《中華紙業(yè)》 總第526期 論文下載
免切邊紙漿模塑制品的生產(chǎn)成本研究
鄭天波，金坤，張金金，賀林林
浙江歐亞聯(lián)合裝備集團(tuán)有限公司 浙江 杭州 31004中國
摘要 ： 為了系統(tǒng)研究分析免切邊紙漿模塑制品的生產(chǎn)成本，課題組研究了免切邊的紙漿模塑制品的生產(chǎn)模具設(shè)計(jì)、模具加熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、模具的維護(hù)保養(yǎng)等對(duì)生產(chǎn)成本的影響。依據(jù)熱彭脹理論分析免切邊的紙漿模塑成型模具制造方式，對(duì)比生產(chǎn)實(shí)踐中免切邊紙漿模塑制品生產(chǎn)模具的結(jié)構(gòu)要求，總結(jié)免切邊紙漿模塑制品生產(chǎn)模具的設(shè)計(jì)總體要求。從免切邊紙漿模塑制品的產(chǎn)量、能耗、模具成本、維護(hù)成本、產(chǎn)品質(zhì)量和合格率等方面，對(duì)生產(chǎn)成本進(jìn)行全面計(jì)算和分析。分析結(jié)果表明：同樣大小的模具安裝面的條件下，免切邊紙漿模塑制品的產(chǎn)量明顯低于切邊制品，免切邊制品的模具成本和維護(hù)成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于自動(dòng)切邊制品的模具。免切邊制品的廢品率較高。所以不管從產(chǎn)量、質(zhì)量、成本、模具的互換性等方方面面分析，紙漿模塑免切邊制品明顯不占優(yōu)勢(shì)，并存在初入行者所無法預(yù)知的重大生產(chǎn)問題。
在禁塑的大背影下，紙漿模塑產(chǎn)品因其環(huán)保、可自然降解、干凈漂亮的外觀被越來越多的行業(yè)領(lǐng)域所采用，用途越來越廣寬。特別是在食品包裝和餐飲具行業(yè)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。
由于食品包裝和餐飲具行業(yè)所用的紙漿模塑制品主要是采用濕壓法制作工藝。制品邊緣往往會(huì)凹凸不齊且?guī)в幸欢ǖ拿?，通常采用切邊的方式把廢邊切除，達(dá)到制品邊緣光潔整齊的效果。
如果能做到免切邊，就能省掉切邊工序而且還省去切下的邊料，降低生產(chǎn)成本。但20多年實(shí)踐證明，免切邊的紙漿模塑餐具制品質(zhì)量較差且不穩(wěn)定、產(chǎn)品合格率低,而且免切邊紙漿模塑制品的成本很高。免切邊紙漿模塑制品的成本可以降低只是幻覺。
課題組從免切邊的紙漿模塑制品的模具設(shè)計(jì)、產(chǎn)品排布、產(chǎn)量、熱效率、模具成本、加熱板成本、加熱方式、換模效率、模具維護(hù)成本等方面進(jìn)行全面分析計(jì)算，為紙漿模塑制品的模具設(shè)計(jì)和生產(chǎn)方式的選擇提供參考。
1 紙漿模塑制品的生產(chǎn)過程：
一定濃度的漿液中，加入適量的助劑，吸濾成型模具把漿液中的纖維制成濕坯，經(jīng)熱壓定型模具對(duì)濕坯進(jìn)行加壓加熱，使?jié)衽鞒蔀楦稍镏破?，切除制品不整齊的多余邊緣，從而獲得所需形狀制品。這是一種濕壓法制作紙漿模塑制品的過程。
具體分為三個(gè)步驟：（1）吸濾成型模具吸附植物纖維制作濕坯，（2）通過熱壓定型模具對(duì)濕坯進(jìn)行加壓加熱，使?jié)衽鞒蔀楦稍镏破?，?）把制品多余的邊緣切除，切除的多余邊緣被粉碎后再被重復(fù)利用。
1.1 免切邊的定義
所謂免切邊就是不經(jīng)過機(jī)械切邊工序而達(dá)到與切邊同樣效果的工藝。由于以前的許多紙漿模塑制品生產(chǎn)設(shè)備自動(dòng)化程度低下，無法做到自動(dòng)切邊和自動(dòng)打孔，都要進(jìn)行手工切邊，手工打孔（側(cè)打孔），所以出現(xiàn)了一些免切邊的紙漿模塑制品。
1.2 紙漿模塑熱壓定型模具的熱膨脹
