Полимерные упаковочные материалы и технологии: проблемы и пути их решения. Часть 2

Одной из самых крупных сфер применения полимерных материалов в мире в целом и в России в частности является пластиковая упаковка, объемы потребления которой продолжают перманентно расти, несмотря на попытки сдерживания и ограничения этого процесса со стороны международных и национальных регуляторных органов. Растут, соответственно, и объемы отходов полимерной упаковки, сокращение которых становится ключевой задачей для производителей упаковочных материалов, оборудования и собственно упаковки. Не менее важной задачей при этом остается, разумеется, снижение ее себестоимости при сохранении потребительских характеристик. В статье приводятся примеры материаловедческих и конструкторско-технологических решений этих задач рядом ведущих зарубежных компаний. Очевидно, что знакомство с этими решениями будет полезно отечественным производителям в их бизнесе.
Журнал «Полимерные материалы», редакция
Опубликовано в рубрике «Экономика производства»
79 просмотров
Полимерные упаковочные материалы и технологии: проблемы и пути их решения. Часть 2

(Окончание. Начало в ПМ № 5 2025 г.)

Введение.

1. Снижение отходов.

2. Снижение себестоимости упаковки.

2. Снижение себестоимости упаковки

Рассмотрим далее на примерах термоформованной и, главным образом, литьевой полимерной упаковки, какие возможности имеются у ее производителей для снижения ее себестоимости. Более подробно факторы, влияющие на себестоимость литьевого производства в целом, рассмотрены в статье [1]. Нас же будет интересовать вопрос именно упаковки, производство которой имеет ряд конструкторско-технологических особенностей в отличие от изделий другого назначения. Так, на рис. 10 для примера представлена в первом приближении характерная структура расходов на литьевое производство полимерной продукции технического и упаковочного назначения. Как видно, и в том, и в другом случае львиную долю расходов составляют затраты на сырье (базовый полимер, наполнитель, добавки, красители), причем на упаковку даже в большей степени. Поэтому именно снижение затрат на сырье является наиболее эффективным способом уменьшения себестоимости упаковки. А если речь идет о тонкостенной литьевой упаковке, каковой она часто бывает (всевозможные стаканчики и контейнеры, крышки, колпачки и пр.), то важное значение приобретает такой фактор, как время цикла. Тогда рассмотрим по порядку эти два фактора снижения себестоимости литьевой упаковки – экономию сырья и снижение времени цикла литья.

Рис. 10. Характерная структура расходов на литьевое производство полимерной продукции технического и упаковочного назначения (источник: ENGEL)

2.1. Экономия сырья

Одной из сохраняющихся тенденций развития технологий производства пластиковой упаковки является стремление к экономии полимерного сырья, которая, образно говоря, «одним выстрелом убивает двух зайцев», способствуя сокращению углеродного следа и снижая себестоимость производства. Достигается она разными способами, основными из которых являются следующие:

  • утонение монолитной гибкой упаковочной пленки или стенки термоформованной или жесткой литьевой упаковки;
  • вспенивание материала упаковки.

Разумеется, что при этом необходимо сохранить все требуемые упруго-прочностные и другие потребительские свойства упаковочного материала или изделия. В случае каст-пленки это достигается ее двухосной вытяжкой на плоскощелевых экструзионных линиях, в случае рукавной – одноосной вытяжкой на экструзионно-раздувных установках, оснащенных узлом MDO. В обоих случаях утонение пленки компенсируется повышением упруго-прочностных свойств полимерного материала.

Кроме того, утонение стенки термоформованной или литьевой жесткой упаковки можно компенсировать повышением ее жесткости и, следовательно, прочности за счет конструкторского приема – путем изменения дизайна упаковки, способствующего увеличению момента инерции сечения. Это могут быть дополнительные ребра жесткости на упаковке или элементы, выполняющие их роль (рис. 11, а, б).

