纸浆模塑模具设计简述

2021-02-05 17:55:44

根据咨询机构科尔尼的调查结果,欧盟和美国三分之二(66%)的消费者愿意为可持续产品支付溢价,而一半(49%)的消费者则表示公司的环境记录是做出购买决定的重要因素。同样的数字(49%)表示,他们愿意优先考虑可持续产品而不是便利产品,并愿意走得更远以避免产生对环境不利的产品。是否可持续逐渐变成了消费者选择的一个重要的因素。

在我国,随国家和环保人士的广泛宣传,未回收塑料制品,对环境的伤害,尤其是对海洋环境的伤害被人们广泛了解,科学研究表明,塑料微珠会随着食物链回到人体,对人的神经系统有潜在的伤害可能。这些都导致人们对环境保护意识的增强,国家和地方政府也密集发禁塑限塑的法律法规,塑料制品越来越受到限制。

我国已经有十二个省市自治区发布了,禁止生产和销售泡沫塑料一次性快餐具,一次性塑料袋等,而用作工业内包装的泡沫塑料制品也成为我国商品迈出国门的一大障碍。

“以纸代塑”已经列入我国包装行业“九五规划”,大力开发应用纸基材料’包括纸模制品(包装物正是包装工业落实“九五规划”的一个重点。纸,作为包装材料历史已经很久远了,但是由于其可塑性差和较小的延伸率,传统的纸制品都是采用折叠方式成形来适应包装需求,如各种瓦楞纸、蜂窝纸、纸箱、纸袋、纸筒等。纸浆模塑制品是纸质包装家族中的后起之秀,它源于造纸,并且有独自的优势和个性。

纸浆模塑制品除了具有一般纸制品的强度和韧性之外,还可以根据要求制成各种形状来适应被包装物对包装的承载、定位和缓冲的要求,可以取代泡沫塑料进入包装行列。

一、纸浆模塑制品的基本生产过程

纸浆模塑产品的基料、助剂与纸相同,工艺也很接近,只不过纸浆模塑制品是在网模上成形的。

当纸浆通过网模时,纤维被网模截留,水被滤掉,按网模形状成形,纸浆纤维靠纤维间氢键结合形成湿纸坯,使用适当的化学品可以提高纤维间的结合力,强度和其他物理性能。湿纸坯再经过烘干或热定形,之后成为纸浆模塑制品。这就是纸浆模塑制品成形的基本过程。

二、纸浆模塑模具特征

纸浆模塑是利用模具在纸浆状态塑造纸制品,因此,模具是纸浆模塑技术的关键。纸浆模塑模具技术近几年发展迅猛,以前高难度的0.5度拔模技术已经有多家厂商掌握,纸浆模塑咖啡杯盖这样集中体现纸浆模塑技术水平的产品,也已经有很多家公司能够出模具了。

利用纸浆模塑生产一次性快餐具,由于制品只有盒、碗和盘子,形状比较简单,有通用性。纸浆模塑用在工业内包装上和其他方面时,制品都比较大,形状非常复杂,而且一款一式都是“对号入座”,没有通用性,模具设计制造就要伴随始终。

纸浆模塑制品成形时与在模腔内成形的橡胶和塑料制品大不相同,纸浆模塑制品成形时使用的浆料是一种只含10%左右纤维的水溶液,须保证大部分的水流掉,所以纸浆模塑制品成形模具须是网模。

纸浆模塑制品成形是将浆料中大量的水排掉的连续过程,纸制品在网模上形成厚度有个沉积过程,这样制品成形须是在单一的凸或凹的网模的表面上成形;纸浆模塑制品成形过程同时也是一个过滤过程,随着厚度增加而过滤性能降低,厚度形成速度降低,所以制品形成时各处壁厚是在同步进行的。不管制品形状如何复杂,其各处壁厚都是一致的。纸浆模塑制品成形之后是个含水量在70%左右的湿纸坯,因为使浆料推向网模滤过时的动力是真空度,力量不超过一个大气压。现在也出现了吹吸同步的模具,能提高生产效率。

