精密擠出技術的開發和應用展望
時間：2019-11-25 03:40
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世界上第一臺柱塞式擠出機由英格蘭的 Henry Bewley 和 Richard Brooman 于 1845 年研制成功 ， 而第一臺單螺桿擠出機是由美國的 William Kiel 和 John Prior 于 1876 年研制成功的。歷經一個半世紀的發展，擠出成型已成為聚合物加工中最主要的成型和改性方法。擠出成型既是一種高效、連續、低成本、適應面寬的加工成型方法，同時又是一種低精密度、低附加值的成型加工方法。開發精密擠出成型技術和裝備，滿足各種精密制品的成型加工要求，使擠出成型成為一種高精密度、高附加值的加工方法是當前聚合物加工技術的研發熱點之一。
1 精密擠出成型技術的研發背景
1.1 開發精密擠出成型技術的必要性
精密擠出成型是一種通過對擠出過程要素的精確控制，實現制品幾何尺寸高精密化和材料微觀形態高均勻化的成型過程。精密擠出成型的主要特征為：擠出過程中工藝參數波動很小，擠出設備工作狀態非常穩定，所成型制品的幾何精度比常規擠出成型方法提高 50% 以上。開發精密擠出技術的迫切性主要表現在以下方面。
1.1.1 高精密制品成型的需要
以光導纖維、醫用導管、音像片基、照像膠片片基、投影膠片為代表的一系列高精密制品的市場需求與日俱增。這類制品幾何精度往往比普通制品提高 50% 以上，普通擠出成型設備對這些精密制品是無能為力的，而必須采用精密擠出成型設備與技術完成成型加工。
1.1.2 特種材料加工成型的要求
對一些危險和有毒物料的加工需要精密擠出裝備。如含紅磷類聚合物復合材料的擠出，就需要嚴格地控制擠出工藝，因為紅磷很容易燃燒，擠出工藝控制不好，具有很大的危險性。一些工程塑料在高溫下會分解出對機器有腐蝕性、對人體有害的低分子揮發物。如聚四氟乙烯（ PTFE ）和乙烯 - 四氟乙烯共聚物（ ETFE ）在一定溫度下就會分解出氟化氫氣體，該氣體對擠出設備有極強的腐蝕性，對人體的肝臟有很大的損傷，該氣體還會引發 PTFE 和 ETPE 的連鎖降解反映，因而必須嚴格加以限制。在軍工領域，擠出機可以用于炸藥的加工，其危險性不言而喻，除了塑化系統的合理設計和精密加工外，擠出工藝的嚴格控制是最關鍵的安全要素之一。在上述類型的危險和高溫易分解聚合物的擠出加工中，精密擠出機可以發揮不可替代的作用。
1.1.3 反應擠出成型的要求
現代擠出機除了塑化功能外，還具備化學反應器的功能，物料在擠出機中可以完成本體聚合、化學接枝、鏈間共聚物的獲取、偶聯 / 交聯、可控降解、功能化和官能團的改性、高分子合金的制備、納米 / 高聚物復合材料的制備等。反應擠出過程需要嚴格控制反應溫度、壓力、物料停留時間及其分布等過程參數，以及反應物料與外界的熱量傳遞等，普通擠出機往往是不能勝任的，精密擠出成型機為各種復雜的反應擠出工藝提供了必要的裝備條件。
1.1.4 高速化擠出的基礎
據資料報道，日本池貝公司的 D30 單螺桿擠出機的轉速高達 3000r/min ，產量可達 300kg/h 。國外錐形雙螺桿擠出機用于生產 PVC 管材，單機產量可達 1100~1500kg/h ；平行雙螺桿擠出機的螺桿直徑已經超過 300mm ，長徑比最高達 100 ，螺桿最高轉速達到 1500r/min ， WP 公司的 ZSK133 系列機的產量達到 7000~11000kg/h 。醫用導購的線速度可以達到 250m/min ，薄膜的線速度可以達到 500m/min ，包覆電纜的線速度也可以達到 500m/min 以上。在擠出生產高速化的同時，必須實現保證成型過程的精密可控。如果不能保證制品成型的精度，則生產速度越高，廢品越多。在此意義上，可以說精密化是高速化的基礎。
