确混合，配备PLC触控系统、EEPROM记忆体，可存储500组配方资料。德国W&D公司的11层共挤流延膜生产线挤出系统，由中央计算机精确控制每一台挤出机的转速及精度高达千分之一的定量给料系统，充分保证产品的稳定性。

4.5 智能化传动机构同步运转控制技术的创新现状和进展

流延膜冷却定型至收卷一系列的传动机构之间精密同步传动，才能保证正常运转。主冷辊、次冷辊、牵引辊1、牵引辊2、收卷轴1、收卷轴2等多个伺服轴之间建立了稳定可靠的电子齿轮比关系，实现精密传动。

贝加莱系统Ethernet POWERLⅠNK实时通讯技术，500 MHz的主频，高达400 μs的刷新、小于1 μs的系统抖动，可执行高达200 μs的循环扫描任务，耦合各轴之间的高速电子齿轮同步关系，每400 μs系统实现各轴之间的数据交换，稳定轴与轴之间的电子齿轮比，而随着速度的变化，各个轴之间也能够保证严格的同步关系，并且通过数学建模，不同的材料、速度、温度要求下，也能够实现高精度的同步关系，适应500 m/min的生产速度。

自动换卷过程要保证系统的快速换卷同时的张力稳定可靠，系统在高速运行时，对于伺服系统的速度同步提出了巨大的要求，在卷径切换后，要保证新卷的线速度快速的与牵引保持一致，这样才能保证换卷过程的平稳和薄膜的可靠。

在牵引和收卷轴之间的线速度同步，收卷轴通过卷径猜测算法对角速度进行调整，即可实现带张力传感器、无传感器等多种形式下的张力补偿算法，保证高精度的张力控制。

4.6 “智慧化服务”的创新现状和进展

“智慧化服务”在互联网、物联网、内容/知识网、人际网和先进制造技术等的支持下，将各种制造资源连接在一起形成统一的资源池，然后根据客户个性化需求和情境感知，做出智能的响应，为客户提供定制化的、按需使用的全套方案服务。智慧服务信息系统高效集成研发、设计、工艺、质量、制造执行等系统，打通产品生命周期的各个环节，实现各类数据的实时整合与控制，为智能制造提供信息支持。

布鲁克纳集成过程控制系统（ⅠPC）包括并融合了用户友好型控制和虚拟技术，系统所有部分可以在工厂网络中实现一体化，便于集中管理，为服务和支持（例如远程服务）提供便利。扩展本地OEM质量服务提高了生产利用率，并最大程度上降低停机时间和成本。

2018年1月，广东金明精机股份有限公司与战略合作伙伴西门子共同签订了建立双方的战略合作伙伴关系，促成双方全集成自动化解决方案及数字化制造的资源共享和优势互补，实现合作共赢。通过合作，将进一步加快金明向打造高度自动化、智能化的智慧工厂整体解决方案。双方将在目前战略合作的基础上，通过深度合作彼此赋能，结合西门子信息化技术优势和金明薄膜装备“智”造的行业优势，就金明多功能薄膜智能工厂建设，在云计算、互联网技术、智能化应用、大数据平台、信息化建设等领域展开全面深化合作，优先支持双方业务发展，建立大数据综合服务平台，共同聚焦于薄膜制造智能化技术发展，积极推动金明薄膜智能工厂建设，通过双方强强联手，加速薄膜装备产业发展，助推薄膜装备制造领域的科技创新，打造薄膜智能制造新形态。

5 多层共挤流延功能化膜成型设备与技术的创新现状和进展

绿色功能化流延膜的持续发展推动了多层共挤流延功能化膜成型设备与技术的创新。

5.1 多层共挤流延环保装饰膜成型设备与技术的创新现状和进展

免涂装的绿色多层共挤流延膜应用于装饰领域空间宽阔。 PP环保木纹装饰薄膜不含有铅、镉、邻苯二甲酸盐等重金属材料，不添加增塑剂等有害物质，同时还具有绝佳的甲醛密封性能，取代PVC贴面材料用作高档音箱和家具等的贴面材料。

