注塑成型环境分析

注塑成型环境分析（亚历山大•帝里耶及帝摩斯•古陶斯基）

机械工程部（麻省理工学院）本次注塑成型环境分析强调了几个重要点，注塑机的类型选择（液压的，混合动力的还是电动的）对单位能量消耗（比能耗）有实质性的影响.经过分析，比能耗值对液压、混合动力及电动的机械来说分别是19.0,13.2和12.6MJ/kg（包括辅助机构，混合式或效率低下的电网）.对液压及混合动力机械，能耗比在产量上升的情况下似乎呈下降趋势.这个结论源于当产量上升时，传输固定能耗将花费更多的聚合物。对于电动机械来说，比能耗是与产量成比例的.当高分子生产阶段包括了分析，能量损耗值增加到100MJ/kg.全美国每年所用在注塑上全部的能量消耗最少要2.06x108GJ.这个值和全美国每年在砂型铸造上消耗的能量，和一些发达国家全年发电量在同一级别。关键词：注塑成型；液压；混合动力；电动；单位能量消耗（比能耗）；生命周期清单简介塑料部件是电子电器产品的主要部件，8.5%的塑料产品被送往这个市场.虽然这个数字看起来很小是它却大于应用于汽车制造业的塑料产品数量.在电子电器产品中，塑料部件占医疗器械总重的3%，占家用电器总重的33%，占玩具总重的42%[1]。为了满足特殊的几何形状要求，用于电子电器产品的塑料大多数是注塑模具生产的。注塑模具包括熔融的聚合树脂加入一些添加剂然后把这些熔化物注射到模具中去。一旦这些树脂凝固了，模具就会被打开，制件也会被推出。从外表看来，注塑成型过程对环境可能显得相当平和.，因为它的直接排放等级很低，能量消耗看似也很低。然而，当计算注塑成型的环境成本时，我们必须把生产过程中所用的辅助进程和原料考虑在内。除了原料生产阶段会有大量的排放，整个注塑成型过程中的主要衡量标准就是能量消耗。大型的注塑成型工业在这个种过程对环境的冲击尤为严重。换句话说，生产过程中只要效率提高一点儿，就能带来巨大的环境效益。本论文站在环境的角度调查了注塑成型行业，对注塑成型过程整理出了一个系统性的环境分析它提供了一个透明的进程模型，包括所有涉及到注塑模具产品的生产主要的步骤，并用最重要的工艺参数解释了注塑成型所依赖的条件。本论文提供了我们的一些发现和在四个主要问题上争论细节的摘要。能量损耗和总产量之间的关系。液压式和电动式机械对环境影响的不同。能量计算时副进程和辅助进程的影响。注塑成型影响的环境规模。背景关于注塑成型的生命周期清单（LCI），研究者们花在产品原料上的精力和花在产品保质期上的精力一样都很多。例如拆卸分离和再循环利用，在这个领域的所有研究人员中，很值得提到伊恩•宝德，他为塑料工业中消耗最大的聚合物发明了“生态文件”或叫做“生命周期清单”。他也为PVC和聚丙烯注塑模具开创了生命周期清单。前一个生命周期清单研究了在法国的两处为管道排水系统提供PVC部件的注塑成型设施［2］。后者的生命周期清单研究了在英国的一个生产12到76克聚丙烯部件的一个设施［3］。这些研究是正对特定产品的，只有一种用途和一套工艺参数。为了获得典型注塑成型范围性的数值，必须拓宽数据的获取方式，这个研究收集了来自机器运行不同产品和材料时的数据。同时为所有填补环境能效的子进程提供了一个透明的框架。其他在注塑成型领域的贡献者包括马蒂斯等人在1996年和布斯罗伊德等人在2002的发现。马蒂斯等人用三维实体建模环境和数字化分析，探索了模具设计、部件设计，已经一些工艺参数对生产效率的影响［4］。布斯罗伊德等人的目标是发展加工机器设计标准，他们开发了一套经验公式来预测注射成型过程中每一步所需的机器尺寸和进程耗时［5］。如果读者不熟悉注塑成型过程，可以查看表［6］.机器的能源消耗不同注塑机最主要的区别在于这些机械中的发动机以什么为动力。最老式的和最常见的注塑机型号都是用的液压机，这种机器用一个或多个液压泵为整个机器的运动提供动力。每个泵单独为一个发动机提供动力，也可以由一个集中泵驱动所有的运动，也可能两者都有。油压机会发生两种明显的低效情况。一：对大多数机械来说，泵在机械停顿时仍在运转，消耗的能量并没有被用来生产，因此浪费了能源。二：这种系统结构本身就存在效率低的问题。电动机传输能量到液压回路，液压回路再把能量传输到机械部件，每一次能量的传递都包含着能量损失。为什么不去除其中的一个传输过程呢？电动机械就因此应运而生了，从它们的名字可以看出，这些机器用伺服电机为机械传动提供能量。简言之，就是一个伺服电机围绕着丝杠转动，另一个让丝杠沿着注塑轴心线运动，第三个移动肘节夹使模具闭合。除了以上提到的私服系统，还有其他辅助功能的私服系统，这种机械显示出优秀的平均效率，但是由于肘节夹结构的不稳定性，并不适用于模具锁模力很大的情况。混合动力型机械由此诞生，这种机械同时拥有电动机和液压泵，最常见的结构是用液压泵夹紧，用电动机推动丝杠。这种机械牺牲电动机械的一部分效率来保证液压夹具的精密运行。图1描绘了混合动力机型和电动机型在进行同样的14的秒动作时所需要的能量。简单观察后就能看出电动机型相对于混合动力机型节省了大量的能量，但读者必须注意到液压机型的曲线将比混合动力机型的曲线还要高。

