作者：林文强、李崇德、凌晨、江冰

摘要：在国家绿色环保、“双碳”战略的中长期可持续发展政策的扶持下，随着标准托盘物流政策的推广，塑料托盘保有量和年产量高速增长，大型注塑机是塑料托盘的重要生产设备，二板机更是大型注塑机市场的主力军。本文重点介绍大型二板注塑机在塑料托盘行业的技术优化与创新，提升自动化、数字化，构建注塑智能工厂的创新应用，助力塑料托盘生产企业的发展。

关键词：塑料托盘、二板注塑机、节能成型技术、注塑云系统

1. 塑料托盘市场发展

托盘是物流系统中重要的集装单元和搬运器具，在运输、仓储、包装、装卸、搬运、配送等物流各个环节中发挥重要作用，是现代物流不可或缺的重要工具。随着我国国际贸易、物资存储和运输业发展，物流行业规模不断扩大，市场稳定发展，并逐步形成产业群。近些年，随着移动互联网、大数据技术的发展，二维识别码、RFID电子标签等先进标识技术在物流行业的应用及推广，极大的方便了货物形态的数据收集、处理与应用，实现物流数据采集的自动化，做到对货物实时追溯追踪，为智能物流提供可行的解决方案。

塑料托盘使用PE/PP等热塑性塑料，加上一些改善性能的添加剂，通过注塑、吹塑等工艺加工而成的。与木质托盘相比，塑料托盘整体性好，卫生洁净，易于冲洗消毒，在使用中具有质轻、无钉刺、耐酸碱、不霉变。由于塑料托盘质轻、承载能力强、耐腐蚀、免熏蒸与可直接出口等特点，其使用寿命是木托盘的3～5倍。此外，塑料托盘符合环保要求，废盘材料可以回收利用。在可持续发展的理念下，塑料托盘将逐渐取代木制托盘成为托盘行业主力军。

2. 托盘专用二板注塑机性能分析

塑料托盘通常采用聚乙烯（HDPE），聚乙烯质地坚硬，化学性质稳定、无毒无味，对产品不会造成任何不良的影响。塑料托盘的成型工艺是通过大型注塑机将塑料材料熔融，然后注入模具型腔中，熔融塑料在模具中冷却定型后，得到与模具内部形状一样的制品。注塑成型加工方式的可塑性较强，可以根据不同的使用场景，生产不同形状的托盘。

塑料托盘由于原材料成本较低，目前在国内普及较广。注塑工艺生产出来的托盘光滑平整、内部结构紧密结实，具有较好的耐腐蚀性。因为采用模具生产，产品设计自由度较大，且外观上造型美观，无飞边、无刺、无碎屑，色泽纯正、颜色可选择，结构整齐，干净卫生。

塑料托盘缺点在于承载力稍小，其净载荷1～10吨，动载荷0.5～1.5吨，架空载荷0.3～1.2吨。塑料托盘结构一般为单面使用型。加强型塑料托盘：在材料中注入气体形成均匀分布的小气泡，或嵌入钢管等金属嵌入件，使托盘的刚度提高，抗弯强度提高。

注塑成型用于成型形状复杂、刚度要求高的托盘，适用于生产批量大的托盘成型加工。托盘模具尺寸大，结构复杂，动作顺序和辅助装置较多，模具内热流道结构多变，但是模具厚度小，要求注射量很大，注塑成型控制稳定。对于标准的注塑机在满足模具安装和锁模力的情况下，很难满足注射量的要求。为应对物流行业对塑料托盘日益增长的业务需求，博创在二板机的基础上加大产品技术参数，结合国内的新技术应用，研究开发18000KN~40000KN锁模力的托盘专用注塑机，以适应物流行业对注塑机的需求，可覆盖所有类型的标准托盘。

2.1 大型二板机的优势分析

博创是国内最早研发二板注塑机的企业之一，深耕二板技术十六年，二板机技术非常成熟，性能稳定。二板机相比传统机绞式合模机构具有以下有优点：

（1）二板机只有两块模板，合模封闭力线短，拉杆受力均衡，可显著提高制品质量，整机结构紧凑，节省空间，空间利用率高。

（2）增压油缸放置动模板后侧，模板承载能力更强，拉杆从锁模油缸内部穿过，不与油缸内密封件接触，减少密封件受挤压漏油的情况。

（3）锁模全液压控制，锁模力线性可控，且重复再现性强，可显著提高制品质量。

（4）移模由低压力快速开合模油缸驱动，采用德国Rexroth高响应快速比例阀控制，可实现高精度的开、锁模重复精度，避免了机绞式注塑机调模困难的问题。

（5）采用固定两根下拉杆的方式，且作为动模板运动导向，使得动模运动平稳快速。

（6）开锁模采用大行程精密数字式电子尺，确保动模板位置精度。

（7）锁模四个高压油缸独立配高精度磁伸电子尺测量油缸行程，测量精度0.001%FS，确保位置精度。

图2 二板锁模结构

大型注塑机的能耗一直是注塑加工企业关注的焦点。二板机由于没有机绞机构，传动惯性小，移模油缸推力需求较小，可降低移模能耗。大型注塑机一般有多个泵组，各液压动力泵组均采用伺服电机驱动和伺服控制系统, 动作加速和响应快，整体耗电大大减小。大型塑料制品的注射成型，能耗直接反应到制品的生产成本上，在市场激烈竞争的情况下，节约了制品的生产成本。由于二板机其自身的特点，在大型注塑机领域有着得天独厚的优势，特别适合于塑料托盘的注塑生产。

