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热端成型控制

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【前言】:
助力于打造更轻更坚固的玻璃瓶罐,获得更高效率
在过去的几年中,伴随着减少塑料使用和减少环境污染的大趋势,世界上主要的啤酒厂和玻璃包装用户都在要求大幅减少包装材料的碳足迹。而很长时间以来,热端成型的任务就是将尽可能多的瓶子输送至退火炉中,而对其质量没有太多的关注,产品质量主要成了冷端的关注点。就像两个不同的世界一样,热端和冷端以退火炉作为分界线完全隔离开。因此,在出现质量问题的情况下,从冷端到热端几乎没有任何及时有效的通信或反馈;或者有通信或反馈,但是由于存在退火炉时间的延迟而导致沟通的有效性不高。因此,为了确保将高质量的产品送入灌装机,在冷端区域或仓库的质控处,都会找到被用户退货或需要被返包的托盘。

主题:助力于打造更轻更坚固的玻璃瓶罐,获得更高效率

 

 

前言

在过去的几年中,伴随着减少塑料使用和减少环境污染的大趋势,世界上主要的啤酒厂和玻璃包装用户都在要求大幅减少包装材料的碳足迹。而很长时间以来,热端成型的任务就是将尽可能多的瓶子输送至退火炉中,而对其质量没有太多的关注,产品质量主要成了冷端的关注点。就像两个不同的世界一样,热端和冷端以退火炉作为分界线完全隔离开。因此,在出现质量问题的情况下,从冷端到热端几乎没有任何及时有效的通信或反馈;或者有通信或反馈,但是由于存在退火炉时间的延迟而导致沟通的有效性不高。因此,为了确保将高质量的产品送入灌装机,在冷端区域或仓库的质控处,都会找到被用户退货或需要被返包的托盘。

因此,在热端及时解决产品质量问题、帮助成型设备提高机速,实现玻璃瓶的轻量化,并且减少碳排放就变得尤为重要。

为帮助玻璃行业实现这一目标,来自荷兰的XPAR公司一直致力于研发越来越多的传感器以及系统,并应用到玻璃瓶罐热端成型环节,因为传感器所传递的信息的一致性和高效性比人工传递要高!

成型过程中有太多干扰因素正在影响玻璃制造工艺,如碎玻璃的质量、粘度、温度、玻璃液均匀性、环境温度、涂层材料的老化和磨损,甚至涂油、换产、停止/启动机组或瓶子的设计都会影响工艺。从逻辑上讲,每个玻璃制造商都追求将这些无法预测的干扰,如料滴状态(重量、温度和形状)、料滴装载(速度、长度和到达的时间位置)、温度(初胚、模具、冲头/芯子、口模)对成型的影响降至最低,从而提高玻璃瓶罐的质量。

精确及时获知料滴状态、料滴装载、温度和瓶子的质量数据是实现以更高机速生产更轻、更坚固、零缺陷的瓶罐的根本基础。以传感器接收到的即时信息为起点,用真实的生产数据来客观分析是否会存在后期的瓶罐缺陷,代替了人的各种主观判断。

本文将主要介绍如何使用热端传感器帮助生产更轻、更坚固且缺陷率更低的玻璃瓶罐,同时提高机速。

 

1 使用基于红外线摄像技术的料滴辅助系统中可以看到每个模腔的料滴落料情况,提前发现问题

2  使用温度传感器,可即时监控料滴、模具和初胚不同部位的温度,

提前发现过热部位并找到相应解决方案

 

本文将主要介绍如何使用热端传感器帮助生产更轻、更坚固且缺陷率更低的玻璃瓶罐,同时提高机速。

1、热端检验与工艺监控

使用用于瓶罐检验的热端传感器,可以在热端消除重大缺陷。但用于瓶罐检验的热端传感器并不应仅仅用于热端检验。与任何检验机(不管是热端或冷端)一样,没有传感器能够有效检验所有缺陷,热端传感器也是如此。而且由于每个生产出的不合格的瓶子或罐子都已经浪费生产时间和能量(并产生CO2),因此热端传感器的应用重点以及优势在于预防产生缺陷上,而不仅仅是自动检验缺陷产品。

