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              紙漿模塑模具設計簡述

              2021-02-05 493

              根據咨詢機構科爾尼的調查結果,歐盟和美國三分之二(66%)的消費者愿意為可持續產品支付溢價,而一半(49%)的消費者則表示公司的環境記錄是做出購買決定的重要因素。同樣的數字(49%)表示,他們愿意優先考慮可持續產品而不是便利產品,并愿意走得更遠以避免產生對環境不利的產品。是否可持續逐漸變成了消費者選擇的一個重要的因素。

              在我國,隨國家和環保人士的廣泛宣傳,未回收塑料制品,對環境的傷害,尤其是對海洋環境的傷害被人們廣泛了解,科學研究表明,塑料微珠會隨著食物鏈回到人體,對人的神經系統有潛在的傷害可能。這些都導致人們對環境保護意識的增強,國家和地方政府也密集發禁塑限塑的法律法規,塑料制品越來越受到限制。

              我國已經有十二個省市自治區發布了,禁止生產和銷售泡沫塑料一次性快餐具,一次性塑料袋等,而用作工業內包裝的泡沫塑料制品也成為我國商品邁出國門的一大障礙。

              “以紙代塑”已經列入我國包裝行業“九五規劃”,大力開發應用紙基材料’包括紙模制品(包裝物正是包裝工業落實“九五規劃”的一個重點。紙,作為包裝材料歷史已經很久遠了,但是由于其可塑性差和較小的延伸率,傳統的紙制品都是采用折疊方式成形來適應包裝需求,如各種瓦楞紙、蜂窩紙、紙箱、紙袋、紙筒等。紙漿模塑制品是紙質包裝家族中的后起之秀,它源于造紙,并且有獨自的優勢和個性。

              紙漿模塑制品除了具有一般紙制品的強度和韌性之外,還可以根據要求制成各種形狀來適應被包裝物對包裝的承載、定位和緩沖的要求,可以取代泡沫塑料進入包裝行列。

              一、紙漿模塑制品的基本生產過程

              紙漿模塑產品的基料、助劑與紙相同,工藝也很接近,只不過紙漿模塑制品是在網模上成形的。

              當紙漿通過網模時,纖維被網模截留,水被濾掉,按網模形狀成形,紙漿纖維靠纖維間氫鍵結合形成濕紙坯,使用適當的化學品可以提高纖維間的結合力,強度和其他物理性能。濕紙坯再經過烘干或熱定形,之后成為紙漿模塑制品。這就是紙漿模塑制品成形的基本過程。

              二、紙漿模塑模具特征

              紙漿模塑是利用模具在紙漿狀態塑造紙制品,因此,模具是紙漿模塑技術的關鍵。紙漿模塑模具技術近幾年發展迅猛,以前高難度的0.5度拔模技術已經有多家廠商掌握,紙漿模塑咖啡杯蓋這樣集中體現紙漿模塑技術水平的產品,也已經有很多家公司能夠出模具了。

              利用紙漿模塑生產一次性快餐具,由于制品只有盒、碗和盤子,形狀比較簡單,有通用性。紙漿模塑用在工業內包裝上和其他方面時,制品都比較大,形狀非常復雜,而且一款一式都是“對號入座”,沒有通用性,模具設計制造就要伴隨始終。

              紙漿模塑制品成形時與在模腔內成形的橡膠和塑料制品大不相同,紙漿模塑制品成形時使用的漿料是一種只含10%左右纖維的水溶液,須保證大部分的水流掉,所以紙漿模塑制品成形模具須是網模。

              紙漿模塑制品成形是將漿料中大量的水排掉的連續過程,紙制品在網模上形成厚度有個沉積過程,這樣制品成形須是在單一的凸或凹的網模的表面上成形;紙漿模塑制品成形過程同時也是一個過濾過程,隨著厚度增加而過濾性能降低,厚度形成速度降低,所以制品形成時各處壁厚是在同步進行的。不管制品形狀如何復雜,其各處壁厚都是一致的。紙漿模塑制品成形之后是個含水量在70%左右的濕紙坯,因為使漿料推向網模濾過時的動力是真空度,力量不超過一個大氣壓?,F在也出現了吹吸同步的模具,能提高生產效率。

