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                紙漿模塑紙托制品的加工與設計

                紙漿模塑制品是一種采用廢紙等再生漿作為主要原料,采用獨有的工藝以及造紙行業相關助劑,在專用網模上壓制而成一種立體紙基產品。紙漿模塑制品也稱之為紙模或紙托(以下簡稱紙漿模)。

                紙漿模塑制品主要應用在禽蛋、小電子類的運輸緩沖保護,也可以制成飲料杯托、醫用器皿、一次性花盆等。如組圖1所示:

                下面筆者就來簡單的介紹一下紙漿模塑制品的生產工藝與設計基礎。

                紙漿模的加工工藝

                紙漿模塑制品的生產工藝過程可以為:原材料(廢紙)篩選、碎紙打漿、調配漿液(濃度)、紙漿施膠、制品成型、制品幹燥、制品整型、後道加工等。

                但歸納起來主要分成五大工序:制漿、成型、幹燥、整型、後道。

                (1) 制漿工序:

                這是紙漿模塑制品的第1工序,主要依托或借鑒的都是造紙工藝。首先要對廢紙原料或其它原料進行分選、篩選,由於廢紙的來源比較廣泛,有廢報紙、瓦楞紙板包裝的邊角料、紙板印刷後的邊角料等;所以在打漿之前要對其進行仔細分類並剔除各種摻雜物。一般所用機器為液壓磨碎機和分選機。其次就是碎紙打漿,需要將分選凈化好的幾種原料廢紙磨碎打漿,轉變為均勻的紙。第三對漿料進行調配,因為原料廢紙的比重、硬度和顏色各有不同,所以要根據將要生產的產品的要求進行漿料調配,以達到客戶所需的產品要求。第四就是紙漿施膠,紙漿施膠使為了提高產品的抗液體滲透性能和防水性能等。一般而言,紙模所施的膠料為松香、石蠟乳膠或松香石蠟膠。調配松香膠是施膠的關鍵。由於紙模是註█型制品,與紙板的生產不同,生產時紙漿的上漿濃度應較高,約在1%-2%。

                (2) 成型工序:

                通常紙漿模塑制品的成型就是將紙漿註滿模型及罩殼上部的容積之後,水將通過模型的金屬網壁排出,而纖維則附著在網狀模型的表面上;通過一定時間的纖維沈積,到一定的厚度,則成型結束。成型結束後,借助於液壓氣缸升起模型,上、下模型合攏將制品壓實後取出,這個壓實的過程主要作用是壓榨出制品中的部分水分;一般由於擠壓程度的不同,制品在擠壓後的含水率約為50%-75%。

                對於成型工序而言,如果產品生產數量不大,通常采用單個產品成型,人工接料;對於一些批量大的紙模,如蛋托、咖啡杯托、鞋撐等產品,則會采用連續輪轉設備來完成成型工序,這樣自動化效率能夠提高很多。

                (3) 幹燥工序:

                通常紙漿模塑制品的▓幹燥是在周期或者連續作業的幹燥爐中進行的,主要是要將制品中的含水率降為10%-12%。在幹燥爐或連續幹燥傳送裝置中,主要使用熱空氣來幹燥制品,開始時的溫度為250℃-300℃(制品在7-10秒內含水量減少50%),然後溫度降為100℃-105℃。在連續式的幹燥爐內具有傳送裝置,制件在爐內通過不同的溫度區,後來幹燥到含水率為10%-12%左右即可。

                (4) 整型工序:

                通常紙漿模塑制品的整型是在熱成型機上進行熱擠壓,使制品更為密實,壁的厚度均勻、外表面的光滑平坦和提高壁的強度,這些對於制品而言是非常必要的。有時紙模上需要壓制一些標誌等,可以在此工序中進行,而不需要在制成型模具時將其制作上,然後在進行成型工序時制作出,這樣制出的標誌容易出現不清楚、不光滑等問題,而在整型工序中進行,就較易避免此類情況出現。