2.2  电动塑化装置的优势分析

塑料托盘原料一般采用聚乙烯（HDPE）新料，少量托盘使用聚丙烯（PP）塑料。聚乙烯是一种分子密度高、粘度大、结晶度高、分子取向性强的塑料，流动性好，焓值在常用注射塑料中为最大，材料熔体指数一般在5～10g/10min。

有关研究表明塑料熔融所需总功率：N_T= Gs×E_T

N_T-塑料熔融所需功率      Gs-塑化能力，g/s      E_T-焓，J/g 

例如，HDPE焓800J/g=800Ws/g，PP焓590J/g=590Ws/g，上述公式表明在外部条件相同，塑化能力相同的情况下，因为HDPE焓比PP焓值高，塑化HDPE时所需功率大。

大型二板托盘专用注塑机料管组加热装置采用了寿命长、热容量大、加热效率更高的节能陶瓷加热圈，保证塑化质量。在北方寒冷的地区，建议在料管组加热圈外增加保温隔热节能罩，有效降低能耗，节约资源，提高生产率，改善车间生产环境。

图3 电动塑化装置

针对塑料托盘产品，螺杆设置特殊的高混炼结构单元，经过优化的螺杆设计，下料速度快，塑化能力强和混色效果好，缩短塑化时间，确保塑化质量稳定。同时螺杆采用了双合金材质，以增加强度和耐磨性，特别适用于HDPE、PP及100%再生料托盘的生产，生产效率高。

大型注塑机一般采用径向柱塞式低速高扭矩液压马达直接驱动螺杆塑化，塑化传动机构的能耗主要是液压马达的工作能耗，由于液压的损耗和马达本身的效率，整体能量损失不小。使用液压马达缺点也很明显，起动扭矩小、低速稳定性差，容易受液压油温升影响机构的稳定性。传统液压塑化系统伺服电机通过齿轮泵把电能转化为液压能，再驱动液压马达转动，能量的转换会造成能耗的损失。

大型二板托盘专用注塑机塑化组件采用大扭矩伺服电机配置齿轮箱的电动塑化系统，具有转速高，塑化能力强，塑化质量稳定的特性，配置该系统容易实现开锁模同步熔胶功能，可缩短注塑成型周期，而且维护成本低，使用寿命长，并且提高节能效果。

配置油马达的能效估算：η=η_电机×η_油泵×η_马达=95%×80%×0.88%=66.8%

配置电塑化装置的能效估算：η=η_电机×η_齿轮箱=95%×98%=93%

因此配置电动塑化装置比普通液压塑化系统节约了10%～25%的能耗，效率更高，更节能环保。

3. 创新注射成型应用

塑料托盘在注塑成型技术创新的研究中，涉及化学发泡注塑成型、微发泡注塑成型和气体辅助成型等技术。

3.1  化学发泡注塑成型

化学发泡是利用化学方法产生气体来使塑料发泡，对加入塑料中的化学发泡剂进行加热使之分解释放出气体而发泡，也可以利用各塑料组分之间相互发生化学反应释放出的气体而发泡。

采用化学发泡剂进行发泡塑料注塑的工艺基本上与一般的注塑工艺相同。塑料的加热升温、混合、塑化及大部分的发泡膨胀都是在注塑机中完成的，其发泡过程一般都要经过形成气泡核，气泡核膨胀，泡体固化定型等阶段。

化学发泡不影响制品表面光洁度，对制品的其它物性无不良影响，产品质量稳定，且能降低能耗，提高产能。化学发泡适用于大部分塑料，应用广泛。

3.2  微发泡注塑成型

微发泡技术的实质是利用惰性气体（CO2，N2），在高压和玻璃化温度以下将惰性气体充入饱和聚合物，然后再利用升高温度、减小压力的措施，产生均匀分布的泡孔，以形成泡核。随着泡核增长，成型出内部呈均匀孔状结构的托盘产品，可以减轻产品重量，消除收缩痕保证产品尺寸稳定，缩短成型周期目的。