广东仕诚塑料机械有限公司开发出了一条幅宽3150 mm的PP环保木纹膜流延生产线，设计速度在25～250 m/min之间，产能超过800 kg/h，整条生产线由五部分组成，包括：挤出单元、冷却定型部分、预热深压花系统、全自动收卷系统，以及整线控制系统。通过对这五个组成部分进行优化设计，使该生产线满足了高速、高效、高灵活性，以及多品种生产的目的。挤出单元的多层共挤自动模头配有一个厚度反馈调节机构，保证了在薄膜和装饰薄膜的生产过程中厚度误差≤±3%。收卷机的最大收卷直径可达1200 mm，不仅可以减少换卷次数，节省成品空间，而且可以减少工作量，提高工作效率。边料再回收系统由一个高效率的粉碎及风道送料系统，一个旋风分离式除尘装置和一个中心强制粉碎料进料系统组成，效率极高，可使成品产出率高达99.5%。独特设计的塑化与混炼螺杆提供了高速的剪切、混炼塑化效果，可直接使用高填充碳酸钙粉及无机颜料色粉，降低了原材料的生产成本。除了可用于PP环保木纹膜生产外，整线还可以灵活地转换，用于其他产品的生产。

5.2 多层共挤拉伸流延膜成型装备与技术的创新现状和进展

戴维斯公司dsX s-tretch TM流延膜挤出生产线为业内首推的第一条在线单向预拉伸膜生产线，可用于3层、5层或7层流延膜单向预拉伸生产线，利用戴维斯标准最新的专利技术可在线速度为550～1000 m/min状态下生产出厚度只有6 μm的薄膜。能在高速运行状态下生产很薄的薄膜的原理在于先生产出较厚的薄膜，然后朝设备运行方向将薄膜3倍拉伸，生产出更薄、更强韧薄膜。

挤出机和DBS喂料螺杆能够在最稳定的温度下提供最低的塑化温度，并在可能的最高速率下提供各种压力的变化。

该产线的3辊单元、设备运行方向导向器单元和收卷拉伸器分2个步骤拉伸薄膜。独特设计的虚拟零张力收卷机可以消除薄膜的内部张力。在最高速度下运行，每20 s就你能生产4卷薄膜，每分钟就能生产12卷，每小时能生产920卷。可选择2～3"的薄卷芯或创新性的无卷芯设计来减少物料的使用和降低处理成本。

戴维斯标准的dsX s-tretch TM流延膜挤出生产线适用于多种材料和不同的生产需求。一站式的设计无需二级软包工艺，灵活的配置允许在线生产环保型的2"卷芯膜卷、更薄卷芯的膜卷、无卷芯和无尾膜卷。

5.3 共挤拉伸透气膜流延成型装备与技术的创新现状和进展

透气膜是一种环保型透气（汽）隔水（液、菌、尘）的功能性材料。

透气膜流延成型生产过程：干燥好的树脂原料[由基本树脂（LLDPE+LDPE、HDPE、EVA或PP）和无机填充物（CaCO3含量在45%～50%之间）混合组成]，经过挤出机熔融塑化后，通过过滤器和联接管进进流延T型模头，经过狭缝型模唇挤出。薄膜直接紧贴在急冷辊上，通过2条冷却辊冷却和重新固化。随后，薄膜通过测厚仪测厚，再经预热辊、拉伸辊后进行纵向拉伸，定型冷却、电晕后再切往较厚的边料，通过全自动卷绕装置卷取为膜卷，进行在线分切，得到筒状的薄膜产品。

佛山市顺德区江泉机械制造有限公司国内首家研制开发出模唇宽度达2500 mm的透气性塑料薄膜生产线，薄膜厚度精度达到±1%～±3%，生产线速度200 m/min，能耗为0.4 kW/kg，生产出来的透气性塑料薄膜在湿度90%、37℃的条件下丈量，其WVTR高达8000 gg/m2（24 h），达到了国际先进水平。生产线具有高速、性能稳定、环保、节能等特点，更具有在性价比方面的明显优势。