1.1.5 減少制品材料消耗的需要
擠出成型制品因幾何精度較低造成的浪費是十分驚人的，采用常規擠出裝備生產的板、片、膜、管的壁厚不均勻度一般可達 8% 至 10% ，由此造成的材料浪費可達 8% 左右。按近年我國塑料制品的產量 21000kt 為基數，擠出成型制品的年產量 12600kt 計算，我國每年由于擠出制品的幾何精度低就浪費掉 100 多噸樹脂。如果 20% 的制品采用精密擠出技術和裝備來生產，我國每年就可以節約樹脂消耗量 10 萬噸左右，經濟效益超過 8 億元。
1.2 國內外精密擠出成型技術及裝備的差距
目前國產擠出裝備的銷售量為 8000 余套 / 年，銷售額 30 億元左右，進口擠出裝備 2000 余套 / 年，進口額 2 億美元左右（約 20 億人民幣），進口擠出裝備主要為大型和精密設備，其單價為國內設備的 8~10 倍，其附加值明顯高于國內設備。
進口的擠出設備主要有大口徑實壁管和波紋管生產線、土工膜生產線、雙向拉伸膜（ BOPP 、 BOET 、 BOPA 、 BOPS 等）生產線、滴灌管生產線、醫用導管生產線、音像片基和感光片基生產線、石化用大型雙螺桿擠出造粒裝備，以及各種實驗室用多功能擠出等。這些進口擠出裝備之所以能夠以很高的價格進入中國市場，主要依靠技術上的優勢，具體表現在高精密度、高速和高效率、高可靠性。
圖 1 為日本伊藤忠 TEXMAC 公司共擠出雙內腔導管醫用導管生產裝備，報價 100 萬美元。該裝備包括三臺擠出機，分別成型兩個內腔導管和外包覆套管，內腔導管的成型及其與外包覆套管的復合在一套模具中一次完成。為了確保導管幾何尺寸的穩定性，三臺擠出機均配備了熔體齒輪泵，同時牽引機采用伺服電機驅動。在線測試儀隨時監控導管的幾何尺寸，為閉環控制系統提供必要的數據。該設備經變換模具，可以生產各種形狀的醫用導管，見圖 2 。
美國 PEI （ Precision Extrusion ， Inc. ）公司用于生產醫用導管的精密擠出機，采用特殊的設計和制造技術，以及統計過程控制技術，使得擠出機各段溫度偏差可以控制在 ± 1℃ ，管材的壁厚偏差可以控制在 2% 以內。相比之下， 高產擠出設備的控溫精度一般在 5℃~10℃ ，管材的壁厚差在 10% 以上，根本無法滿足生產醫用導管、光導纖維等高精度制品的要求。這類高精密擠出設備目前主要依賴進口。
高產擠出設備無論是在實際水平，還是加工水平上都與國外先進水平存在 15~20 年的差距。在實時工藝參數和制品參數監測，以及先進控制技術的采用方面存在的差距也很大，先進的高精度在線檢測儀器主要依賴進口，國內寥寥可數，且與國外產品的差距在 10 年以上。
1.2.1 設計水平和技術創新能力上的差距
國外先進的塑料機械加工企業都有很強的設計和技術創新能力，如日本的 Nissei 公司設有五個技術研究中心，擁有 376 名注塑成型技術工程師，占員工總人數 46.1% ，獲專利技術 1470 項。相比之下，國內塑料機械企業中大學以上的專業技術人員不足 10% ，企業自主知識產權少，開發新產品一般以仿制為主， CAD 、 CAE 、 CAM 應用還處于初級階段，多數企業不具備實質上的技術創新能力。