                對於一些濕壓紙模,則是結合幹燥和熱整型兩個工序,直接將成型後的制品,直接通過濕熱整型設備,直接完成制品。這樣得到制品表面質地光滑平整,制品硬度也比傳統的紙模要好。這種濕壓工藝制作出的紙模印刷效果也很好,適用於一些消費品或高端產品的包裝, 可以說是拓寬了其僅在傳統工業包裝上的用途,擴展到了高精美要求的消費電子或高端產品包裝上。

                (5) 後道加工:

                紙漿模塑制品幹燥後即可使用,但有時還需要進行特█殊的後續處理,如:壓光、塗料烘培或在表▓面印刷圖案文字等。

                紙模都均有脫模斜度,同類產品之間都可以相符對堆疊,對於一些大批量生產制作的紙模一般還有一個自動化的堆疊工序,堆疊後的制品有時還會用過壓力機,壓制以減少堆疊過程中的不緊湊的情況,這樣出貨時的制品總體尺寸會小一些,增加出貨裝載數量。

                紙模形狀相對復雜和尺寸較大的制品,同時又有承載能力、緩沖能力、定位功能等基本特點。基於這些特殊、基本的要求,決定這類紙模的工藝特性是:不論制品的形狀如何復雜,同一制品的壁厚必須相同,只有這樣才能滿足制品在生產工藝中的成型和定型(或烘幹)的要求。

                紙漿模的模具制造

                紙漿模塑制品在整個生產過程中,必不可█少的一種工具就是模具,而且紙模在不同的工序使用到的模具也有不同,可能會需要使用到以下三套模具:吸漿成型模、熱壓整型模、定位切邊刀模。後兩種模具要視制品要求而定,但吸漿成型模是制作過程必不可少的一種模具。

                一般制作工業用紙模,可能需要用到以下三種模具:吸漿成型模、熱壓整型模、切邊模。這三種模具的使用要視生產工藝而定,只有需要用到整型和切邊時,才需要用後兩種模具;但吸漿成型模則是紙模生產過程中必不可少的一種。下面就分別介紹▓這幾種模具的情況。

                (1) 吸漿成型模:

                主要是將紙漿成型為濕的紙模,它一般分為上模和下模兩部分,利用裝有上、下模的成型機的工作來完成其吸漿成型的功能。成型上模包括:上模板、定位框和環氧樹脂部分三部分。上模板與定位框是用螺釘或鉚釘連接的;環氧樹脂部分是由環氧樹脂及其固化劑反應後凝固而成;環氧樹脂部分和定位框是由環氧樹脂直接粘結在一起的,具體如圖5所示。

                1-型芯 2-上模板 3-定位框 4-壓邊框 5-裙框6-底板 7-下模板 8-環氧樹脂 9-紙模

                成型下模包括:下模板、底板、裙框、壓邊框、型芯幾部分。它們之間都是利用螺釘或鉚釘連接的。成型上、下模各部分除環氧樹脂部分外其材料一般可采用鑄鐵或鑄鋁,簡單的就可以直接用木板。

                型芯、裙框是紙模模具的主要成型部分,其外形是所成型的紙模形狀來決定的。型芯和裙框的背面都要掏空,留壁厚5~8mm。在型芯和裙框的成型部分的壁上每隔12~15mm的距離,至少應有一個2.5mm的通孔,作為正負壓作用下空氣與水的通道。成型部分表面包有一層網,這層網的作用是讓水分通過,讓紙漿纖維附著其上,從而達到紙漿成型的目▓的。網的材料可以是不銹鋼也可以是金屬絲等,一般網目數為40~50目,或是更小的60目等。底板是用於固定型芯、裙框的,底板上也可以有成型部分。

