自动化技术在塑料加工中的应用

张慰峰，周 平

（广东联塑科技实业有限公司，广东 佛山 528000）

我国塑料产品年产量占世界塑料产品总年产量的20%，是全球最大塑料产品生产国家。而且作为轻工业产业，塑料加工产业在2020年贡献了1.7%的工业产值。但是我国在塑料加工工艺方面却远远落后于欧美等发达国家，每年需要进口十几亿元的塑料加工设备，用于维持塑料产品生产。所以，开发属于我国的自动化技术，提升自主研发能力与塑料产品附加利润，对于我国经济发展具有重要意义。

1 自动化技术概述

自动化即没有外界干扰，不需要人工操控、机器或设备就可以按照预设程序进行自动操作的一种技术。自动化技术在机械制造中的设计程序下，可以大幅度降低生产时间，提高单位时间生产效率，减少人工成本支出，提高经济效益[1]。而且自动化可以使自动设备取代传统人工行为，例如取热铸件，可以降低工人操作失误带来的严重危险。自动化利用设计内容，对生产作业施行标准化流程，对于重复劳动生产实现无差别作业，提高产品标准件制作。而且，自动化技术还提供模板化产品生产，预先将各种生产模块调整、加载，有效降低研发成本，缩短技术更新时间，从而全面提升产品生产速率。

2 我国塑料加工水平现状与发展趋势

2.1 我国塑料加工水平现状

我国塑料加工产业在上世纪30年代就已经有了雏形，以简单的酚醛纤维塑料制品生产产品，因为受到产品与生产设备限制，所以只能实现小批量生产，无法做到大规模生产。经过近百年的发展，我国石油化工取得优异进步，为塑料工业生产提供大量原料，而且供给成本低，推动塑料加工产业快速发展。现阶段，我国塑料加工产业利用复合、发泡等方式对塑料产品进行性能改进，提高了质量。而且我国对于塑料加工行业有政策倾斜与经济支持，未来具有较大发展前景。塑料加工产业也朝自动化、连续化发展，功能性塑料成为我国塑料产品重要发展方向[2]。仅2020年，我国塑料制品出口量已突破1 500万t大关，成为世界最大塑料生产国家，例如改性塑料等塑料产品已经成为世界先进技术产品。目前我国塑料产业发展战略以高附加值的高新技术为主，例如高分子发泡技术、平挤出成型工艺等。塑料加工产品也从原有农业、土工等方向转向高精尖产品领域。

2.2 塑料加工产业发展趋势

我国的塑料加工产业在非洲、欧洲等具有广阔市场，未来发展潜力巨大，预计未来每年会保持6%稳定增速。同时，塑料产品的性能与种类也会不断增加，具有特殊性能的工程用塑料将会在国家政策与资金倾斜下，得到快速发展[3]。例如在农业领域，未来塑料加工产业仍会以地膜的生产与消费为主要发展方向，以提高地膜功能及生产与节水型灌溉配套的塑料管道及其零部件为主，预估未来有年产量150万t以上的市场；而土工领域主要以聚乙烯膜与无纺布复合制成的土工布，以及其他材料复合的土工布与土工网为主；塑料包装年产量将会突破350万t大关，还会在保险、无菌等方面加大研究力度。在维持现有包装效果的同时，降低包装成本；在建筑领域则以保温节能装修材料为主；日用品年产量将保持320万t，为生产生活提供更加丰富的塑料产品[4]。我国塑料加工行业也逐渐以企业规模大、产品生产种类齐全、可以提供多种生产产品的综合性企作为行业主导。而一些专精于某一领域的塑料加工企业，则成为综合性企业的长期合作对象。部分生产产品质量低下，适应范围较窄的企业，正在被市场逐渐淘汰。

2.3 塑料加工产业发展特点与加工特点

未来塑料加工产业将会以减少原材料使用的轻量化生产为主，例如降低薄膜厚度和容器壁厚等，在降低产品生产成本时，提高产品经济效益，对资源起到有效保护。并且进一步增强塑料制品性能，拓展塑料制品的应用领域[5]。也会在抗磁、阻燃等功能领域得到优化与细化，提高塑料制品技术含量。我国目前塑料加工方法主要有以下几种：（1）可以用作热塑性与弹性产品加工的注塑加工，在外形复杂尺寸、精度要求较高的塑料产品制作中实现一次成型，而且成型周期满足流水线生产。（2）适用于热固性与热塑性的挤出加工，生产成本较低，且生产效率高。可以使用不同直径口模，对薄膜、管材等产品进行批量化生产。（3）制品具有较高强度与硬度的吹塑加工，利用凹模即可生产。在一些外形独特，复杂性较高的塑料制品生产中也有良好表现。

3 塑料加工中自动化技术应用

3.1 基于PC技术自动化系统

作为自动化技术成熟应用于生产的PC技术，在另一个方面也是技术开发的基础环节。目前自动化系统的各种供应厂商，都在PC技术开发与推广领域展开技术探索，旨在推动PC技术呈现开放与模块特性。一方面，控制系统具备开放性，可以降低控制软件开发制作成本，也可以大幅度降低软件开发周期。而模块化系统则为机器应用提供全新方向与渠道，推动技术在不同领域获得高效益。所以，基于PC技术自动化系统的塑料加工是未来塑料加工行业重点研究方向。在提高现有塑料制品生产水平的同时，降低机械使用成本，简化原有机器操作复杂程序，提高机器操作工人数量。PC技术在融合其他应用技术方面具有较强表现，例如将数值化控制与PC技术相融合，提高对塑料加工产品的质量控制。减少因操作人员疏忽或流水线生产而存在的潜在隐患和给塑料加工产品带来质量下降等问题。并且，PC技术还提供联网功能，可以实现在设备运作时，采集产品实时生产数据，通过无线网传输到中央控制系统，操作人员通过监控屏幕即可掌握当前产品生产状态，并对生产环节进行适当调节，提高塑料产品的生产质量[6]。如果在生产过程中出现异常现象，PC技术会立即报警，提醒操作人员解除安全风险，在操作风险解除后恢复正常作业，通过这种方法来稳定产品的生产质量。