濕壓法制作紙漿模塑制品的過程中，吸濾成型模具始終保持室溫狀態(tài)，稱作冷態(tài)模具。熱壓定型模具工作時(shí)處于170℃-190℃的工作溫度，是熱態(tài)模具。熱脹冷縮，熱壓定型模具從冷態(tài)變成熱態(tài)時(shí)，模具會(huì)熱彭脹變大，制品的尺寸和中心距也因熱脹而變大。
1.3 模具熱膨脹量的計(jì)算方法及分體式模具和分體加熱板
按公式（1）計(jì)算金屬長度膨脹量ΔL：
ΔL=ɑ·L(t2-t1) ……………………………（1）
式中：
ΔL——金屬長度膨脹量，單位為mm；
ɑ ——熱膨脹系數(shù)，單位為mm/mm·℃；
L ——金屬長度，單位為 mm；
t1 ——周周圍空氣溫度，單位為 ℃
t2 ——金屬溫度，單位為 ℃
通常模具溫度為，180℃-200℃，周周圍空氣溫度30℃，模具材料通常為銅或合金鋁的熱膨脹系數(shù)是恒定的，(t2-t1)變化也不大，ɑ(t2-t1)可以用系數(shù)k來代替,按公式（2）計(jì)算金屬長度膨脹量ΔL：
ΔL = k·L ……………………………（2）
式中：
ΔL——金屬長度膨脹量，單位為mm；
k——簡化熱膨脹系數(shù)，單位為mm/mm，也可稱之為熱膨脹百分比 ；
L——金屬長度，單位為 mm；
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，銅模具和銅加熱板的簡化熱膨脹系數(shù)，k=0.3%；鋁模具加熱板的簡化熱膨脹系數(shù)，k=0.4%。
而常規(guī)模具的大小900-1200之間mm，也有模具的大小1500×1500、1850×1850的大臺(tái)面紙漿模塑成型機(jī)。
根據(jù)公式（2），如果鋁模具的大小為900，則ΔL=k·L=0.4%×1000=3.6mm；如果鋁模具的大小為1200，則ΔL=k·L=0.4%×1200=4.8mm；也就是說，1000×1000的鋁模具，長度膨脹量ΔL=4 mm。
如果鋁模具的大小為1500×1500，則ΔL=k·L=0.4%×1500=6mm；如果鋁模具的大小為1850×1850，則ΔL=k·L=0.4%×1850=7.4mm；。也就是說，1500×1500的鋁模具，長度膨脹量ΔL=6 mm；1850×1850的鋁模具，長度膨脹量ΔL=7.4 mm。
由此可見，整體加熱板和整體模具的熱膨脹量是比較大的，任何采用整體加熱板的模具都會(huì)出現(xiàn)制品的大小邊現(xiàn)象，免切邊制品根本無法做到比較整齊的邊緣效果。免切邊的成型模具必須采用分體式模具和分體加熱板。
1.4 模具熱膨脹與免切邊效果的相關(guān)性
因?yàn)檎w加熱板的加熱膨脹會(huì)導(dǎo)致熱壓模具上的制品型腔的中心距變大，所以熱壓模具的制品型腔的中心距大于吸濾成型模具的制品型腔的中心距。雖然，在模具設(shè)計(jì)時(shí)可以進(jìn)行預(yù)先控制，但由于制品品種多樣，無法達(dá)到加熱后的熱壓模具上的制品型腔的中心距與吸濾成型模具的完全一致。這就會(huì)導(dǎo)致熱壓定型后的制品的邊緣大小不均勻，行業(yè)內(nèi)稱之為大小邊。通過邊緣的切除可以保證制品的邊緣大小一致，堆疊在一起時(shí)非常整齊。但免切邊制品的大小邊導(dǎo)致制品邊緣的不整齊。模具熱膨脹量越大，制品邊緣越不整齊。為達(dá)到較整齊的制品邊緣，需要控制模具熱膨脹量。
1.5 免切邊制品需采用分體式加熱板和分體式模具
由于免切邊制品需采用分體式加熱板和分體式模具，分體模具和分體加熱板只適合某一特定制品，通用性很差。更換模具時(shí)必須同時(shí)更換加熱板。而加熱板的價(jià)格幾乎與模具的費(fèi)用相同。所以，免切邊制品的模具費(fèi)用很高，幾乎是整體模具費(fèi)用的2倍。模具費(fèi)用高導(dǎo)致制品成本分?jǐn)偤芨摺?/span>
2 “免切邊”紙漿模塑制品的生產(chǎn)成本影響因素
2.1 吸濾成型的真空消耗
免切邊的生產(chǎn)過程中，在吸濾成型時(shí)采用的漿的濃度很低，如果漿的濃度較高，免切邊效果就很差，毛邊嚴(yán)重。所以生產(chǎn)免切邊制品時(shí)，漿的濃度比切邊的低很多。一般地，切邊制品漿的濃度：4-5%；免切邊制品2-3%。同樣生產(chǎn)1噸制品，真空吸濾成型時(shí)的排水量要增加很多，幾乎達(dá)到2倍或以上。也就是說生產(chǎn)免切邊制品要消耗的真空量比切邊制品大得多。真空耗能是紙漿模塑生產(chǎn)過程的主要能耗之一。