I'l^nrL].-IJicrgyci.^isntucilmtI'l^nrL].-IJicrgyci.^isntucilmtjci:i_icelii-：i:njId1:11cycleo:'nliybn^li2■citricscrcvr-criyci；!.iiclannilclcctrcnincl-irtSr-i-ec:|'.].研/I HybW N[44U?XIIHectrc因此注塑机的选择对能耗比或者加工每公斤高分子所需的能量有很大的影响。已经有超过100种能量测量方式和计算方式，都是从这三种机器上测量得来的。本次缝隙中液压型，混合动力型，电动型机器的生产平均能耗比分别是3.39,1.67个1.46Mj/kg（不考虑电网的效率）。对液压型和混合动力型机器，在产量提高时能耗比出现下降趋势s。如图2所示。这源于产量一旦上升，传输固定能耗将会消耗更多的聚合物。液压机和混合动力机中的能量可以这样描述：P=P0—km （1）P0=fn（hydraulicpumps,computer,etc…）k=extraSECtoprocessthepolymer此处：P0为额定功率（机器开启时所需要的动力，但不加工任何高分子），m是输出或运行功率，k是一个加工常量。以能耗比算，这个公式可以表示为：巳=旦=SEC=3+k （2）产量上升时，能耗比接近常数k，如图2所示。另一方面，电动机械的固定能耗非常低，并且其能耗比在产量上升时仍然能保持稳定。如图3所示。

hanre=KbcnaKK1550withandwthcn.itedrve3"ccWeg-t=3.38kejfcrt"ePSsheisJhvnwn-<Druthers.Tiroughput(kg/hr)—•Tiroughput(kg/hr)—•—5就-ybndp「ews：l今—■—b5C"ytiRidpress:HL>fc—k—55C-yb^idpre:PS]*—bt?C"Vd"3UCI^555i/V1豆一-，巨6*ItiiJ'22.SkCvf.thronghp'itvraVagna\Ihyd-aificandhybrid.Thereisnoinclusionoftheefljoencyoftheelectricgjid如rrce国.；|Throughput(kg.lirjFigure3SEC\s.tJimig'ipiit\nanall-eketicandaIndiaiE-lujc'iii巳ThereisnoinclusionoftheefEciencyoftheelectricgrid.Source[8]IV.总结后的生命周期清单为了发展成功的生命周期清单（LCI），首先需要建立待分析系统的界限。在注塑成型情况下，整个过程起始于高分子产品阶段。这个阶段需要来自地球各处的原材料，还需要额外的能源来添加到这些材料中去。然后这些高分子原料会被成批的装好，运到配料处，然后加入添加剂，使得这些高分子具有所需的特性，以便于今后的运用。然后这些高分子被运到注塑成型机中，由注塑机将它转变成成品。注塑成型机可能也会在加工过程中加入一些添加剂，例如颜料。在注塑完