1.2.2 國內外機電行業整體水平上的差距
國外塑料機械制造行業普遍采用 CAD 、 CAE 、 CAM 技術，以及高精密度的數控加工中心。近年來發展起來的高速銑床的主軸轉速高達 40000~100000r/min ，并可獲得 Ra≤1μm 的表面粗糙度；加工精度超過 1μm 的超精加工技術和集電、化學、超聲波、激光等技術綜合在一起的復合加工，將塑料機械的加工水平大大提升。國外螺桿端面跳動誤差不大于 0.01mm ；螺桿外徑誤差可以控制在 0.005mm 以下；螺桿外表面和料筒內表面的粗糙度 Ra 不大于 0.2μm 注塑機模板的形位公差不大于 ± 0.02mm/1000mm 。國內近年來從國外進口了一些高精度的機加工裝備，但整體水平與國外先進水平有很大的差距。
1.3 精密擠出技術的研發和應用開始得到重視
北京化工大學在教育部骨干教師基金和北京市自然科學基金的資助下，開展了精密擠出機理的研究和精密擠出技術的重新。圖 3 為北京化工大學塑料機械及塑料工程研究所的精密擠出實驗臺，該實驗臺配備了熔體泵，伺服驅動系統、失重式加料計量系統、在線激光測徑儀等有助于提高擠出過程精密可控化的裝置，還配備了并聯式穩壓系統、統計過程控制（ SPC ）控制系統等具有自主知識產權的專利技術和裝備。
北京化工大學已有一名博士、五名碩士完成了精密擠出機理及技術方面的學位論文，課題組在建成國內首臺精密擠出實驗臺的同時，申報了 5 項專利，并承接了“擠出法生產光導纖維”的國家 863 項目。
2 精密擠出成型的相關技術
精密擠出成型主要包括精密塑化、精密控制、精密成型等三方面的技術內容。從實現精密擠出成型的技術途徑主要包括兩個方面：一方面要最大程度地提高擠出成型過程溫度、壓力和流量的穩定性，另一方面是通過先進控制（閉環控制、模糊控制、統計過程控制等）手段，對擠出成型過程的波動進行即時自動調整。
2.1 提高擠出過程的穩定性的相關技術
擠出成型是一個十分復雜的生產過程，在此過程中，高聚物要經歷固體輸送、熔融、混合、增壓、泵送、成型、冷卻固化等過程，并受到剪切、拉伸、壓縮、以及加熱、冷卻等作用，發生熔融、固化、取向、解取向、結晶等復雜的相態和結構變化，使得擠出過程的控制難度極大。同時，由于擠出生產中的制品成型和定型是在較低的壓力下進行，造成成型過程受擠出塑化穩定性以及外界因素的影響較大。為了克服上述不穩定因素對擠出成型的影響，人們開發了一系列有助于提擠出穩定性的裝置。
2.1.1 穩壓裝置的采用
（ 1 ）熔體齒輪泵
普通擠出成型系統需要解決的一個主要問題是擠出產量的穩定性，研究表明普通擠出機的擠出流量波動可達 8%~10% ，軸向波動會使擠出制品軸向精度下降。為了解決擠出成型系統的擠出穩定性，人們采用熔體齒輪泵與擠出機串聯使用。熔體齒輪泵是一種正位移輸送裝置流量與泵的轉速呈嚴格的正比關系。
用于輸送塑料熔體的熔體齒輪泵，其主要功能是將來自擠出機的高溫塑料熔體增壓、穩壓，保持熔體流量精確穩定地送入擠出機頭此處介紹的熔體泵，其結構類似液壓傳動中的齒輪泵。他可在高溫 350℃ ，壓力達 35Mpa 或更高的條件下連續工作。其主要特點是結構簡單緊湊，工作可靠，壽命較長。