В случае вспененной пленки или стенки жесткой упаковки, изготавливаемой соответственно экструзией или литьем со вспениванием, ее толщина, напротив, не уменьшается, а увеличивается, но экономия материала достигается за счет меньшей плотности вспененного материала по сравнению с монолитным, а упруго-прочностные свойства при этом сохраняются за счет большей толщины и, соответственно, более высокого момента инерции сечения стенки упаковки и, следовательно, опять же ее жесткости (рис. 11, в).

К слову, тот же принцип повышения жесткости с одновременной экономией материала реализуется также в газо- или водоинжекционном методах литья под давлением, когда элементы какой-либо тары или упаковки, например ручки ящиков для напитков и даже сами ребра жесткости, изготавливаются пустотелыми (рис. 11, г). Еще один пример на эту же тему представлен на рис. 12.

Рис. 12. Крупногабаритный пластиковый поддон с ребрами жесткости для снижения его массы (источник: Haidlmair)

Сразу несколько описанных выше способов экономии материала было реализовано в новой разработке компании Trexel (владелец патента на известную литьевую технологию MuCell физического вспенивания), продемонстрировавшей на выставке Fakuma-2024 совместно с партнерами метод литья под давлением, в котором химическое вспенивание (технология EcoCore, запатентованная фирмой Bockatech) сочетается с физическим вспениванием (MuCell) и процессом IML этикетирования в форме (система автоматизации IML – от компании Roboplas, этикетки – от MCC Verstraete). При этом на электрическом ТПА Allrounder 520 A компании Arburg с временем цикла 5,5 с изготавливались легкие (весом 14 г и объемом 430 мл) и недорогие индивидуальные контейнеры многоразового использования из ПП (производитель ПП – Borealis). Как видно из рис. 13, помимо вспененной стенки, в подобных изделиях отформованы буртики на верхней их кромке и донышке, увеличивающие момент инерции сечения и, следовательно, их жесткость.

Рис. 13. Стаканчики и контейнеры из ПП со вспененной сердцевиной стенки (источник: Bockatech)

Впрыск насыщенного вспенивателем и азотом расплава ПП осуществляется по горячему каналу с игольчатым соплом. Когда литьевая форма открывается, монолитная стенка изделия вспенивается, и ее толщина увеличивается с 0,65 до 2,00 мм. В результате повышаются жесткость и прочность изделия и более чем в два раза увеличивается теплоизолирующая способность материала по сравнению с монолитным ПП благодаря мелкоячеистой вспененной структуре в сердцевине стенки, что позволяет более длительное время сохранять горячим содержимое контейнера. По утверждения разработчиков, подобные контейнеры и стаканчики без проблем выдерживают условия нагрева в микроволновой печи и обработки в посудомоечной машине, а также пригодны для переработки в регранулят после использования.

2.2. Снижение времени цикла

На себестоимость упаковки фактор снижения времени цикла tц влияет не напрямую, а опосредованно – за счет повышения производительности производства, в результате чего на единицу продукции приходится меньше косвенных и, частично, прямых расходов. Особое значение этот фактор приобретает для тонкостенных (например, стаканчики) и мелких (например, крышки и колпачки) упаковок и укупорочных средств, когда основная составляющая tц – время охлаждения литьевых изделий – сводится к минимуму и время цикла составляет всего несколько секунд. Так, в компании Netstal считают, что именно ею был установлен мировой рекорд в виде литья 128 пластиковых колпачков за 1,9 с [2], хотя значение tц на уровне менее 2 с уже давно стало чем-то обыденным. В этом случае борьба идет за доли секунды, на которые можно было бы не обращать внимания при литье толстостенных изделий с временем цикла порядка нескольких минут и более. И тут принимаются во внимание все возможные резервы экономии времени за счет других, кроме времени охлаждения, составляющих tц и факторов влияния на них. Вот лишь некоторые из них:

