Stav vývoja a pokrok vo výskume technológie spracovania plastových foriem

Technológia spracovania plastových foriem prechádza hlbokou transformáciou od tradičných procesov k inteligentným, ekologickým a vysoko presným smerom. Nasledujúca analýza sa vykonáva z troch hľadísk: technologický stav, špičkový pokrok a kľúčové výzvy:

1. Súčasný stav technologického rozvoja

1. Neustála optimalizácia tradičnej technológie formovania

Vstrekovanie plastov: zariadenia, ktoré tvoria viac ako 35 % objemu spracovania plastov, sa vyvíjajú smerom k vysokej rýchlosti a presnosti. Napríklad inteligentný vstrekovací lis Yizhimi UN160A6 dosahuje dynamickú optimalizáciu procesných parametrov prostredníctvom systému MES s mierou kvalifikácie produktu viac ako 99 %. Technológia vstrekovania plastov s pomocou plynu (ako napríklad vstrekovanie nárazníkov BMW) dokáže znížiť silu uzatvárania formy o 40 % a spotrebu materiálu o 15 % – 20 %.

Extrúzne lisovanie: Technológia reakčnej extrúzie realizuje integráciu polymerizácie a lisovania, ako napríklad výrobná linka DuPont Nylon 6 na kontinuálnu polymerizačnú extrúziu, ktorá zvyšuje výrobnú kapacitu o 30 %. Presná extrúzia dokáže riadiť toleranciu priemeru rúry v rozmedzí ± 0,05 mm prostredníctvom riadenia spätnej väzby v uzavretej slučke.

Vyfukovanie: Technológia trojrozmerného vyfukovania s podtlakovou extrúziou (ako napríklad dvojvrstvová extrúzia Culus) dokáže vyrobiť zložité štruktúrované nádoby a vyfukovanie vďaka roztiahnutiu robí PET fľaše odolnými voči vnútornému tlaku až 3,5 MPa.

2. Komplexné zavedenie inteligentnej výroby

Prepojenie zariadení: Senzory IoT zhromažďujú v reálnom čase viac ako 300 parametrov, čím sa skracuje abnormálny čas odozvy z hodín na 90 sekúnd. Napríklad určitá výrobná linka automobilových dielov dosahuje spoluprácu medzi vstrekovacími lismi, robotickými ramenami a zariadeniami na kontrolu kvality prostredníctvom sietí 5G, čím sa znižuje spotreba energie o 15 %.

Riadené umelou inteligenciou: Modely strojového učenia predpovedajú optimálne parametre vstrekovania, čím sa počet skúšobných foriem znižuje o 60 %; Vizuálny algoritmus rozpoznáva zvarové línie s hrúbkou 0,02 mm s presnosťou 99,7 %. Inteligentný procesný systém Yizhimi bol aplikovaný v podnikoch ako Midea a Hisense so 40 % zvýšením efektivity ladenia procesov.

Digitálne dvojča: Optimalizácia plánovania modelu virtuálnej výrobnej linky, skrátenie času prepínania foriem o 23 %. Istá spoločnosť vyrábajúca domáce spotrebiče zlepšila stabilitu produktu o 50 % dynamickou kompenzáciou zmien teploty a vlhkosti prostredia.

3. Prielom v zelenej výrobnej technológii

Spracovanie bioplastov: Bioplasty BH pripravené technológiou zmiešanej mikrobiomasy (ako napríklad bavlnené vlákno + peľová škrupina) majú pevnosť v ťahu 52,22 MPa, dajú sa spracovať vo vode a úplne sa rozložia do 6 mesiacov. Problém so zlou plastifikáciou (ako napríklad neroztavené častice spôsobené nesprávnou reguláciou teploty) je však stále potrebné vyriešiť optimalizáciou závitoviek (napríklad pridaním miešacích sekcií).