              初成形的濕紙坯吸附在網模上,濕強度很低,須靠另外一個與之對應的凸或凹模合模之后,使濕紙坯置于合模后的模腔內,用氣壓使之轉移,紙漿模塑制品是在單一的凸或凹模上成形,又在合模后的模腔內轉移。由于紙漿模塑成形的這些性質,增大了制品設計和模具設計的難度。


              三、紙漿模塑制品設計

              紙漿模塑制品設計不僅僅是結構裝備器材上的設計,其制品的許多性能由原材料、助劑、填料和生產工藝所決定。因此,紙漿模塑制品設計是一項工藝和結構綜合性技術。

              1、一些基本要求

              除紙類產品的一般物理強度等要求外,還應根據制品的不同用途,從工藝和結構設計上,重視以下幾項性能,以滿足特定的使用要求。

              (1)吸附性:紙漿模塑制品的憎液性能,包括對水、油、油墨等液體的吸收性能,這對紙餐具是特別重要的。

              (2)制品外觀質量:用肉眼可以觀察到制品外觀的缺陷,這些缺陷包括塵埃、孔洞、皺折、筋道、網印、斑點、漿疙瘩、魚鱗斑、裂口、卷邊、凹陷、色澤不一致等不美觀的外表。

              (3)制品精度:是指制品的尺寸、形狀和位置與設計要求之間的誤差。紙漿模塑制品精度按目前的制造方法,精度還有提高的空間,后續隨著對制品質量要求的提高,對模具精度的要求會越來越高。


              2結構設計要點

              紙漿模塑制品除了有紙制品的強度和韌性之外,還可以根據使用功能要求制成各種復雜形狀。用作一次性快餐具時,形狀比較簡單,強度要求也不算高。用作工業內包裝時,其形狀就很復雜,它須滿足工業內包裝的三大要求:一是定位要求。包裝制品須能保證被包裝物品在包裝箱內有固定位置,要求包裝制品與被包裝物品之間形狀同步,接觸貼切,尺寸準確。二是緩沖要求。制品整體要有韌性和柔性,表面還應該有些松軟,與被包裝物品接觸摩擦時不能損傷被包裝物品表面光澤,能去掉包裝物品在搬運中受到碰撞、振動時產生的沖擊。三是承載。要求制品有強度和剛性來支撐被包裝物和承受外界壓力。為了滿足制品上述功能要求,除了選擇適當的原材料、助劑和生產工藝之外,更重要的是結構設計。

              (1)功能性結構:

              紙漿模塑制品成形工藝特點決定了同一個制品只能有一個厚度,為了適應功能要求,在調整強度和緩沖性時可利用形腔和立筋,形腔可以增加制品整體的彈性和柔性,立筋可增加制品強度和剛性。在比較大的平面,承載能力要求高時,可以將此處設計成瓦楞形或蜂窩形。

              (2)工藝性結構:由于紙漿模塑制

              品成形初期是個濕紙坯,在生產過程中,水要逐步析出,制品形狀、位置和尺寸都會發生較大變化,在制品的同一個平面、同一個方向的不同位置,制品的收縮總量不同,這時制品就要發生翹曲或扭轉變形。為了調整這種變形,只有采取結構形狀進行平衡。這種用來調整收縮變形的結構形狀稱作制品的工藝性結構。

              (3)與結構相關的參數確定原則:

              脫模斜度。紙漿模塑制品在成形過程中,濕紙坯緊扣在模具上,而且紙漿纖維還會鑲嵌在網模的網孔中,為了便于使濕紙坯轉移,與脫模方向平行的制品表面都應該有個合理的脫模斜度。斜度過小則脫模困難,會造成制品表面拉痕或破裂;斜度過大將降低制品尺寸精度,影響包裝功能?,F在零度拔模和負角度拔模技術正在迅速成熟中。