  • время сухого цикла, минимальные значения которого обеспечивают высокоскоростные электрические ТПА;
  • время съема изделий (иногда их извлечение с помощью робота и сдува бывает быстрее выталкивания и свободного выпадения);
  • время раскрытия-закрытия формы и перемещения робота в зону формы. В этом случае ряд машиностроительных компаний идут на скругление траектории перемещения линейного робота в зону формы для съема изделий и на обеспечение его входа-выхода еще в период соответственно открытия-закрытия формы, чтобы сэкономить десятые доли секунды. Например, в компании ENGEL этой «дружной» работой робота и формы руководит «умная» программа-помощник iQ motion control [3];
  • скорость движений робота, увеличение которой связано, однако, с увеличением инерционных нагрузок при его ускорении и замедлении. Тогда, чтобы снизить эти нагрузки, рабочую руку робота иногда делают из легкого углепластика, чтобы снизить ее массу (рис. 14).
Рис. 14. Съем изделий роботом с элементами из углепластика (источник: ENGEL)

Примером одновременной реализации мероприятий по экономии материала и снижению времени цикла литья служит проект, реализованный компанией Arburg с партнерами. Объектом производства в данном случаи были поршни медицинских шприцев емкостью 0,5 л – своего рода кратковременной одноразовой упаковки для впрыскиваемого лекарства. В качестве ТПА для литья этих поршней, изготавливаемых из ПП (производитель – Borealis) был выбран высокоскоростной гибридный Allrounder 570 H Ultimate с усилием смыкания 2000 кН в исполнении для чистого помещения, отличающийся минимальным временем сухого хода (рис. 15, а). Изделия массой 0,34 г каждое изготавливаются с временем цикла всего 6 с в 64-гнездной форме производства компании Ruhla с последующим выталкиванием и свободным выпадением из формы, так что производительность литья этих поршней составляет около 38 400 шт/ч.

Экономия сырья в данном случае была достигнута за счет двух мероприятий. Во-первых, было исключено образование производственных отходов в виде литников благодаря использованию горячеканальной системы впрыска. Во-вторых, было внесено изменение в дизайн поршня в виде трех ребер жесткости в его конструкции взамен четырех в исходном варианте, что позволило уменьшить его массу примерно на 20 % (рис. 15, б).

Следует добавить, что имеется еще один нюанс в конструкции изделия, хотя и не касающийся экономии сырья: при попытке повторного набора дозы поршень разрушается в специально ослабленном месте, что гарантирует однократность использования шприца.

Редакция журнала

Литература

  1. Ложечко Ю. П., Гончаренко В. А., Крайнов М. С. Технологические факторы снижения себестоимости литьевых изделий из пластмасс // Полимерные материалы. – 2025. – № 5. – С. 30–36.
  2. Мировой рекорд: 128 колпачков за 1,9 секунды // Полимерные материалы. – 2025. – № 7. – С. 24–25.
  3. Штегер К., Бернхард Х., Килиан Й. Новые возможности повышения производительности литья под давлением // Полимерные материалы. – 2023. – № 7. – С. 24–27.

Polymer Packaging Materials and Technologies: Problems and their Solutions

(Continued from PM No. 5 2025)

One of the largest applications of polymer materials in the world in general and in Russia in particular is plastic packaging, the volume of consumption of which continues to grow steadily, despite attempts to contain and limit this process by international and national regulatory authorities. Accordingly, the volume of polymer packaging waste is also growing, the reduction of which due to well-known and new design and materials science solutions is becoming a key task for manufacturers of packaging materials, equipment and packaging itself. Of course, an equally important task remains to reduce its cost while maintaining consumer characteristics. The article provides examples of design, technological and materials science solutions to these and other problems in the plastics industry by a number of leading European companies.

Опубликовано в журнале «Полимерные материалы» № 6 (313) 2025 г., с. 40-43.

Поделиться материалом:

Другие статьи раздела