成然后包装完毕后，这些产品才能被顾客所使用（最终被处理）。排除包装阶段，这个分析的范围包括：从产料到出厂。因此它包含了从开采高分子产品原料到产品注塑成型的每一件事。系统边界由虚线方框标出，如图4。为了发展生命周期清单，将近有100种原材料被咨询过。其中的大多数在参考文献中也找不到，，但是能从这里获得［10］。LCI的结果总结在图5的表格中。读者需要注意到：除了高分子类产品，当能量数据出现和高分子类似变化时，是通过在美国的注塑模具的相对数量来算平均值的。PolymerDeliverysvgC.-9g3high0.24注意到就算注塑成型装置的能量损耗看起来再低，当这个过程中，包括了计算的其他阶段都变的很重要，是件很有趣的事。考虑到从调料到送入模具过程中所有阶段的能量消耗（不包括高分子的生产），液压的，混合动力的和电动的机械对能耗比的平均产量值分别是19.0,13.2和12.6MJ/kg,这些值涵盖了那些为制造过程提供电能的电力生产的能量负荷。当高分子生产阶段包括在了生命周期清单的范围内，能量消耗值就增加到了100MJ/kg。在整个生命周期清单中，生产高分子对环境有很大的影响。高分子生产过后，注塑成型机械和它的射出过程对环境的影响是最大的。ThermoplasticProduction^HnnricI?yAmcunlHD-tLLDHtLUHtP'WCF3Gunter顷1Injr/uld^dHCHtlava如731S"0?M，W：77Q73BB4CE70Z6自了*7?.?gh寸-115797*:}111次riseF7-174/cPolym&rDeliveryMC.-9g3high0.24CompounderInterns!TrAn^pnrrHr.'inq「而」m”PNIcrzn-BuIzi-zi；iqh：G,heatingeel.)Q0937C357D163-----L捉J.CCh1S2bUJJ.31Subtextalavgt.bl|J'A'"5hignd.JILXVMLJUPTDh.RYin姑..』电Dfuh仪盹 "9PoymerDelivery Itm hi加i -匚纳TOTALWfHydraulicHybrid.■"■.ItisaneGenericIrij一日遇93.CO37.87B7.20Molded门做/C.//熨妣PolyniHrhign■78S£1-7.3.1TOTALw.'OPolymerProdavg13.5713.2■■:12.573.&-17.96666hign81.C419./C2654NotesDiyihg-th®valuespresentwilrssumenoknwt&dg-eofthemsrterialFhygroscopia,InoE审words,theyareavsragegbetweenhygroscopicandnon-hygrosccpic佃Huas.Forhygrosct^icmat©rialssuchasPCandPETadditionaldryingenergyisnewted(0.65MJ/kginthecaseofPCdnd0-52MJ/kginHhecaseofPET)PellleSizing-inthecaseofpelletizingsne^tra0.3PAJ/kgisneededforPPGranulating■ascarp「■号of10%isassumed关于排放，主要来自于高分子生产阶段。如果感兴趣可以参考文献［11］。生命周期清单中其它的排放，可以分为：相关能量排放和加工排放。相关能量排放参考了供给加工所需电力供应时产生的排放。表格1为调料盒注塑机提供了相关能量排放。加工排放在高分子的加工部分排放最多，这种排放相对于相关能量排放很小。例如，挤压每公斤聚丙烯，会产生0.185g挥发性有机物(VOC’s)，0.030g悬浮微粒，0.0099g酮类物质，0.0022g乙醛和0.0018g有机酸［12］.V.环保的意义相比于其他传统的制造工艺，注塑成型在能量消耗方面看似和它们在同一个级别。例如，加工一个这样的砂型模和压铸模能量要求差不多(11-15MJ/kg)［13,14］。然而，当和半导体产业的加工过程相比，例如，化学气相沉积和原子层沉积，注塑成型的影响似乎就微不足道了。可是，事实远非如此。为了了解生产系

统真正的影响，我们需要先明白注：塑件能应用多广要取决于商业。注塑成型是主要的生产过程之一，在像中国和印度的一些发展中国家，它的用量每天都在增加。表2是对现阶段美国和全世界的注塑模具数量估计。再通过不同型号的机器的数值和描述，注塑成型所消耗的总能量就可以被估算出来了。InLMolded-Millionkg^rU.S.OnlyGlobal6MainThermoplastics5,57J23,399AllPlastics12,03138,961Table2.Lnjccti011moldedpolyn1ertotalsinkg.year.Thesubdivision6[iiuiulhei ]cfviq。