從圖 4 和圖 5 可以看到，熔體泵主要是由泵體、前后蓋板、兩個相互嚙合的齒輪、軸承和密封件等組成。由兩個齒輪的齒廓，泵體和側蓋板形成的空間構成了泵進料區、輸送區和排料區。齒輪是熔體泵的核心零件，其結果形式多種多樣：按嚙合方式可分為內嚙合和外嚙合方式；按齒廓曲線可分為漸開線齒輪、圓弧齒輪、擺線齒輪等；按齒向可分為直齒輪、斜齒輪和人字齒輪等，但在輸送塑料熔體中最常用的是漸開線直齒或斜齒的外嚙合齒輪泵。
圖 6 是熔體齒輪泵穩壓效果的實驗曲線。曲線表明熔體泵的采用可以將擠出過程后的壓力波動降低 90% 以上。
迄今為止，熔體齒輪泵是應用最廣泛的穩壓裝置。
（ 2 ）壓力波動控制器
由于熔體齒輪泵加工精度高、價格昂貴，在有些場合可以采用其他穩壓裝置，壓力波動控制器就是其中的一種。壓力波動控制器的結構見圖 7 。
壓力波動控制器是基于動態流量平衡原理研究出來的，該裝置也是通過穩定擠出壓力來實現穩流的目的。當物料沿擠出機螺桿被擠入機頭時，就產生了壓力。該壓力也把物料擠入控制器中。因為控制器的螺旋線旋向與擠出機的螺旋線旋向相反，所以被壓力擠入控制器中的聚合物熔體直到控制器中產生的壓力與擠出機的壓力相等時才為止。設想擠出機中的壓力變化是正弦波形式，當擠出機內壓力為波峰時，就要求波動控制器內所成壓力也為最高，也即需要較長的填充段來達到壓力平衡。當擠出機壓力為波谷時，則所需要的填充段也較短。此時，壓力控制器起到壓力蓄能器的作用，通常壓力波動在峰值時，原料積聚在控制器中。當擠出機內壓力下降時，積聚的物料在波動控制器螺紋的推進作用下，流進擠出機中，從而使壓力和擠出產量趨于平穩。由于波動控制器反映較快，所以它能夠抑制熔體擠出的高頻波動，對其進行的實驗驗證均起到了明顯的穩壓效果。
（ 3 ）并聯式穩壓裝置
針對串聯式熔體齒輪泵所存在的入口壓力低、潤滑和密封故障率高、價格昂貴等缺點，以及壓力波動控制器存在的可控性差，適用范圍的缺點，我們研發了并聯式穩壓裝置，見圖 8 ，并在理論研究和實驗研究的基礎上使其不斷完善。這種并聯式穩壓方法可以對傳統的串聯穩壓方式起到補充作用。
并聯式穩壓裝置的穩壓效果見圖 9 ，在該實驗中，由于采用并聯式穩壓裝置，可以消除 83%~91% 壓力波動和擠出流率波動。
（ 4 ）錐體座套式壓力控制裝置
錐體座套式穩流裝置的結構見圖 10 ，錐形螺桿頭與錐形套筒間形成的熔體流道就象一個閥門。螺桿在機械或液壓裝置的推動下進行軸向移動，此時閥門的開度，即螺桿錐形頭部與機筒上的錐形套筒之間的間隙就會改變，使得擠出流量得到控制。
（ 5 ）螺釘型閥門裝置
螺釘型閥門裝置的結構非常簡單，見圖 11 。通過螺釘旋入深度的調節，可以改變擠出機頭流道的阻力，達到調節流量的目的。
（ 6 ）多環活動閥門式穩流裝置
Sponaugle 設計了多環活動閥門式穩流裝置，見圖 12 。該裝置的工作原理與錐體座套式穩流裝置完全相同，只不過在螺桿頭部開設了若干個環型槽，環型槽與固定在擠出機筒上的環型座形成了多個閥門。
（ 7 ）魚雷頭移動式穩流裝置
魚雷頭穩動式穩流裝置的結構見圖 13 。可軸向移動的魚雷頭置于機頭入口處，當擠出機頭內的壓力發生波動時，移動魚雷頭可以改變流道阻力，達到調節流量的目的。
2.1.2 精密擠出成型機頭的采用
（ 1 ）阻力可調節機頭
擠出流量的波動會引起制品軸向尺寸的波動，這種波動可以通過調節機頭流道的阻力來加以平衡。圖 14 是一種閥式阻力調節機頭的結構示意圖。
圖 15 是另外一種阻力調節式機頭的結構示意圖。在線測量儀器測試到擠出流量發生波動時，微處理器就會給伺服電機發出動作指令，通過傳動系統驅動阻力調節環沿軸向位移。由于阻力調節環的位移，使得機頭阻力發生變化，起到了穩定擠出流量的作用。