挤出塑化系统由配料装置、真空上料机、计量输送料装置、称重装置、混料装置等组成，可实现精确计量熔体挤出量，以保证稳定挤出。配置熔体计量齿轮泵和圆柱式全液压换网装置、温度和压力测量传感器。精密的三组分重力矢量加料系统，实现物料的自动称重、计量、上料、混合、储存及分配，此系统和测厚装置及全线自动控制系统构成一个闭环整体，可实时自动调整挤出机的挤出量，确保物料更加稳定地挤出。精确的矢量同步伺服传动系统可进步生产线的速度及稳定性，减少维修保养成本并降低能耗。

全自动流延T型模头，下垂式衣架型流道设计。模唇宽度为2500 mm，模唇采用柔性设计，并以最有效的间距调节点（25.4 mm）来确保所用金属材质不会因受到熔体流反压的影响而引起模唇间隙变化，从而更有效地微调模头横向宽度上的熔体厚度偏差，使薄膜更加平整。

冷却主辊轮直径Φ600 mm，自动恒温双流道循环冷却控制系统，加上先进的内流道和薄壁设计，使进出水的压力损耗只有0.05 MPa，辊面温度的控制精度在±1℃以内，确保辊面温度均匀分布，极大保证了薄膜的高品质。

拉伸单元采用热油加热系统，包括两条预热辊、6条拉伸辊及压辊。预热辊直径为300 mm。拉伸辊及压辊直径为150 mm，材料为矽胶（或陶瓷）。各辊表面的横向温差为±1℃。加热总功率为40 kW，内部油温最高达100℃。

摆动单元配置进口微型减速电机，传动稳定，摆动范围为0～300 mm可调，可避免膜卷上形成皱折和暴筋。

测厚单元采用X射线非接触式计算机集成测试系统。“O”型扫描架非常轻巧且结构稳定，扫描速度为0～10 m/min，配置全电脑控制及显示系统。测厚探头具有很高的灵敏度和稳定性，受环境影响小。

边料回收单元配备顶紧稳定切边装置、铝质双导向边料牵引轮，及在线边料破碎切粒回收装置。

电晕处理单元采用Φ250 mm液态硅胶辊，内部通水冷却。配置空气间隙调整装置及电晕冷却辊，输出功率在1～25 kW间可调。

收卷单元采用全自动双工位圆盘翻转式收卷方式，最大收卷直径为600 mm，通过精确计米实现全自动换卷。专业设计的跟踪接触辊使膜卷在高速翻转时也能保持良好的卷姿；翻转架旋转采用变频控制方式，可实现机架的缓速启动和停止，进步停位精度，使收卷张力更加稳定；任意锥度张力设定方式可保证恒扭矩收卷，有效防止膜卷在收卷过程中的缩紧现象，获得整洁的收卷效果；在线自动调速摆幅设计可减少收卷的累积误差，进步膜卷的平整度。

控制系统由PLC、分布式控制模块、工控机、触摸屏及智能仪表组成的，可实现对生产线的集散控制、工艺曲线的实时显示、关键参数的存储等，便于生产治理，节约能耗，并进步产品的质量；专门为此生产线开发的Super Controller-2000电脑控制系统使人机控制的有机结合成为现实，最大限度地提升了温度、速度、扭矩的控制精度，使远程在线控制也变得更加简便，并具备先进的故障自我诊断功能。由于采用了西门子S7300系列的PLC及Proftibus总线控制，与以往使用模拟量控制的设备相比，该生产线的速度更快，精度更高，抗干扰能力更强。

5.4 EVA太阳能光伏膜流延成型装备与技术的创新现状和进展

共挤流延EVA太阳能光伏膜流延成型保证薄膜具有高透光率，达到提高组件的光电转化效率； 2%的收缩率，达到电池组件尺寸稳定性和一致性，保证组件良好的稳定性和可使用寿命。