2.2 包裝、運(yùn)輸成本
免切邊工藝為了達(dá)到減少毛邊的效果，在熱壓合模時(shí)，要經(jīng)過較長時(shí)間的虛壓過程，否則就出現(xiàn)“炸邊”現(xiàn)象或較多毛邊。所謂“虛壓”就是熱壓合模時(shí)，上下熱壓模具在合攏時(shí)先不壓緊，對(duì)模具內(nèi)的“濕坯”進(jìn)行一定時(shí)間的烘烤，等“濕坯”被烘烤到一定干度后，再施加合模力進(jìn)行熱壓定型。
這一虛壓烘烤過程浪費(fèi)了很多熱量，另一不良后果就是制品的密實(shí)度很低。比如同樣300個(gè)10寸圓盤制品疊在一起，免切邊制品比正常的制品要高出30-50CM，大大增加了包裝、運(yùn)輸成本。
2.3 原料的特殊要求對(duì)成本的影響
免切邊制品的原料問題，根據(jù)多個(gè)使用過免切邊生產(chǎn)的廠家反饋，采用蔗渣漿、麥草漿等100%草漿無法達(dá)到等免切邊效果，要加入一定量的木漿進(jìn)行調(diào)漿，方可達(dá)到一定效果。
2.4 免切邊的分體式加熱板的通用性與互換性很差導(dǎo)致模具成本很高和制品的成本顯著增高
一臺(tái)紙漿模塑生產(chǎn)設(shè)備通過更換模具的方式可以生產(chǎn)許多種產(chǎn)品。更換一付模具就可以生產(chǎn)一種新的產(chǎn)品。生產(chǎn)紙漿模塑食品包裝或餐具產(chǎn)品，因?yàn)榉N類多，制品式樣繁雜。更換模具的可能性也很大。所以要求模具價(jià)格低，盡量減少模具的更換部分，盡最大可能保留模具的通用部分。決定制品形狀的模具型腔部分是必須更換的，模具的加熱板及加熱板下面的真空腔體可以通用。采用整體加熱板是通用性最好的，分體加熱板越小越不通用。所謂分體式加熱板，就是分成小塊的為分體式模具單配的模具加熱板，通用性是一個(gè)大問題，也就是說，分成小塊的為分體式加熱板基本上是某一單一制品專用的，更換模具需要同時(shí)更換分體式加熱板和真空腔體，所以更換模具的成本很高。
分體模具和分體加熱板只適合某一特定制品，更換模具時(shí)必須同時(shí)更換加熱板。更換模具時(shí)必須同時(shí)更換加熱板。而加熱板的價(jià)格幾乎與模具的費(fèi)用相同。所以，免切邊制品的模具費(fèi)用很高，幾乎是整體模具費(fèi)用的2倍。模具費(fèi)用高導(dǎo)致制品成本分?jǐn)偤芨摺?/span>
2.5 分體式模具和加熱板導(dǎo)致制品排布數(shù)量的減少和產(chǎn)量的嚴(yán)重降低
更換一付模具就可以生產(chǎn)一種新的產(chǎn)品。更換的東西越多，模具的成本超高。分體式模具包含專用的加熱板，只適合某一特定制品，更換模具時(shí)必須同時(shí)更換加熱板。而加熱板的直接成本幾乎與模具本身的成本相同。
按加熱方式分，加熱板主要分為電加熱和導(dǎo)熱油加熱二種方式。所以，加熱板也分為“電加熱板”和“導(dǎo)熱油加熱板”。電加熱板，包含插入在加熱板內(nèi)的許多根電加熱管；導(dǎo)熱油加熱板，內(nèi)設(shè)導(dǎo)熱油回路，外部與導(dǎo)熱油管道連接。
分體式電加熱板，在每一小塊加熱板都需要插入一定數(shù)量的電加熱管，要把電線通到每一塊加熱板，所以分體式電加熱板之間需要保持一距離；
分體式導(dǎo)熱油加熱板，則每一塊分體的導(dǎo)熱油加熱板都內(nèi)設(shè)導(dǎo)熱油回路，分體式導(dǎo)熱油加熱板之間需要采用管道相互連接，而且要有最小彎曲半徑，所以分體式導(dǎo)熱油加熱板之間的距離更大。
分體式電加熱板和分體式導(dǎo)熱油加熱板之間需要保持的距離，造成機(jī)器可生產(chǎn)制品數(shù)量的減少，導(dǎo)致產(chǎn)量的嚴(yán)重減少。
2.6 分體式加熱板的維護(hù)和更換非常麻煩，成本很高