ITDPF.LDFE-LLDME-PP.?S;iudPVCThecompletecalciilatioiicanbefoundat11]ThesourcesusedCompounderandInjectionMolderGlobalG」陌。arGJ/year5MairThermoplasticsAllPlasticsS34F+H74oir+on2ofir+nrS对+08I'ablc3.Tctalenergyusedni£zvectionMolding.I'hcF.ibdivisionG:uiunllKr]]L0])la^ticyix；Sts-tuHDPE.LDME一LLDPE.PP.PSjjic了VC.I'liecuiupletccalculatLOJLca：LbefoundLt[1],StageSEC(MJ/kg)EnergyRelatedEimissionsCOiS6NO.ch4Hg_g_gggmgConpounder5ei284笠1250.511032o.o-InecticnMozyHyd^aulicHyordAllEleric13.08674822981.2224490.0-73537£3316S3.681377D.*6£8344571523.621250如’Ta"I-Ttnergy-rearedaire-riissionsl?rthe"ix'FpEinEer”广age：u：3the'-TrCLliJTIT-ll'ldci-- ^OI-TCCS S[1C]f；TLlllcill：]h(lTI根据施耐德的调查，在2002年所卖出的机器有29%是电动的，而非液压的[15]。通过这个信息，我们预计70%的注塑成型机械是液压的，15%是混合动力的和15%是全电动的。表3显示了美国和全球的能量估计结果。可以看到，，美国一年所有的注塑成型能量消耗最少要2.06x108GJ。这个值包括了生命周期清单中的所有步骤，除了高分子生产。如果把高分子生产包括进去，这个数字将会提高一个数量级。这个值(2.06x108GJ)和全美每年在砂型铸造(1.62x108-2.28x1QGJ,[14])上锁消耗的能量在同一级别。为便于读者理解美国的注塑成型能量消耗的规模，表4提供了几个国家全年的发电量。不考虑电网在内，全美所有的注塑成型能量消耗相当于6.19x107GJ/每年。这个值能和表4的值进行比较。对工厂而言，有必要不断提高生产效率，因为生命周期清单中的小节约，可以带来巨大的环境效益。立即提高能源价格看起来是个明智的决定。致谢本篇研究得到了国家科学基金会的支持AnnLi?]|EEctricitvPreatJuctiDnSmalterthanU,SInfectionMoldingTotateWrthin1OrdorEMagnitudetoU.S.InjectionMoldingTotalsCountryGJ/yearCountryGJ^earCountryGJ^earCountryGJ/^earA*cha-ibtan1.71E+062.55E+07Aual'd2.19E+0&rdn4心心Guatemala222E+07Nirarag.坤EKT+的Pclci.,nNfe「laws，1"-皿■IcFug\igc?ia6/5F-D7Bulgaria”49F-08'39F-C8二mlaE284L»CZ；:arifa二wKs□.2.52L-08:>OiiplC4E上心2西二心^.y2E+€7127E+0S：5o■:uy<il•b9iz-C3Fnl«2.56E+0&Sa^diA-aoia4.65E+CkSEg1aor-oaSwitzerlandSI穷IndonesiaJA~1'unwary1冲一w,■/c-rruc?共315E+03表4：部分国家每年在注塑成型上的能量消耗参考文献M.M.Fisher,F.E.Mark,T.Kingsbury,J.Vehlow,andT.Yamawaki,“Energyrecoveryinthesustainablerecyclingofplasticsfromend-of-lifeelectricalandelectronicproducts,”2005IEEEInternationalSymposiumonElectronicsandtheEnvironment,May2005.I.Boustead,Eco-profilesoftheEuropeanplasticsindustry:PVCconversionprocesses,Brussels:APME,2002.Visited:25Feb.2005</dashboard/business_layer/template.asp2url=http:///media/public_documents/20021009_123742/EcoProfile_PVC_conversion_Oct2002.pdf>I.Boustead,Eco-profilesoftheEuropeanplasticsindustry:conversionprocessesforpolyolefins,Brussels:APME,2003.Visited:25Feb.2005</dashboard/business_layer/template.asp2url=http:///media/public_documents/20040610_153828/PolyolefinsConversionReport_Nov2003.pdf>J.Mattis,P.Sheng,W.DiScipio,andK.Leong,Aframeworkforanalyzingenergyefficientinjection-moldingdiedesign,TechnicalReport(CSMReport-96-09),California:UniversityofCalifornia,Berkeley,1996.G.Boothroyd,P.Dewhurst,andW.Knight,Productdesignformanufactureandassembly,NewYork:MarcelDekker,2002.DominickV.Rosato,DonaldV.Rosato,andM.G.Rosato,Injectionmoldinghandbook,3rded.Springer-Verlag,2000.Visited:05Aug.2005<http:///knovel2/Toc.jsp?SpaceID=0&BookID=357&VerticalID=0&NodeID=1884960566&ClickedNodeID=1884960566&FromSearch=true&Action=expand&FilterMode=false&View=4&CollapseAll二false#node1884960566>.Datafile:cmtestgraphs.SentbyMarkElsass(CincinnatiMilacronSupervisorforTechnicalService).Received:18Apr.2005.FerromatikMilacron,“Acommunicationsupdateforferromatikmilacronsalesprofessionals,^NorthAmerica:2001,unpublished.SentbyMarkElsass(CincinnatiMilacronSupervisorforTechnicalService).Receivedon:Apr.2005.Thepreviousreferencewasreceivedasaworddocument.InitwasimbeddedanEXCELfile.A.Thiriez,“AnEnvironmentalAnalysisofInjectionMolding”，MastersThesisatMassachussettsInstituteofTechnology,Cambridge,MA,USA:2006.I.Boustead,Eco-profilesoftheeuropeanplasticsindustry,Brussels:APME,2002-2003Visited:20Mar.2005</>.[12]K.Adams,J.Bankston,A.Barlow,M.W.Holdren,J.Meyer,andV.J.Marchesani,"Developmentofemissionfactorsforpolypropyleneprocessing,"JournalofAir&WasteManagementAssociation,49(1999):49-56.S.DalquistandT.Gutowski,Lifecycleanalysisofcon