一种塑料餐盒吸塑成型循环生产系统

赵有俊 仇久安 齐在伟

（天津职业大学，天津 300410）

引 言

近年来，随着互联网时代的快速发展，各种外卖类APP 雨后春笋般的涌现，促使外卖餐饮占据了大半个餐饮市场。外卖餐饮市场的兴起为广大消费者带来了就餐的便利，适应了快节奏生活。与此同时，外卖餐饮的发展也大大增加了对外卖饭盒的需求。目前外卖行业大多采用塑料餐盒，以PP、PS、PET 等材质居多，该种餐盒无毒无害、耐热、耐腐蚀，可通过回收循环应用到其他领域。

目前塑料餐盒制作工艺多为热塑性塑料片材，经过高温加热软化，通过负压方式使软化片材覆贴在模具腔内，冷却成型，再经由裁切工位进行裁切拾取以及废料整理。目前餐盒制造行业的生产设备大多采用国外的进口设备，设备庞大，价格昂贵、维修和维护费用高、原材料成本高。国内也有餐盒成型设备制造商，但设备生产工艺也大多沿用国外的工艺及技术。

本研究塑料制品吸塑成型循环生产系统突破现有生产工艺流程，实现从原材料颗粒到成型制品的连续式规模化生产，避免了片材二次加热的高耗能加热工序，与现有设备相比，该机器的整体能耗大幅度降低，吹吸塑结合成型，使得制品高质量成型，提供了一种结构合理、劳动强度低、能耗低、安全可靠的全自动循环生产系统。该生产系统适用于批量化生产，其推广前景广阔。

一、塑料餐盒吸塑成型循环生产系统的工艺流程

（一）行业现有设备生产工艺流程

聚丙烯（PP）塑料的成型是近年来国外竞相发展的技术，由于PP 制品具有耐高温蒸煮、阻湿、廉价等优点，以PP 为基材的多层阻隔性实物容器发展极快，成为食品容器的重要发展方向[1]。行业现有设备均以PP 等材质的外购成型片材作为原材料，片材上机固定在输送链后经过大幅面、高能耗的加热通道，将片材加热软化，达到成型温度后，成型模具上下模合模，通过负压抽取模内空气，将软化后的片材贴覆在模具内腔完成成型工序，上下模具分离，成型后的片材通过输送链间歇运行送至裁切工位，裁切模具合模裁切后输送链再次运行送至下一工位拾取出料。整个生产设备分为片材加热、负压成型、制品裁切、物料拾取等多个工位，采用间歇式运行方式。其缺点是原料片材成本高，为劳动密集型生产工艺，而且能耗高、生产效率低、科技含量低，并存在“多人一机、机器等人”的现象[2]，且多工位设计设备占地面积大。其生产工艺流程分为：上料-片材进成型机-预热-加热-成型-冲裁-落料-成品-包装-边角料收卷[3]。其设备运行流程，如图1所示。

图1 行业现有设备工艺流程

（二）塑料餐盒吸塑成型循环生产系统工艺流程

塑料餐盒吸塑成型循环生产系统生产工艺采用PP、PS、PET 等塑料颗粒作为原材料，通过外购塑料挤出机、辊筒压片机制作生产用片材，压片辊筒可控制片材成型温度，软化片材挂于双工位塑料吸塑成型机的连续输送链上进行片材输送；成型模具、制品裁切刀设置在同一工位，称为成型裁切机构，该机构通过丝杠传动沿片材行进方向做往复运动，与片材同方向运行时完成上下模合模、正负压同步成型、分模、制品裁切、制品顶出动作等多个动作，动作完成后机构快速反回设备指定原点位置等待下一循环过程，同时片材废料继续沿片材输送方向输送，废料经过外购破碎机破碎成塑料颗粒，再通过真空输送系统将破碎后的颗粒送至挤出机储料罐料斗，进行回收利用，裁切后的制品通过气动压料装置压落于收料皮带机进行制品堆叠，当成型制品数量达到额定数量后皮带机横向送出，工作人员进行人工整理装箱。其工艺流程，如图2所示。

图2 塑料餐盒吸塑成型循环生产系统工艺流程

二、塑料餐盒吸塑成型循环生产系统结构设计

（一）总体结构

如图3所示，塑料餐盒吸塑成型循环生产系统主要由外购塑料挤出机、塑料压片机、双工位塑料吸塑成型机、废料破碎机、颗粒原材料储料罐、颗粒真空输送系统等设备构成。塑料挤出机及破碎机选用市场上的现有设备。挤出机采用真空输送方式上料，高温加热，再通过输送螺杆将原材料塑料颗粒热熔挤压成高温半成品流体片材。

塑料压片机通过两个对滚的镜面辊筒，将流体片材压制成规定宽度的生产用片材，镜面辊筒内装有温度控制及加热装置，可使成型片材达到生产温度，直接用于吸塑成型。

双工位塑料吸塑成型机为连续式运行方式，通过片材输送链将压片机压制的高温片材进行连续输送，成型裁切机构在片材行进方向上做往复运动，与输送链同步运行，在片材行进的过程中完成吹吸塑成型及裁切工序，裁切结束后分模，成型裁切机构快速返回原点位置进行下一循环的生产。成型制品由于裁切时人为设置有连点，因而可以继续向前移动。当成型制品到达收料皮带机上方时，压料气缸下压，将成型制品连点撕裂，制品掉落到收料皮带机上，皮带机计数堆叠，达到额定数量时皮带机将堆叠好的制品送出，工作人员分拣装箱。