配备热端传感器进行瓶子检验的主要目的是,消除严重的缺陷,以及收集信息和数据。而且可以根据客户要求对单个瓶子进行检查,从而很好地获悉机组、每个料滴或者行列机的性能数据。消除包括热端倒瓶及粘瓶在内的重大缺陷,可确保产品顺利通过热端喷涂和冷端检验设备。模腔对应至每个机组以及每个料滴或者行列机的性能数据可被用于有效的根本原因分析(学习、预防),并在出现问题时快速采取补救措施。热端基于实时信息快速采取补救措施可直接提高生产效率,这也是稳定的成型工艺的基础。如图1应用示例。

3  热端系统检验出打电话缺陷并进行了剔除,操作工通过系统查看此缺陷发生于涂油时间后,

改善涂油则可以避免此缺陷再次发生

 

2、减少干扰因素

众所周知,许多干扰因素(碎玻璃质量、粘度、温度、玻璃液均匀性、环境温度、涂层材料的劣化和磨损,甚至涂油、换产、停止/启动机组或瓶子设计)都在影响玻璃制造工艺。这些干扰因素是形成工艺变化的根本原因。并且成型工艺受到的干扰因素越多,产生的缺陷就越多。这就表明,减少干扰因素的水平和频率将对实现生产更轻、更坚固、零缺陷和更高速度的产品的目标有很大帮助。

举个例子,热端普遍都非常重视涂油。的确,涂油是玻璃瓶成型过程中的主要干扰因素之一。在下图4中给出了一个示例,涂油能在一定程度上减少缺陷的产生,但另一方面又对生产工艺本身形成干扰。

4 涂油是玻璃制造工艺中主要干扰因素之一

有几种不同的方法可以降低涂油对工艺的干扰:

A、人工涂油:创建SOP标准流程,严格监控每次涂油周期的效果以便改善涂油;

B、使用自动润滑系统代替人工涂油:与人工涂油相比,自动化涂油可以确保涂油频率和涂油效果的一致性。

C、通过使用自动润滑系统最大程度减少涂油:在降低涂油频率的同时,确保涂油效果的一致性。

由于涂油而造成的工艺干扰减少程度依次为a<b<c, c对工艺的干扰最低。XPAR研发的BlankRobot即属于c类范围。

 

                                      图5  XPAR的初模侧机器人                                            XPAR机器人涂油后 

3、处理造成工艺波动源头,使玻璃壁厚分布更加均匀

现在,为了应对上述干扰造成玻璃成型工艺波动较大的情况,很多玻璃制造商就用更多的玻璃液来制瓶。为了满足客户要壁厚为1mm的规格并达到合理的生产效率,壁厚设计规格的范围从1.8mm(小口压吹工艺)到甚至超过2.5mm(吹吹工艺)。

这样增加壁厚的目的在于避免产生缺陷瓶子。早期,当玻璃行业无法计算玻璃的强度时,这种增加壁厚的方式可以补偿过高的工艺变化(或低水平的成型工艺控制)带来的影响,并且容易被玻璃容器制造商及其客户接受。

但这样做的结果就是,每一个瓶子的壁厚都是大不相同的。通过热端的红外传感器监控系统,我们可以清楚地看到,成型工艺的变化会导致瓶壁厚度变化(玻璃液分布变化)。如下图所示,这种玻璃液分布基本上分成以下两种情况:玻璃纵向分布和横向分布。

