塑料精密成型:一步到位精准控制

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●成果名称:塑料精密成型技术与装备的研发及产业化

    ●获奖级别:2011年度国家科技进步二等奖

     ●完成单位:北京化工大学等

    北京化工大学、海天塑机集团、浙江大学三家单位联手,在我国一纸空白的精密成型技术与装备领域,用八年时间描绘了一幅中国技术后来居上的画卷。其生产的精密挤出成型装备制品性能与国际领先公司水平相当;精密注射成型装备制品质量重复精度比国际领先水平提高近一倍,产品畅销瑞士、德国和日本等全球数十个国家和地区,让海天塑机集团2010年销售收入跃居世界第一,为此,美国《塑料新闻》发表主编评论文章《海天超越全球列强》。项目成果也由此获得了2011年度国家科学技术进步二等奖。

    该项目第一完成人、北京化工大学教授杨卫民告诉记者,精密塑料制品是指具有严格尺寸与形位公差和表面质量精度要求的高端塑料制品,如手机零部件、液晶屏导光板、光学塑料透镜、精密医用导管等,必须采用精密成型技术与装备来加工制造。精密塑料制品主要采用高效率的模塑成型方法,不同于金属切削成型中,通过“加工、测量、再加工”的“尺寸逐步逼近”来满足精度要求,而是一步到位直接成型制品,在20米/分钟以上的连续高速挤出和不足1秒的瞬间注射成型中,要满足高精度的尺寸偏差和重复精度要求, 难度极大。

    在本项目实施前,这类技术和装备完全被国外公司所垄断,特别是在2004年,德国Arburg公司制造出了重复精度达0.07%的精密注塑机,在业内引起轰动,并快速占领了高端国际市场。而当时国产塑料注射成型装备制品重复精度在1%左右,只能用于普通塑料制品生产,无法满足精密成型最低标准0.1%的精度要求,更遑论与Arburg公司的差距了。由于国产装备精度低,我国现代制造业发展所急需的塑料精密成型装备不得不大量进口。海关数据显示:我国进口精密注塑机的数量从2001年的近1.4万台增长至2004年的近2万台。这种依赖进口的不利局面,直到2006年前后,本项目取得突破并大规模应用时才被彻底扭转。

    塑料精密成型核心是对制品比容积(V)稳定性(挤出成型)或重复性(注射成型)的精确控制。杨卫民指出,在所有塑料成型过程中都存在一种规律,那就是压力(P)和温度(T)会对比容积(V)产生一定影响,而比容积(V)的变化则会引起成型制品质量和形状尺寸变化,这就是塑料的PVT特性。只有掌握了塑料加工过程中的这种特性,并研制精密成型装备对工艺参数进行有效控制,才能获得精密制品。

    但在当时,塑料PVT特性关系测试的核心技术在我国长期处于空白,全球也仅有德国、日本和美国的三家公司掌握。针对这个问题,项目完成单位潜心攻关,终于发明了塑料PVT特性的在线测试方法及装置,拿下了精密成型技术与装备国产化路上的第一只拦路虎。更难能可贵的是,新技术一改国外技术只能进行离线测试的缺点,率先实现了在线测试。利用这个技术,项目完成单位建立了我国第一个工程塑料PVT特性关系数据库,包含五大系列60多个品种近2000个牌号的工程塑料,为塑料精密成型装备PVT在线控制奠定了基础。

    在此基础上,针对精密成型的主要影响因素,项目完成单位经过八年攻关,通过工艺装备创新和系统集成,突破了塑料均匀塑化与稳定输送、伺服驱动与液压控制优化、模板结构及精密成型工艺优化、塑料注射充模成型过程可视化方法和装置等关键技术,成功研制出了具有国际领先水平的精密注射成型和精密挤出成型装备,并实现了大规模产业化。记者发现,这些技术的开发大都是从零开始,但多数成果却填补了国内空白,有些成果甚至领先国际。譬如,注射成型可视系统就属于国内首创,比肩国际。该技术研究了注射成型中20余种典型缺陷的产生机理及解决措施,并编制了《注射成型工艺指南》,为精密塑料制品生产制订合理的成型工艺提供了保障。

    经权威机构检测,本项目研发的精密注射成型装备主要性能指标优于国外同类先进技术,精密挤出成型装备主要性能指标达到国际先进水平。目前已建成精密挤出成型生产线达34条,28种机型的精密注塑机已大规模生产并已售出6万余台,畅销瑞士、德国和日本等全球数十个国家和地区。2008~2010年累计销售收入107.3亿元,利润16.15亿元,税收8.13亿元,创汇2.17亿美元。


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