Recyklácia: Technológia spracovania mikrovlnným žiarením dosahuje depolymerizáciu a regeneráciu odpadových plastov. Svetlom vytvrdzovaná 3D tlačiarenská živica vyvinutá Univerzitou Zhejiang sa dá recyklovať donekonečna a miera zachovania mechanických vlastností po recyklácii presahuje 90 %. Náklady na triedenie plastov po spotrebe sú však vysoké, pričom v súčasnosti sa efektívne recykluje iba 12 % z nich.

2. Pokrok vo výskume na hraniciach

1. Technológia spracovania v extrémnom rozsahu

Ultratenké tvárnenie: Technológia viacstupňového prerušovaného naťahovania (SAMIS), ktorú vyvinul tím Fu Qiang na Sichuanskej univerzite, znižuje hrúbku polyetylénovej fólie na 12 nanometrov (teoretický limit) s pomerom dĺžky k hrúbke 10^7 a pevnosťou v ťahu 113,9 GPa/(g/cm³), čo sa používa na podporné materiály pre zapálenie jadrovej fúzie.

Mikroporézne penenie: MuCell™ Tento proces vytvára v PC mikroporéznu štruktúru s priemerom 10 – 100 μm, čím sa znižuje hmotnosť o 30 % a zároveň sa zachováva rázová húževnatosť. Tento proces sa používa v interiéri Tesly Model 3.

2. Inovácie v nových procesoch formovania

Spracovanie plastov vodou: Technológia fázovej separácie sprostredkovanej vodou, ktorú vyvinul tím Univerzity Donghua, umožňuje reverzibilnú premenu plastov medzi stavom s nízkou hydratáciou (sklovitý stav, σb=211,2 MPa) a stavom s vysokou hydratáciou (stav cesta, pretvorený pri izbovej teplote), čím prekonáva teplotné obmedzenia tradičného spracovania plastov.

UV vytvrditeľná 3D tlač: Tím vedený Xie Taom z Univerzity Zhejiang objavil reakciu Photo Click na báze tiolového aldehydu a vyvinul recyklovateľnú UV vytvrditeľnú živicu s pevnosťou v ťahu až 150 MPa, čím vyriešil problém nerecyklovateľnosti tradičných 3D tlačových materiálov.

3. Tvarovanie funkčných materiálov

Spracovanie COC optickej kvality: Cykloolefínový kopolymér (COC) sa vyrába presným vstrekovaním (regulácia teploty formy ± 0,1 ℃) na výrobu optických šošoviek s priepustnosťou svetla 91 % – 93 % a zákalom < 0,1 %. Nahradil niektoré sklo v moduloch fotoaparátov mobilných telefónov.

Inteligentný materiál s odozvou: Termochromický polyimidový film sa vytvára valcovaním, čím sa znižuje jeho priepustnosť svetla z 85 % na 15 % pri teplote 60 ℃ a používa sa na výrobu energeticky úsporných okien v inteligentných budovách.

3. Hlavné výzvy a budúce smery

1. Kľúčové technické úzke miesta

Spracovanie bioplastov: PLA a iné materiály je potrebné spracovávať pri teplote 170 – 230 ℃, čo je náchylné na oxidáciu a degradáciu a vyžaduje si pridanie 0,3 % – 0,5 % antioxidantov (ako napríklad IrgaNOx 1010). Vady produktu spôsobené zlou plastifikáciou (ako napríklad drsnosť povrchu 7,94 μm) je stále potrebné riešiť optimalizáciou kombinácie skrutiek (napríklad pridaním bariérových segmentov).

Mikro nano tvarovanie: Presnosť replikácie nanoškálových štruktúr (ako sú napríklad mriežky s veľkosťou 50 nm) je ovplyvnená elasticitou taveniny a šmyková rýchlosť musí byť regulovaná nad 10^4 s^-1, aby sa znížilo elastické zotavenie.

Cirkulárna ekonomika: Nízka účinnosť triedenia plastov po spotrebe (manuálne triedenie stojí 0,8 USD/kg), čo si vyžaduje vývoj vizuálneho triediaceho systému s umelou inteligenciou (presnosť rozpoznávania 98 %) a technológie chemickej recyklácie (ako napríklad čistota depolymerizácie PET 99,9 %).