6 玻璃液垂直分布(左)和玻璃液水平(右)分布

通过对生产出的众多瓶子分析,可以看到玻璃分布在垂直和水平方向上都在不断变化。为了减轻瓶子的重量并防止产生缺陷,我们应减少或者避免这些波动的发生。控制玻璃液的分布是以更高机速制造更轻更坚固、缺陷更少甚至接近于零的瓶罐的关键。而控制玻璃的分布,就需要持续对瓶罐生产进行监控,并根据玻璃分布的变化来衡量操作工的工艺操作。

4、收集并分析数据:创建AI智能

使用越来越多的传感器会收集越来越多的数据。智能地结合并分析这些数据可提供更多更好的信息,以便更有效地管理工艺变化。

最终目标:为玻璃成型工艺中的可用数据创建大型数据库,让系统对数据进行分类合并,并创建最有效的闭环计算。因此我们需要更加脚踏实地从实际数据出发。例如,我们知道装料数据或温度数据与瓶子数据有关,一旦我们知道了这种关系,便能够以这样的方式控制装料和温度,即我们生产的瓶子的玻璃液分布偏移较小,从而减少了缺陷。而且,一些冷端数据(如气泡、裂纹等)也可以清楚地表明了工艺变化。即使在热端没有注意到,使用这些数据也有助于减少工艺差异。

7 当弯槽摩擦力变大的时候,料滴长度会减少

8 料滴长度变短会导致初胚颈部温度上升

9 而初胚颈部温度上升则导致玻璃液分布较少,最后就产生颈部过薄缺陷

 

因而,当数据库记录这些工艺数据后,AI智能系统则可以在热端传感器系统检验出缺陷或者发现质量数据超出设定的报警值时,自动给出相关补救措施建议。

10 XPAR目前已研发出基础版本的AI-工艺智能系统,在热端传感器检验出缺陷后,自动给出相关补救措施建议供操作工参考决定

5、创建基于传感器的SOP或形成成型工艺自动化

一旦使用了传感器,我们就应该围绕传感器提供的信息来组织各种生产措施。传感器能看到的生产真实现象越来越多,所传递的信息具有高度的还原性和一致性。这对于生产非常的重要!

传感器连续监测料滴(重量、温度、形状),装料(速度、长度、到达时间、位置),温度(初胚、模具、冲头/芯子、口模)的状态,从而监控瓶子的质量。产品质量的任何变化都有原因。一旦知道原因,就可以建立并应用标准操作程序。应用SOP使工厂的生产更加轻松。从客户的反馈中我们了解到,由于使用了传感器和SOP,他们确实感到在热端招募新员工变得越来越容易。

理想情况下,尤其是当机器机组越来越多(如12组4滴料机器生产时,操作员无法很好地控制48个模腔),应在尽可能的情况下应用自动化。在这种情况下,传感器观察、分析数据并通过向行列机配时系统反馈数据进行必要的调整。由于反馈通过计算机自行操作,因此可以在几毫秒内进行调整,而即使是最好的操作员/专家也永远做不到这点。

11  创建SOP和自动控制闭环的逻辑

在过去的五年中,(热端)自动控制闭环已可用于控制料滴重量、玻璃瓶在输瓶机上的间距、模具温度、芯子冲头冲程和玻璃液纵向分布。可以预见的是,在不久的将来,会有更多的控制闭环可以使用。根据现有的经验,使用不同的控制闭环,基本上都能产生相同的积极效果,如减少了工艺波动,玻璃瓶罐的玻璃液分布变化小和缺陷更少等。

结语

为了实现更轻、更坚固、(几乎)零缺陷、且更高速度和更高合格率生产的愿望,我们在本文给出了一些实现途径。作为玻璃容器行业的成员,我们顺应减少塑料和环境污染的大趋势,并遵循主要酒厂和其他玻璃包装用户的明确要求,大幅减少包装材料行业的碳排放。而对于每个玻璃制造商而言,只要实现生产更轻、更坚固、(几乎)零缺陷的玻璃瓶,且达到更高机速,即可在减少碳排放的同时实现更大的投资回报。