                壓邊框有三個作用:一是壓著裙框上的網的邊緣;二是它和定位框組成吸漿成型模具的定位導向機構。定為導向動作主要靠定位框和壓邊框上相配合的斜面來完成,這個作用有些像塑膠註射模中導柱與導套的作用;三是承擔載荷的作█用。當上、下模合模時,合模的沖擊力主要作用於定位框和壓邊框相接合的平面上,這樣就不會使型芯或上模環氧樹脂部分受到損壞。

                定位框除與壓邊框組成定位導向機構和起到承擔載荷的作用外,還有個作用就是:由定位框的高度來保證模具的閉合高度為一個標準值;把模具的閉合高度標準化有利於不同產品同時在一臺機器上生產。為了減輕重量,定位框有時分成兩部分,下邊用鑄鋁,上邊用木材做成。

                環氧樹脂上模的主要作用就是過模。在生產中它就是將成型後的濕紙模從下模吸出,然後放下濕紙模。吸漿成型模有時也可以沒有裙框和底板,這時型芯和壓邊框就直接裝於下模上。

                (1) 熱壓整型模

                熱壓整型模包括熱壓整型上模和熱壓整型下模兩部分。熱壓整型模的材料比較常▓用的鑄鋁材料。鑄鋁優良好的鑄造性能、易加工性及良好的導熱性,使其成為作熱壓整型模的較好材料。吸漿成型後的濕紙模,經過烘幹線烘幹,由於收縮會產生變形,因此為了保證紙模尺寸及外形尺寸準確、表面平整及外形美觀,烘幹後的紙模需要進行熱壓整型這一工序。熱壓整型模的主要作用就是對烘幹後變形的紙模進行熱壓整型。熱壓整型時,紙模中的水分易變成水蒸氣,為了便於排出水蒸氣及易於將紙模從熱壓整型下模上脫下,熱壓整型模還需要開有排氣孔和排氣槽。

                (2) 定位切邊刀模

                定位切邊模主要是為了使紙模的四邊平齊、規整,需要對紙模進行切邊處理時就需要用到。紙模切邊模可以裝於液壓機、曲柄壓力機及氣壓機上。由於一些小紙模切邊所需的力較小,所以切邊模也可以裝於人力切邊機上來完成。

                在有了紙模翻邊工藝後,在熱壓整型模上裝上翻邊框,翻邊和熱壓整型就可同時進行。經過翻邊後的紙托其四邊規整、強度也得到提高,故許多產品就只進行翻邊而不再用切邊工序,所以現在切邊模也就比較少用。

                紙漿模的設計

                紙漿模塑制品設計其實包含了紙漿模自身的結構設計與加工模具設計,兩者之間是相互依存於關聯的。往往兩者之間需要同步設計完成,一般設計步驟及要點如下有三點:

                (1)先設計制品結構,再根據制品結構設計模具。這是因為制品是用於保護與固定產品的,所以其內部尺寸要與產品的外形尺寸相匹配。

                (2)模具設計中要先設計整型模具,再設計成型模具。因為制品再生產後期,整型工藝對於尺寸的控制要求更高,所以要先保證整形工藝過程中的尺寸控制,這就要求先設計好整型模具尺寸,這時需要充分考慮紙漿模塑制品的厚度。同時還需要考慮到整型後的脫模問題,需要預留一定的尺寸空隙用於脫模。而且整型工藝會對成型後的產品,尤其是在厚度上會有進一步加壓過程,所以成型模具是在整型模具的尺寸基礎上進行再設計的。通常在尺寸上會考慮到成型模具與工藝的特點,如成型模具的包網網線厚度、整型加熱後的尺寸收縮率等。

                (3)模具設計中要先設計下模,再設計上模。通常成型下模是基於整型上模的尺寸進行設計的,而成型上模又是通過成型下模進行環氧樹脂倒模制作而成。而且紙漿模塑紙托制品的外觀尺寸與紙箱內尺寸的匹配問題,這就使得先設計下模會更為有利。