初成形的湿纸坯吸附在网模上,湿强度很低,须靠另外一个与之对应的凸或凹模合模之后,使湿纸坯置于合模后的模腔内,用气压使之转移,纸浆模塑制品是在单一的凸或凹模上成形,又在合模后的模腔内转移。由于纸浆模塑成形的这些性质,增大了制品设计和模具设计的难度。


三、纸浆模塑制品设计

纸浆模塑制品设计不仅仅是结构装备器材上的设计,其制品的许多性能由原材料、助剂、填料和生产工艺所决定。因此,纸浆模塑制品设计是一项工艺和结构综合性技术。

1、一些基本要求

除纸类产品的一般物理强度等要求外,还应根据制品的不同用途,从工艺和结构设计上,重视以下几项性能,以满足特定的使用要求。

(1)吸附性:纸浆模塑制品的憎液性能,包括对水、油、油墨等液体的吸收性能,这对纸餐具是特别重要的。

(2)制品外观质量:用肉眼可以观察到制品外观的缺陷,这些缺陷包括尘埃、孔洞、皱折、筋道、网印、斑点、浆疙瘩、鱼鳞斑、裂口、卷边、凹陷、色泽不一致等不美观的外表。

(3)制品精度:是指制品的尺寸、形状和位置与设计要求之间的误差。纸浆模塑制品精度按目前的制造方法,精度还有提高的空间,后续随着对制品质量要求的提高,对模具精度的要求会越来越高。


2结构设计要点

纸浆模塑制品除了有纸制品的强度和韧性之外,还可以根据使用功能要求制成各种复杂形状。用作一次性快餐具时,形状比较简单,强度要求也不算高。用作工业内包装时,其形状就很复杂,它须满足工业内包装的三大要求:一是定位要求。包装制品须能保证被包装物品在包装箱内有固定位置,要求包装制品与被包装物品之间形状同步,接触贴切,尺寸准确。二是缓冲要求。制品整体要有韧性和柔性,表面还应该有些松软,与被包装物品接触摩擦时不能损伤被包装物品表面光泽,能去掉包装物品在搬运中受到碰撞、振动时产生的冲击。三是承载。要求制品有强度和刚性来支撑被包装物和承受外界压力。为了满足制品上述功能要求,除了选择适当的原材料、助剂和生产工艺之外,更重要的是结构设计。

(1)功能性结构:

纸浆模塑制品成形工艺特点决定了同一个制品只能有一个厚度,为了适应功能要求,在调整强度和缓冲性时可利用形腔和立筋,形腔可以增加制品整体的弹性和柔性,立筋可增加制品强度和刚性。在比较大的平面,承载能力要求高时,可以将此处设计成瓦楞形或蜂窝形。

(2)工艺性结构:由于纸浆模塑制

品成形初期是个湿纸坯,在生产过程中,水要逐步析出,制品形状、位置和尺寸都会发生较大变化,在制品的同一个平面、同一个方向的不同位置,制品的收缩总量不同,这时制品就要发生翘曲或扭转变形。为了调整这种变形,只有采取结构形状进行平衡。这种用来调整收缩变形的结构形状称作制品的工艺性结构。

(3)与结构相关的参数确定原则:

脱模斜度。纸浆模塑制品在成形过程中,湿纸坯紧扣在模具上,而且纸浆纤维还会镶嵌在网模的网孔中,为了便于使湿纸坯转移,与脱模方向平行的制品表面都应该有个合理的脱模斜度。斜度过小则脱模困难,会造成制品表面拉痕或破裂;斜度过大将降低制品尺寸精度,影响包装功能。现在零度拔模和负角度拔模技术正在迅速成熟中。