分體式電加熱板，在每一小塊加熱板都需要插入一定數(shù)量的電加熱管，所以電加熱管數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于整體式電加熱板。電加熱管有一定的使用壽命，分體式電加熱板更換電加熱管的機(jī)率比整體式電加熱板大得多。因?yàn)樾枰挥谥虚g的這些分體式電加熱板的電加熱管，難度要大很多；停機(jī)的時(shí)間要大得多。每塊分體式電加熱板及其電加熱管，相互之間的規(guī)格尺寸都是不一樣的，沒有互換性，電加熱管備件非常多，管理成本很高。
分體式導(dǎo)熱油加熱板，則每一塊分體的導(dǎo)熱油加熱板都內(nèi)設(shè)導(dǎo)熱油回路，由于加熱后的熱膨脹，連接分體式導(dǎo)熱油加熱板之間的管道很容易漏油。
更換分體式加熱板也是非常耗費(fèi)時(shí)間的工作。因?yàn)樾枰鹣履＞?、分體式加熱板、電線、與之連接的導(dǎo)熱油管等。所以免切邊制品的模具變更非常麻煩，更換模具的時(shí)間長、人工成本很高。
2.7 免切邊制品的廢品率較高
由于黃邊、黑邊現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生，免切邊制品的廢品率較高，明顯提高了生產(chǎn)成本。
2.8 免切邊制品較低下的綜合產(chǎn)量對(duì)成本的影響
根據(jù)上述分析，以下因素導(dǎo)致免切邊的產(chǎn)量比非免切邊的要低下。（1）免切邊工藝的排水量大，吸濾時(shí)間長，導(dǎo)致產(chǎn)量降低；（2）較長的虛壓過程導(dǎo)致產(chǎn)量降低；（3）分體式模具和加熱板導(dǎo)致制品排布數(shù)量的減少和產(chǎn)量的嚴(yán)重降低；（4）免切邊制品的低下的合格率導(dǎo)致產(chǎn)量降低。產(chǎn)量低下，必然導(dǎo)致成本升高。
3 質(zhì)量比較
紙漿模塑制品中，有大量的掀蓋式的鎖盒, 鎖盒由盒蓋和盒體二部分組成，標(biāo)簽鎖定系統(tǒng)把掀蓋式的盒子盒蓋和盒體鎖在一起。標(biāo)簽鎖定系統(tǒng)需要在掀蓋盒子的底盒側(cè)面開一個(gè)或二個(gè)窄長孔。小尺寸有一個(gè)標(biāo)簽鎖，大尺寸有兩個(gè)。自動(dòng)切邊的紙漿模塑生產(chǎn)設(shè)備是在制品熱壓定型后沖切出這些窄長孔，窄長孔整齊漂亮性能好。
免切邊加工方法制作窄長孔的方法，標(biāo)簽鎖的窄長孔在吸濾成型時(shí)形成，經(jīng)過熱壓干燥定型后，制品保留了這些窄長孔。但是這樣的窄長孔在側(cè)面上很難制作，容易變成寬度很大的寬長孔。寬度很大的寬長孔嚴(yán)重影響標(biāo)簽鎖定系統(tǒng)對(duì)掀蓋式的盒子的密封效果。免切邊加工出來的寬長孔周圍存在很多容易脫落的碎纖維，既影響使用又不衛(wèi)生。如果用于食物容器可能會(huì)招來使用者的投訴。
4 結(jié)束語
從真空消耗量、包裝運(yùn)輸成本、原料成本、模具成本、維護(hù)成本、制品產(chǎn)量、制品質(zhì)量等多方面綜合分析，免切邊制品的生產(chǎn)成本比自動(dòng)切邊制品的生產(chǎn)成本要高，據(jù)統(tǒng)計(jì)，免切邊制品的生產(chǎn)成本高出切邊制品20%左右。
“免切邊的紙漿模塑制品生產(chǎn)成本低”和“免切邊的紙漿模塑制品制造過程簡單”，都是初入行者的認(rèn)識(shí)誤區(qū)。
使用過免切邊方式來生產(chǎn)紙漿模塑餐具制品生產(chǎn)的廠家有：山東省的鄒城市的一個(gè)工廠、廣東綠洲公司、廣西南寧市的僑旺公司、馬來西亞的一些工廠等多家紙漿模塑制品生產(chǎn)企業(yè)。但最終都這些公司都增加了切邊機(jī)，對(duì)制品進(jìn)行切邊處理。廣東綠洲干脆把買來的免切邊設(shè)備全部拆除，不再使用。這些都是過去的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)。
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