裁切后的废料输送至前段设置的废料破碎机，破碎成原始颗粒状，经由真空输送管路送回至原材料储料罐内可循环利用。

图3 总体结构

（二）塑料压片机

如图4所示，塑料压片机构由压片机架体、对滚式镜面压片辊筒、压片压力调节电机、片材输送电机、电气控制等多部分组成。压片机架体由槽钢、方管等材料焊接成型，结实耐用，能承载压片时的压力。两个压片辊筒采用镜面辊筒，可有效地避免片材压制过程中熔融制品的粘黏现象。且辊筒内部安装有温度传感器和加热冷却等温度调节装置，使压制的片材恒定保持制品成型所需的额定生产温度。通过压片压力调节电机可调节成型片材的材料厚度，片材输送电机可调节片材的压制速度。

图4 塑料压片机构

（三）双工位塑料吸塑成型机

双工位塑料吸塑成型机主要由底架组件、片材连续输送链机构、成型裁切机构、出料机构、收料皮带机构、气路系统、PLC控制系统等部件组成。该机器结构示意图和主视图如图5（a）、（b）所示。机器实际运行效率约为2～3 秒/版，每版制品数量取决于模具的排版，最大制品尺寸：450长*330 宽*100 深。整机功率9kw，机器外形尺寸3000mm*2200mm*1700mm。

1.底架组件

图5 双工位餐盒热成型机构图

底架组件承载机体重量，采用方管焊接成型，底部安装有机床垫铁便于调节设备水平。成型裁切机构往复运行的丝杠、导轨及动力总成均安装在底架组件上，伺服减速电机为丝杠传递动力，成型裁切机构沿导轨方向往复运行，其正向行进速度与输送链同步，反向可快速回程。底架设有调节导轨及调节手轮，实际生产中可在线调节片材张力，以确保热熔片材挂链时不会被拉断或片材垂度过大脱离输送链。往复导轨两端设有缓冲器，有效减缓机构快速回程产生的惯性，保证了往复电机、滚珠丝杠的使用寿命。

2.片材连续输送链机构

片材连续输送链选用伺服电机作为传动动力，通过PLC 使输送链及往复行进速度同步，使得片材在成型裁切过程中不会发生相对位移。输送链条由左右两条链条组件构成，两链条组件宽度间距可手动调节，以满足不同宽度产品的需求。输送链条采用单边带刀尖附件形式的链条，热熔片材挂于链条刀尖处进行输送，链条两侧设有吹风冷却管，用于对链条降温，使片材挂链部分快速冷却定型。

3.成型裁切机构

成型裁切机构由底板、顶板、阳模组件、阴模组件、合模辅助气缸、裁切油缸、导向轴、合模铰链、合模伺服电机等零部件构成。该机构结构示意图，如图6所示。

图6 成型裁切机构结构示意图

成型裁切机构采用四柱结构，导向轴起到引导作用，使阴模阳模组件沿轴向运动完成合模，同轴运动保证合模精度。同时导向轴也起到支撑、连接顶板及底板的作用。底板、顶板及阴阳模固定板均采用铸钢材质，米字形加强筋结构增强了刚度，模具安装面经过精加工，确保了合模精度及裁切精度。

阴模组件合模动作通过合模减速电机带动铰链动作完成，由于阴模组件重量较重，合模电机的启动转矩要求较大，为了提高合模电机使用寿命，底板两侧分别安装辅助气缸，以减少电机的启动负荷，有效提高电机的使用寿命。

阳模组件配有正压吹风板组件，吹风板配有密封条、裁切刀模、孔板等。密封条用于确保成型时模具的密封空间；裁切刀模用于裁切制品；孔板使正压空气充满模具腔体。吹风板结构如图7所示。

图7 吹风板结构示意图

阴模组件配备有模具盒组件，模具盒采用钢板焊接成型，其上安装有承切板及模具。模具安装后模具盒内形成中空腔体，成型过程中通过下置吸风孔抽真空，负压辅助成型。模具盒结构，如图8所示。

图8 模具盒结构示意图

成型裁切机构工作流程为：（1）阳模静止，启动合模电机，辅助气缸同时动作推动阴模完成合模；

（2）阳模组件通入高压空气正压成型，同时阴模组件抽真空形成负压，正负压结合成型，使制品质量大幅度提升；

（3）阳模裁切液压缸下压，使合模密封条形变，置于阳模的裁切刀与阴模承切板接触以完成裁切动作，裁切刀采用定制激光刀模，刀条设有3～4处0.2mm缺口，使得裁切后制品既可与片材连接而不脱离，又能在气缸下压时顺利落料；

（4）裁切结束，阴模阳模同时返回原位，循环运行。

4.成品出料机构

成品制品采用下压出料方式，其结构包括铝型材框架、位置导向轴、位置调节螺杆、安装板、压料气缸、压料导向轴等零部件组成。出料机构可安装在成型裁切机构上，随成型裁切机构同步往复运行，也可安装与设备架体上，固定位置下压出料。气缸下压出料，行程短，反应速度快，可使制品快速压出。

5.收料皮带机构

收料皮带机构采用食品级输送带，步进电机驱动。PLC 采集出料机构气缸信号，进行计数堆叠，达到额定值后收料皮带间歇运行将成型制品送出，人工收料装箱。

三、结语

塑料餐盒吸塑成型循环生产系统的开发不同于传统设备的生产工艺，实现了从原材料颗粒到成型制品的连续式规模化生产，避免了片材二次加热的高耗能工序，使机器的整体能耗低于现有设备，吹吸塑结合成型，自动化控制节省劳动力并降低人工成本，材料循环利用系统大幅提高了材料的利用率，降低了生产成本。该生产系统适用于批量化实际生产，其推广前景广阔。