制品壁厚。根据使用条件和浆料种类来确定制品壁厚,壁厚是影响制品强度的重要因素。制品壁厚的增加不单纯是增加原材料消耗,而且在吸附成形时壁厚决定了生产效率,增加壁厚还会增加烘干能耗和使制品产生凹陷、缩孔和夹心等质量缺陷。所以在满足制品强度情况下应尽量降低壁厚。在采用吸附成形时壁厚范围在0.5-6mm之间,在采用压制成形时壁厚在3-20mm之间。

过渡圆角。纸浆模塑制品的内外表面转角处、立筋与主体联接处和立筋的终端都须用圆角过渡,避免直棱直角。圆角过渡有利于模具制造和附网,有利于湿纸坯转移时脱模,有利于浆料在吸附成形时的流动,有利于减小应力集中。

四、纸浆模塑模具设计

模具设计须满足纸浆模塑制品结构要求,而且纸浆模塑制品结构在符合使用和成形工艺条件的同时,也要符合模具设计和制造的要求。因此,设计纸浆模塑模具之前,须充分分析和研究纸浆模塑制品的结构,以便使制品设计和模具设计两者的经济合理性、技术可行性相互协调和统一。

1纸浆模塑模具种类

纸浆模塑制品成形过程中要经过多次进入模具才能完成制品制造过程,前面讲过纸浆模塑制品是在单一的凸或凹模上成形,成形之后又须在凸凹模合模之后的模腔中转移,转移到定形模具的湿纸坯是在定形模具中加压、加热后成形。因此,纸浆模塑模具分为成形模具、定形模具、整形模具和模切模具等。其中成形工艺有两类,一类是吸附成形,另一类是压制成形,压制成形模具有些类似橡胶塑料模具,吸附成形模具较为特殊和复杂。

(1)吸附成形模具:吸附成形模具

结构由凸模、凹模、网模、模具座、模具背腔和气室等组成。其中网模是模具主体,由于网模是由直径0.15mm丝线(金属或塑料)编织成,自身不能独立成形,须依附在模具表面才能工作。模具背腔是与模具工作面保持厚度、形状同步的模具背面部位相对模具座组成的空腔,即凸、凹模是一个具有壁厚的壳体。模具工作面与背腔之间由均布的小孔联通。

模具通过模具座安装在成形机的模板上,模板的另一面安装有气室,气室与背腔相通,同时其上还有两个通压缩空气和真空的通道。

吸附成形模具的预留量:吸附成形模具的预留量是模具设计的关键。

纸浆模塑制品从湿纸坯到完成制品,由于水的析出而发生收缩。同一个制品的不同位置收缩率不相同又没有规律,致使制品在成形过程中发生多向、多变的收缩变化,给模具设计时确定预留量造成困难,好在目前包装业对纸浆模塑制品制造精度要求不算高,用经验设计法还可以满足要求。为了获得更高的制品制造精度,完善模具设计方法,笔者通过长时间测试和理论推导总结确定了一项具有普遍使用价值、精度很高的模具预留量计算式(由于可以理解的原因不能公布)。这个计算式除了受结构、形状约束之外,还加进了浆料种类、成形条件和烘干方式的系数,所以这个计算式既有理论依据,又有经验系数。

(2)纸浆模塑定形模具:定形模具是在湿纸坯成形之后直接进入具有加热、加压和脱水功能的模具。

定形模具是用来使湿坯在模内烘干定形,用定形模具制造出来的制品表面光滑,尺寸准确,坚实,刚性好。一次性快餐具都是采用这种模具制造的。在工业内包装上,一些细小、精密、数量大的小型物品都采用一层层堆叠起来的方式包装,每层之间用来包装定位的包装制品,如果采用纸浆模塑制品就需要用定形模具来制造。而一般的工业内包装制品都是单面工作,不用热定形,直接烘干即可。定形模具结构包括凸模、凹模、网模和加热元件,附有网模的凸或凹模上有排水排气孔,工作时湿纸坯在定形模内首先受到挤压,有20%的水被压榨排出,此时湿纸坯内含水为50-55%使湿纸坯在模内受热后余下来的水被汽化排除,湿纸坯被压榨烘干定形后形成制品。