3.2 电气传动技术

传统的塑料产品生产使用液压传统技术，不仅生产效率低下，还极容易对生产工人造成严重伤害。在电气传动技术加入塑料产品生产后，能有效提高塑料生产全流程的自动化程度。电气传动技术在运行时产生噪声较低，生产耗能较少，在塑料产品生产中也具有高精度、高效率等特点，在未来塑料生产领域具有较好生产前景。目前，电气传动技术在塑料生产领域的应用集中在以下几点：（1）对于生产全流程的高水平控制，减少过去生产效率低下，生产质量一般的问题；（2）借助电气传动技术对清洁电能变流器进行开发，拓展塑料产品生产领域；（3）在大数据时代背景下，电气传动技术也朝系统化、集中化方向快速发展，而CAD技术与电气传动技术相融合是未来塑料产品技术革新的大趋势，许多例如中国联塑集团控股有限公司的塑料产品生产企业，正在投入大量成本探索技术革新；（4）塑料产品生产装置尺寸大小也在电气传动技术影响下，缩小部分零部件尺寸，提高塑料产品生产装置便携性[7]。电气传动技术也在塑料加工自动化技术背景下，增加监控装置，对生产全流程进行完整监控，从源头上减少塑料加工产品质量低下的问题。

3.3 机械手臂设计应用

在机械手臂应用逐渐常规化的当下，塑料加工自动化程度被大大提高，也推动了生产流程自动化的快速发展。在塑料加工领域，例如注塑机设备中，机械手臂逐渐成为重要生产工具，对生产全流程起到有效简化工作的作用。而且，机械手臂应用在塑料加工领域逐渐拓宽影响幅度，对解放生产力、简化生产流程和降低人力成本支出等方面具有重要意义，是真正推动塑料加工产业自动化的重要工具。世界各国都在塑料加工领域的机械手臂设计中获得较高技术突破，例如由Fanue公司研发的塑料加工自动化方案，依旧是优秀的参考案例。除单一机械手臂参与塑料加工生产全流程，Engel公司的ERC-E系列机器人，不仅拥有较强性能的机械手臂，也对数据输入、产品输出效率有重大突破，对于控制生产线自动化也有极大提升。可以对各种塑料产品加工做到高效生产，维修也相对简单，对于推动塑料加工自动化具有重要意义。

3.4 物料气动传送系统

作为目前塑料加工物料传送的主要方式，物料气动传送系统在封闭的管道中，利用负压来推动颗粒物料的高速运动。其原理为利用电动机与鼓风机联合运作，带动驱动叶轮保持超高速转动，进而在密闭管道空间中形成足以推动颗粒物料高速运动的强大气流。将气流进行过滤与干燥等简单处理后，使之从单向阀流入固体气体混合器中，并在混合器中形成带动物料运动的空气螺旋。在空气螺旋产生的负压压差作用下，物料在混合器中呈现悬浮状态，并跟随气流继续运送至料仓，继续塑料加工的下一个环节[8]。物料气动传送系统可以对塑料粉末进行高效输送，实现精准定位输送位置。物料气动传送系统具有设备体积小、采购成低等特点，对于运输物料具有较高效率，节约大量人力成本的支出。系统运行时并不会产生额外噪音，可以有效地保护环境，降低能源消耗。

4 塑料加工产业相关建议

我国在高精尖塑料加工领域虽然经历了20余年的发展，但是整体自主创新技术不足，新产品研发力度无法满足实际作业需求，导致我国与欧美等发达国家的塑料产品生产仍然存在巨大差距。所以，要针对塑料加工设备进行专项改进，提高我国塑料加工综合实力。争取短时间、集中化地对塑料加工中一些树脂、吸附剂等关键技术进行突破。对于一些关键技术，也需要尽快进行技术升级与产业改进，例如高分子材料复合发泡技术。我国在发泡管材、薄膜等生产领域已经有了优异成绩，即使在塑料加工难点，多层共挤出技术也有重大突破。目前塑料加工一些技术仍处于基础阶段，仍然无法实现自主研发；对于平挤出成型技术，例如T型机头生产技术，欧美等国家相对成熟，在实际应用领域中复合发泡技术、挤出复合板技术都有较为广泛的应用。但是我国高精尖塑料加工生产起步较晚，所以这种技术在我国仍处于理论研究阶段，到具体应用仍需要较长时间。而作为大幅度降低塑料加工生产成本的电磁挤出技术，可以对塑料加工产品进行有效的经济效益提高。我国也在电磁挤出技术开发上投入大量金钱，但是一些热平衡、塑料热塑化能力等技术型问题，仍然无法得到有效解决。对于数字化技术在塑料加工方面的应用和实现薄膜厚度的全程监控方面，我国可以实现挤出管材直线精准控制，但是也局限于部分塑料产品加工，要全面推广数字化技术监控仍需要较长时间的努力。

5 结束语

作为塑料加工的重要技术，自动化技术可以提高我国塑料加工水平，提升塑料制品质量，对于提高经济附加价值，创造更多市场份额等具有重要意义。而且，我国塑料产品普遍以农业、土工等低附加值产品为主，在高分子材料方面仍存在发展不足等问题。所以，应该注重塑料生产行业的技术革新，采用更加先进的数字化技术，进行技术与产品的更新换代工作。