              制品壁厚。根據使用條件和漿料種類來確定制品壁厚,壁厚是影響制品強度的重要因素。制品壁厚的增加不單純是增加原材料消耗,而且在吸附成形時壁厚決定了生產效率,增加壁厚還會增加烘干能耗和使制品產生凹陷、縮孔和夾心等質量缺陷。所以在滿足制品強度情況下應盡量降低壁厚。在采用吸附成形時壁厚范圍在0.5-6mm之間,在采用壓制成形時壁厚在3-20mm之間。

              過渡圓角。紙漿模塑制品的內外表面轉角處、立筋與主體聯接處和立筋的終端都須用圓角過渡,避免直棱直角。圓角過渡有利于模具制造和附網,有利于濕紙坯轉移時脫模,有利于漿料在吸附成形時的流動,有利于減小應力集中。

              四、紙漿模塑模具設計

              模具設計須滿足紙漿模塑制品結構要求,而且紙漿模塑制品結構在符合使用和成形工藝條件的同時,也要符合模具設計和制造的要求。因此,設計紙漿模塑模具之前,須充分分析和研究紙漿模塑制品的結構,以便使制品設計和模具設計兩者的經濟合理性、技術可行性相互協調和統一。

              1紙漿模塑模具種類

              紙漿模塑制品成形過程中要經過多次進入模具才能完成制品制造過程,前面講過紙漿模塑制品是在單一的凸或凹模上成形,成形之后又須在凸凹模合模之后的模腔中轉移,轉移到定形模具的濕紙坯是在定形模具中加壓、加熱后成形。因此,紙漿模塑模具分為成形模具、定形模具、整形模具和模切模具等。其中成形工藝有兩類,一類是吸附成形,另一類是壓制成形,壓制成形模具有些類似橡膠塑料模具,吸附成形模具較為特殊和復雜。

              (1)吸附成形模具:吸附成形模具

              結構由凸模、凹模、網模、模具座、模具背腔和氣室等組成。其中網模是模具主體,由于網模是由直徑0.15mm絲線(金屬或塑料)編織成,自身不能獨立成形,須依附在模具表面才能工作。模具背腔是與模具工作面保持厚度、形狀同步的模具背面部位相對模具座組成的空腔,即凸、凹模是一個具有壁厚的殼體。模具工作面與背腔之間由均布的小孔聯通。

              模具通過模具座安裝在成形機的模板上,模板的另一面安裝有氣室,氣室與背腔相通,同時其上還有兩個通壓縮空氣和真空的通道。

              吸附成形模具的預留量:吸附成形模具的預留量是模具設計的關鍵。

              紙漿模塑制品從濕紙坯到完成制品,由于水的析出而發生收縮。同一個制品的不同位置收縮率不相同又沒有規律,致使制品在成形過程中發生多向、多變的收縮變化,給模具設計時確定預留量造成困難,好在目前包裝業對紙漿模塑制品制造精度要求不算高,用經驗設計法還可以滿足要求。為了獲得更高的制品制造精度,完善模具設計方法,筆者通過長時間測試和理論推導總結確定了一項具有普遍使用價值、精度很高的模具預留量計算式(由于可以理解的原因不能公布)。這個計算式除了受結構、形狀約束之外,還加進了漿料種類、成形條件和烘干方式的系數,所以這個計算式既有理論依據,又有經驗系數。

              (2)紙漿模塑定形模具:定形模具是在濕紙坯成形之后直接進入具有加熱、加壓和脫水功能的模具。

              定形模具是用來使濕坯在模內烘干定形,用定形模具制造出來的制品表面光滑,尺寸準確,堅實,剛性好。一次性快餐具都是采用這種模具制造的。在工業內包裝上,一些細小、精密、數量大的小型物品都采用一層層堆疊起來的方式包裝,每層之間用來包裝定位的包裝制品,如果采用紙漿模塑制品就需要用定形模具來制造。而一般的工業內包裝制品都是單面工作,不用熱定形,直接烘干即可。定形模具結構包括凸模、凹模、網模和加熱元件,附有網模的凸或凹模上有排水排氣孔,工作時濕紙坯在定形模內首先受到擠壓,有20%的水被壓榨排出,此時濕紙坯內含水為50-55%使濕紙坯在模內受熱后余下來的水被汽化排除,濕紙坯被壓榨烘干定形后形成制品。