定形模具中的网模会使制品表面产生网痕,而且网模在频繁挤压中会很快破损。为了解决这个问题,有模具设计设计了一种无网模,这种无网模是采用铜基球状粉末冶金制造。两年来经过多次结构改进和选择适当的粉末粒度,制造出来的无网定形模具寿命是网模的10倍,成本降低50%,制造出来的纸制品精度高,内、外表面光滑。

(3)纸浆模塑整形模具:湿纸坯经过烘干后要发生变形,有的部位变形严重,或者对制品外表形状要求精度高时,制品要经过一道整形工序,使用的模具称整形模具。这种模具也需要有加热元件,但是没有网模也可以。需要整形的制品在烘干时要保留25-30%的含水量,以便于整形。在生产实践中由于含水量不易控制,使制品难以达到质量要求。笔者设计了一种喷雾整形模具,在模具上对应需要整形部位制造出喷雾孔。工作时制品是经过烘干后放进整形模具内,合模同时模具上喷雾孔对制品喷雾热压,这种模具与制衣行业的喷雾熨斗有些相似。

(4)模切模具:模切模具是用来修整制品毛边,亦称切边模。

2纸浆模塑模具材料

模切模具除了其中的刀具之外都是采用普通碳钢制造;定形模具和整形模具一般都是采用黄铜、铝合金和不锈钢制造。

成形模具目前采用黄铜、铝合金和树脂制造。用在工业内包装制品上精度不高时可以直接采用铸造法制造,精度要求高须采用机械切削加工法制造。成形模具中的转移模采用树脂直接从对应的凸模或凹模上翻倒制造出来,精度高。如果有纸质样品,可采用一种低熔点合金利用样品作母模直接翻倒模具。

网模是纸浆模塑模具中的关键性模具,是直接影响制品质量和生产效率的重要一环。

网模用网有金属网和塑料网,金属网又分黄铜网、不锈钢网和镀铬网,网丝直径在0.15-0.25mm之间。按网的编织方法分为单经网、三经网、捻织网和双层织网等。网孔几何形状有正方孔、长方孔和六边形孔。网目一般在40-65目之间。

模具过渡材料。过渡材料是用来制造初造形的母模或在样品上翻倒制模所用材料。过渡材料有木材、型砂、石蜡、硅橡胶、石膏、树脂等。

五、模具技术进步使纸浆模塑大有用武之地

有行内大咖正在构思一种能连续运转的成形模具,一种纸模连续抄造机,可以生产出一次成形的蜂窝纸板。这种一次成形的蜂窝纸板除了可以用作包装材料之外,另一个更大的用处是可以用来生产播种纸。

一种有规律的凹槽纸板(蜂窝纸)在另外一台可以称作“室内台式播种机”上,在纸板的凹槽内播种上植物种子,加入化肥和除草剂,用另外一种纸复合好,制造出一种有幅宽的播种纸,这种播种纸使用前分切成纸条,将这种纸条按垄埋进土壤中,对其进行定期适量喷水,水透过土壤浸湿了播种纸,水溶解化肥和除草剂使其渗入土壤,种子有了水分开始萌芽,幼芽穿透浸湿了的播种纸破土而出,剩下的播种纸降解在土壤中成为肥料。将播种纸埋进土壤之后,就只剩下等着收获了。


纸浆模塑技术是古老的造纸业的新生儿,而纸浆模塑模具恰是这个新生儿的核心元素。行内曾经有公司百万年薪邀请模具总师加盟,却求而不得,可以想象,随着纸浆模塑行业应用场景的不断扩充,市场份额快速扩大,对技术人才的需求会井喷式增长,可能纸浆模塑技术培训培训能成为一个新兴的、热门的培训项目吧?

期待纸浆模塑模具技术培训,让纸浆模塑产品设计工程师和模具工程师能在一个平台上沟通,这样可以加快产品研发的进度,期待纸浆模塑技术培训黄埔军校早日成型,推动纸浆模塑行业发展。


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