2. Trendy budúceho vývoja

Inteligentná hlboká integrácia: edge computing umožňuje zariadeniam robiť lokálne rozhodnutia (napríklad prediktívna doba odozvy údržby < 1 sekunda) a technológia blockchain umožňuje sledovateľnosť surovín a hotových výrobkov počas celého ich životného cyklu.

Prielom v oblasti biomateriálov: Hybridná technológia mikro-rozmerovej ko-montáže (ako napríklad celulóza + lignín) sa môže použiť na prípravu bioplastov s pevnosťou v ťahu 60 MPa a očakáva sa, že podiel na trhu dosiahne do roku 2030 15 %.

Extrémne environmentálne aplikácie: Technológia vstrekovania plastov PEI (polyéterimid), ktorá odolá teplotám nad 200 ℃ (teplota formy 180 ℃, udržiavací tlak 120 MPa), sa rozšíri na transparentné komponenty v leteckom priemysle.

4. Analýza typického prípadu

1. Inteligentná továreň na vstrekovanie plastov

Digitálna výrobná linka nasadená určitým podnikom zaoberajúcim sa domácimi spotrebičmi dosahuje zlepšenie kvality a efektívnosti prostredníctvom nasledujúcich technológií:

Vrstva zariadenia: 48-komorová pripojená vodná krytka, vysokorýchlostná výrobná jednotka (cyklus 2,7 sekundy), integrovaný tlakový senzor (presnosť ± 0,1 MPa) a vizuálna kontrola (rozlíšenie 0,01 mm).

Systémová vrstva: Modely digitálnych dvojčiat simulujú rôzne schémy plánovania výroby, čím sa skracuje čas prepínania foriem z 2 hodín na 45 minút a spotreba energie o 15 %.

Aplikačná vrstva: Algoritmus umelej inteligencie analyzuje viac ako 3 milióny súborov historických údajov, predpovedá optimálne parametre vstrekovania (ako napríklad kolísanie teploty taveniny lepidla ± 1 ℃) a znižuje mieru chybovosti z 3 % na 0,5 %.

2. Industrializácia biologických materiálov

BH Bioplasty: Materiál pripravený spojením bavlnených vlákien (30 %) s peľovými škrupinami s pevnosťou v ťahu 52,22 MPa. Dá sa spracovať a tvarovať vo vode pri teplote 25 ℃, pričom miera degradácie pôdy je po 6 mesiacoch 100 %, ale výrobné náklady sú o 20 % vyššie ako pri PP.

Spracovanie PLA riadu: Na zníženie deformácie je potrebné kontrolovať teplotu formy na 50 – 70 ℃ a čas chladenia na 8 – 12 sekúnd. V súčasnosti sa do priemyselných kompostovacích zariadení dostáva iba 12 % PLA produktov na celom svete.

5. Zhrnutie

Technológia spracovania plastov na výrobu foriem inovuje v celom reťazci aplikácií zariadení na spracovanie materiálov: molekulárny dizajn (ako napríklad dynamické kovalentné väzby), inovácie procesov (ako napríklad viacpolové prepojenie foriem), modernizácia zariadení (ako napríklad magnetoreologické vstrekovacie stroje) a rozširovanie aplikácií (ako napríklad flexibilné elektronické obaly) predstavujú štyri hlavné body technologických prelomov. V nasledujúcom desaťročí, s hlbokou integráciou umelej inteligencie, biotechnológie a výrobných technológií, spracovanie plastov uvoľní väčší potenciál v oblastiach, ako je nízka hmotnosť, funkčná integrácia a uhlíková neutralita. Zároveň je potrebné prekonať tri hlavné úzke miesta: stabilitu spracovania biomateriálov, presnosť replikácie mikro/nano štruktúr a náklady obehového hospodárstva.