              定形模具中的網模會使制品表面產生網痕,而且網模在頻繁擠壓中會很快破損。為了解決這個問題,有模具設計設計了一種無網模,這種無網模是采用銅基球狀粉末冶金制造。兩年來經過多次結構改進和選擇適當的粉末粒度,制造出來的無網定形模具壽命是網模的10倍,成本降低50%,制造出來的紙制品精度高,內、外表面光滑。

              (3)紙漿模塑整形模具:濕紙坯經過烘干后要發生變形,有的部位變形嚴重,或者對制品外表形狀要求精度高時,制品要經過一道整形工序,使用的模具稱整形模具。這種模具也需要有加熱元件,但是沒有網模也可以。需要整形的制品在烘干時要保留25-30%的含水量,以便于整形。在生產實踐中由于含水量不易控制,使制品難以達到質量要求。筆者設計了一種噴霧整形模具,在模具上對應需要整形部位制造出噴霧孔。工作時制品是經過烘干后放進整形模具內,合模同時模具上噴霧孔對制品噴霧熱壓,這種模具與制衣行業的噴霧熨斗有些相似。

              (4)模切模具:模切模具是用來修整制品毛邊,亦稱切邊模。

              2紙漿模塑模具材料

              模切模具除了其中的刀具之外都是采用普通碳鋼制造;定形模具和整形模具一般都是采用黃銅、鋁合金和不銹鋼制造。

              成形模具目前采用黃銅、鋁合金和樹脂制造。用在工業內包裝制品上精度不高時可以直接采用鑄造法制造,精度要求高須采用機械切削加工法制造。成形模具中的轉移模采用樹脂直接從對應的凸?;虬寄I戏怪圃斐鰜?,精度高。如果有紙質樣品,可采用一種低熔點合金利用樣品作母模直接翻倒模具。

              網模是紙漿模塑模具中的關鍵性模具,是直接影響制品質量和生產效率的重要一環。

              網模用網有金屬網和塑料網,金屬網又分黃銅網、不銹鋼網和鍍鉻網,網絲直徑在0.15-0.25mm之間。按網的編織方法分為單經網、三經網、捻織網和雙層織網等。網孔幾何形狀有正方孔、長方孔和六邊形孔。網目一般在40-65目之間。

              模具過渡材料。過渡材料是用來制造初造形的母?;蛟跇悠飞戏怪颇K貌牧?。過渡材料有木材、型砂、石蠟、硅橡膠、石膏、樹脂等。

              五、模具技術進步使紙漿模塑大有用武之地

              有行內大咖正在構思一種能連續運轉的成形模具,一種紙模連續抄造機,可以生產出一次成形的蜂窩紙板。這種一次成形的蜂窩紙板除了可以用作包裝材料之外,另一個更大的用處是可以用來生產播種紙。

              一種有規律的凹槽紙板(蜂窩紙)在另外一臺可以稱作“室內臺式播種機”上,在紙板的凹槽內播種上植物種子,加入化肥和除草劑,用另外一種紙復合好,制造出一種有幅寬的播種紙,這種播種紙使用前分切成紙條,將這種紙條按壟埋進土壤中,對其進行定期適量噴水,水透過土壤浸濕了播種紙,水溶解化肥和除草劑使其滲入土壤,種子有了水分開始萌芽,幼芽穿透浸濕了的播種紙破土而出,剩下的播種紙降解在土壤中成為肥料。將播種紙埋進土壤之后,就只剩下等著收獲了。


              紙漿模塑技術是古老的造紙業的新生兒,而紙漿模塑模具恰是這個新生兒的核心元素。行內曾經有公司百萬年薪邀請模具總師加盟,卻求而不得,可以想象,隨著紙漿模塑行業應用場景的不斷擴充,市場份額快速擴大,對技術人才的需求會井噴式增長,可能紙漿模塑技術培訓培訓能成為一個新興的、熱門的培訓項目吧?

              期待紙漿模塑模具技術培訓,讓紙漿模塑產品設計工程師和模具工程師能在一個平臺上溝通,這樣可以加快產品研發的進度,期待紙漿模塑技術培訓黃埔軍校早日成型,推動紙漿模塑行業發展。


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