（ 2 ）口模間隙自動調節機頭
圖 16 是最廣泛使用的一種熱螺桿式調節裝置。其原理是在膨脹螺栓外部設有加熱器，螺栓長度隨溫度變化而變化。
圖 17 是上述裝置的改進形式，特點是各膨脹螺栓分別加熱的同時，還通入潤滑油逆流連續冷卻，使溫度波動變小。
（ 3 ）組合式自動調節機頭
圖 18 是一種組合式自動調節機頭，可以自動調整阻流塊處的間隙和模唇處的間隙。它是由德國亞琛塑料加工研究所開發。
（ 4 ）熔體粘度調節式機頭
熔體粘度會隨著溫度的升高而降低，粘度的變化會影響到熔體的流動速度。當擠出制品的橫向尺寸出現偏差時，可以通過調節機頭口模的溫度分布來進行補償。圖 19 是德國 Battenfeld 公司一種用于生產塑料管材的粘度調節式機頭的照片。
2.1.3 失重式計量料斗的采用
單螺桿精密擠出機工作無論多么穩定，總會存在波動，這種波動可以通過擠出機的控制系統加以調節，如可以將擠出機的實測產量與擠出機的螺桿轉速或牽引速度形成閉環，減少擠出制品的軸向尺寸精度。但由于擠出制品的產量很難測量，人們開發出了失重式計量料斗，其結構示意圖見圖 20 ，較好地解決了擠出產量的在線測量問題。
失重式計量料斗上裝有稱重傳感器，通過測量單位時間內料斗重量的減少量，可以得到擠出機的即時產量。擠出機的 PLC 控制系統可以根據失重式計量料斗得到的擠出產量值，實現擠出產量與牽引機或擠出機電機轉速的閉環控制。采用失重式計量料斗，可以對制品的米重進行精密控制。圖 21 是采用失重式計量料斗控制擠出制品米重的特性曲線。
圖 11 中的非閉環控制區代表普通擠出生產線的工作情況，此時牽引機的牽引速度保持不變，制品的米重隨著擠出機產量的波動而波動。在閉環控制區，牽引機的牽引速度隨著擠出產量的波動而變化，制品的米重曲線基本上保持為直線。采用失重式計量料斗控制擠出制品的米重，不僅可以提高制品的壁厚均勻度， 而且可以在很大程度上減少原材料的浪費。
2.2 精密擠出成型的控制技術
精密擠出成型作為現代擠出技術發展中的重要方向，是一種能夠實現制品高精度連續擠出的成型方法。隨著現代電子信息技術和機械加工技術的發展，特別是 4C （ Computer 、 Communication 、 Contorl 、 CRT ）和 IT 技術的廣泛應用，使得精密擠出成型生產裝備無論是在機械構造設計、還是在測控技術，以及相應的數據采集處理等方面都有了飛躍的發展。在精密設計、精密加工、精密選型、精密配置的基礎上，通過對系統參數的在線高精度檢測、數據傳輸以及精確控制，達到對制品尺寸精度的精密控制，能夠實現真正意義上的精密擠出成型。
擠出成型裝備主要包括主機（擠出機）和輔機（包括機頭模具、定型裝置、冷卻裝置、牽引裝置、卷取裝置、切割裝置等）兩部分。在擠出制品的加工過程中，為了保證制品尺寸的精確性和加工過程的穩定性，擠出成型設備的主要控制參數包括機筒溫度、機頭溫度、熔體壓力、主機轉速、牽引轉速、卷取速度以及不同制品幾何尺寸等的質量指標：如制品的外形尺寸和形狀、壁厚及其分布、表面光潔度等。
在傳統的擠出裝備中，主機的控制參數主要包括機筒和機頭的溫度、機頭壓力以及主機轉速等；輔機的控制參數主要包括牽引裝置、切割裝置、卷取裝置的工作速度。在控制硬件上主要采用二次儀表（包括智能儀表、如溫控表）、調速系統、繼電器、接觸器、延時開關、電位器等來實現的，在整個控制系統通常采用開環控制系統，即沒有各個參數之間的反饋控制。