EVA太阳能光伏膜流延成型生产设备由上料系统、挤出系统、计量泵、模头、流延压花冷却、回火定型系统、牵引切边装置、双工位中心收卷装置等部件组成。

EVA太阳能光伏膜流延成型生产工艺路线：原料→配比供料→真空上料→挤出→换网器→熔体管道→熔体泵→模具→流延压花冷却定型→在线测厚→回火、冷却定型→牵引及切边在线分切（边料卷绕）→双工位中心收卷→成品卸卷。回火冷却去应力定型工艺是保证EVA太阳能光伏膜达到2%的收缩率的关键工艺，也是不同于CPP、CPE流延成型装备与技术之点。

混料的技术要点。EVA流延膜原料一般采用杜邦、三井、普利司通等生产的光伏级EVA粒料。低温低速、多次混料工艺实现挤出塑化原料型均匀化，防止原料在混合过程产生交联固化反应，首先混合各种助剂，而后把助剂混合剂与EVA粒料低温低速混合。

低温精密计量、稳压挤出塑化技术要点。EVA是热固性塑料。机筒加热温度控制精度±1℃。自动矢量计重加料，实现精密加料。无强烈剪切单元（如屏障段）的计量型EVA专用螺杆，避免在塑化过程中产生过高的剪切热，塑化混炼质量均匀，螺杆转速≤60 r/min，实现原料在熔融过程中不发生交联反应。采用计量泵达到熔融料挤出速率恒定，挤出压力(计量泵前)的波动应控制在±0.1 MPa内，确保太阳能光伏EVA膜在低温、低压、低速下挤出，不发生因轴向挤出剪切热过高而发生交联反应。在换网器前后、计量泵后安装高精度的压力传感器，压力闭环控制系统，确保压力波动±0.1 MPa内。

流延压花冷却定型技术要点。流延压花辊、压花胶辊、冷却辊依靠强制水循环冷却。辊套结构为双螺旋夹套式，达到提高冷却效果、降低辊筒表面温差的效果。流延压花辊表面进行特殊处理，防止发生胶膜粘辊现象。

牵引、展平、张力控制及收卷技术要点。各级牵引速度由矢量闭环变频控制器控制，实现各单机运转、整机联动、同步控制。双工位中心间隙收卷装置，双工位换卷系统，避免EVA薄膜在收卷过程的拉伸变形和收卷时薄膜与收卷动力辊的接触压力变形，而影响薄膜的收缩率。以流延辊线速度为基准，实现无极变速及与其他牵引机构的同步控制，各级牵引的张力控制在0～2 N，冷却辊、牵引辊的速度控制在0.2%以内，防止EVA光伏膜在牵引过程被拉伸，而影响薄膜的收缩率。无轴芯翻转的收卷机构，满足在外形尺寸尽量减小的情况下，达到更大收卷直径的要求。飞刀切割与静电吸附装置，实现高速换卷，无需粘贴胶带。

切边技术要点。边料自动卷绕速度与牵引速度一致。

回火冷却去应力定型技术要点。控制EVA热收缩率。流延压花冷却定型，EVA薄膜收缩率在5%左右，达不到太阳能光伏膜的使用要求，其原因是EVA薄膜热收缩是由于内部存在应力，而消除应力需要在一定温度和松弛状态下，经过一定时间才能完成。在EVA流延膜膜生产线上二次回火冷却去应力定型装置，使EVA薄膜经过再次受热，消除EVA薄膜的内应力，使EVA薄膜在使用之前进行一次预收缩，将成品收缩率控制在2%的太阳能光伏膜规定范围内。远红外加热回火烘箱，高效节能加热器，不锈钢加热罩，温度控制器（精度±1%）。回火冷却辊筒配备水温自动控制系统，进水温度与出水温度的温差在±1℃以内，在高速运转的情况下得到最佳质量的薄膜，同时防止因辊体表面的温差大、冷却不均匀而呈现薄膜透明度不一至的现象。

收卷技术要点。采用中心间隙收卷装置，防止收卷过程产生拉伸变形和薄膜与收卷动力辊的接触压力变形，而影响薄膜的收缩率。

智能测厚控制技术要点。将薄膜厚度、偏差及平均值的测量信号，转为控制信号，控制和调整螺杆转速、模唇开口间隙、流延辊、冷却辊、牵引辊转速等技术参数，实现对薄膜厚度进行控制，使产品的厚度范围控制在±4%以内。