使用微发泡注塑成型技术生产的托盘，可以大幅降低成型过程需要的锁模力，使用较低的锁模力可成型较大的制品，产品的用料比例降低，节约原材料，而且降低模具的制造成本。有研究表明，微泡成型的产品，冲击强度高出6～7倍以上，刚性高出3～5倍以上，并具有较高的热稳定。由于孔的存在，可减小密度的情况下，不仅不会降低材料强度，反而会使原油裂纹尖峰钝化，阻止应力沿裂纹继续扩张，从而提高了冲击强度、耐冲击性能好。托盘无需插钢管，回收方便。与常规塑料托盘相比微发泡托盘的平均成本可减低15%~20%，微发泡注塑循环周期可减少30%，国外使用该技术成型的托盘比较常见。

3.3  气体辅助成型

气体辅助成型是把高压氮气经气辅控制器直接注射入模腔内处于熔融状态的塑料里，使塑料件内部膨胀而成为中空，但仍保持产品和外形完整无缺，同时有效阻止了产品的收缩，减少应力变形，提高了产品外观质量。

塑料托盘一般产品比较重，壁较厚，而且有很多的肋，以提高制品的刚性。利用气辅成型可节约材料，缩短成型周期，简化制品设计和模具结构，降低对设备锁模力的要求。

目前气辅成型用于受力物件上不多，特别是对塑料托盘这样的大型受力物件尚未见报道。目前国外又开发了外部气体辅助注塑成型技术，扩大了气体注射的应用范围，它可排除制品筋位背面常见的凹陷和翘曲变形，有些使用要求较高的塑料托盘可能会采用该技术。

4. 自动化、数字化技术构建智能工厂

随着人工成本的持续上升，为了降低人工生产中的不确定因素，提高生产效率，提升产品质量，大型注塑机生产企业结合自动化、机器人、人工智能等技术，提升产品性能和质量。

图4 塑料托盘自动化生产线

4.1  配置机械手

配置专用的机械手，开模过程中机械手可同步下行自动取件。引入智能化设计，配备各式传感装置，为设备实时诊断和改善提供数据。在注塑生产过程中，用专用机械手将注塑机生产的托盘根据预先编码设定的指令逐个码放堆叠在一起，达到设定的数量后，再以记忆的方式反复操作，实现安全生产，稳定产品质量、提高注塑机生产效率、降低废品率和生产成本、提升企业竞争力。

4.2  配置注塑云系统

在智能制造热潮下，注塑加工行业亟待进行基于大数据、云计算与移动互联网的数字化转型，提升企业的自动化水平。提高生产效率，构建高效透明、人机协同和动态调度的智能化工厂是注塑加工行业的未来方向。但由于塑料制品行业自身的特殊性，导致其数据信息复杂性较高，信息收集难度大，无法及时处理与应用，进行企业数字化转型并非易事。中和注塑云以物联网为基础，工业4.0为途径，有效解决注塑加工行业痛点，提高数据共享和协同效率，从而提升企业的核心竞争力，助力企业向智能制造转型升级。

中和注塑云MES系统是介于高层管理计划系统（ERP/MRPII）和底层生产控制系统（DCS/PLC等）之间的生产执行管理系统。包含仓库管理、设备管理、计划管理、生产管理、工艺管理、质量管理、追溯管理和告警管理八个标准模块功能，还有工资模块、能耗管理和系统整合模块等定制模块。以告警管理、生产管理、质量管理和报表管理为例。

（1）告警管理功能系统实时反馈设备异常状态，并通过系统推送给相关人员，使客户能及时发现设备异常，提高异常处理效率，从而提高设备的使用率。

（2）生产管理：对整个注塑生产现场进行实时数据采集，信息共享，实现生产现场与职能部门互动，以此为基础，提供生产数据的可追溯性，为注塑生产过程透明化管理提供可靠依据。

（3）质量管理功能记录产品首检、巡检、终检信息，为质量分析和品质提升提供可靠、有效、客观的依据。

（4）注塑云MES报表管理列印出给定条件下的生产记录、机器巡检记录、次品明细记录、机器稼动率OEE、机器生产模次统计、机器、工单生产情况等报表使生产数据一目了然。

图5 中和注塑云系统

注塑云MES作为车间级承上启下的综合管理系统，已经成为企业刚需，企业将注塑云系统与自动化的生产模式相融合，通过技术创新，逐步实现生产模式的自动化、数字化和智能化，构建智能数字化工厂，节约人力资源成本，打造注塑产业智能制造新模式。

5. 结语

大机二板化是注塑机行业的发展方向，注塑机技术优化与创新、工艺应用升级为塑料托盘提供全局性的支持。数字化、信息化又帮助注塑托盘行业实现数字化转型，提升行业的产品品质、生产效率和管理水平。技术创优的智能化注塑成型整体解决方案，必将推动塑料加工行业最终现实国家智能制造的战略转型。

参考文献：

[1] 张友根  注射塑化系统设计研究 宁波海航塑料机械智造有限公司，《中国行业资讯大全》塑料行业卷 2006（2）232-244

[2] 张友根  注塑机节能技术的分析研究（上） 宁波海航塑料机械智造有限公司，橡塑技术与装备 第34卷 2008（3）53-60