精密擠出裝備和常規擠出裝備的主要控制參數基本是一樣的。在精密擠出成型裝備中，為了對系統參數實現更精確、更精密的控制，采用了先進的控制手段和先進的檢測儀器，并通過對主要目標質量（如制品幾何精度）控制參數實現閉環控制、統計過程控制 SPC （ Statistical Process Control ）、復雜控制（如串級控制、前饋控制等）以及智能控制等（如專家控制系統、模糊控制等），實現對最終目標質量（制品幾何精度）的精密控制。這些控制方法具有以智能儀表、繼電器為控制核心的傳統儀表型控制系統所無法實現的功能。實踐表明，只有采用以微處理器為控制核心的、具有數據采集及處理功能的可編程序控制器 PLC （ Program-mable Logic Controller ） 、單板機及工控 PC 機等為控制核心的控制系統，才能實現對整個系統的多功能閉環反饋控制。
3 精密擠出成型技術的應用前景
擠出成型理論的發展使得人們能夠根據制品成型的要求，精密設計擠出成型工藝和擠出成型設備。以實現穩定擠出為目的的新型擠出裝備的創新、現代機械加工技術水平的不斷提高、先進控制技術的采用，為精密擠出技術的發展提供了極大的發展空間。而精密制品成型、功能性制品成型、反應擠出制品成型的要求，以及雙向拉伸、功能梯度材料、微發泡制品成型工藝的要求，是精密擠出技術發展的強大動力。精密擠出技術的發展，將對塑料加工業產生巨大的影響，應用前景十分廣闊。
3.1 精密基礎成型將成為高附加值加工產業
在人們的概念中，擠出成型是高效、低附加值的塑料加工方法，但精密擠出成型技術的開發和應用將改變這一狀態，在一些精密制品的成型加工中，可以帶來高附加值，甚至能夠起到點石成金的作用。以醫用塑料導管為例，國外一些公司已經能夠生產透析管、人工血管、介入療法用支架等精密制品，這些制品的售價一般是其原材料價值的數百倍以上，有的超過一萬倍。
精密擠出裝備是生產精密擠出制品的必備條件，開發精密擠出成型裝備將為塑料機械廠家帶來巨大的商機和豐厚的利潤。目前精密擠出成型裝備的價值是通用擠出成型裝備售價的 5~10 倍以上，我國精密擠出成型裝備還處在起步階段，發展空間很大。
3.2 精密反應擠出成型和功能
現代反應擠出機除了塑化功能外，還具備化學反應器的功能，物料在擠出機中可以完成本體聚合、化學接枝、健間共聚物的獲取、偶聯 / 交聯、可控降解、功能化和官能團的該性，高分子合金的制備、納米 / 高聚物復合材料的制備等。反應擠出過程需要嚴格控制反應溫度、壓力、物料停留時間及其分布等過程參數，以及反應物料與外界的熱量傳遞等，而普通擠出機往往是不能勝任的。精密擠出成型機可以實現對擠出過程參數的精密控制，滿足不同反應體系的要求。
自從 1957 年發現聚合物單晶，以及提出分子鏈折疊理論以來，聚合物的形態與微觀結構引起人們的極大關注。伴隨著 X 射線衍射、電子顯微鏡、小角中子散射、新表面探針、原子力顯微鏡等先進測試技術的應用，人們對聚合物的結構 - 形態 - 性能之間的認識不斷深化。人們已經能夠通過擠出成型過程剪切方向和強度的控制（或拉伸場的控制），制備出單軸或雙軸取向結構的自增強材料；通過冷卻工藝的控制，以及剪切、拉伸和振動場的誘導，獲得不同的結晶結構。通過成型加工過程的控制，獲得聚集態結構按一定規律變化的功能梯度材料，實現力學、光學、電學等性能梯度分布的要求。上述聚集態結果控制技術，均要求對擠出成型過程進行精密控制，可以預期精密擠出成型技術將在功能梯度材料制備方面發揮重要的作用。
