热塑性蜂窝板封边机的研发与应用

邓荣坚

(广州金发碳纤维新材料发展有限公司，广州 510663)

0 前言

夹层结构板材最早应用于20 世纪40 年代，是指在2层性能优异的面板之间采用胶接等方法夹入如正六边形蜂窝结构、圆形蜂窝结构、泡沫结构等具有低密度、高刚性的夹层芯结构而制备的新型结构材料[1]。特殊的结构特征使其具有高强轻质的优异性能，在诞生之初就广泛应用于航空航天等高科技领域。

早期的夹层材料以蜂窝结构为主，满足高科技领域对材料高性能的要求，主要应用金属蜂窝[2]。随着复合材料科学的发展，以纤维增强热固性聚合物为原材料的蜂窝结构，如玻璃钢蜂窝以其高的比强度、比模量，耐腐蚀性，绝缘性等优异性能亦应用于航空航天领域。由于热固性蜂窝夹层结构具有很多缺点如韧性较差，原材料不易保存，固化成型后不可回收利用等，为了更好地实现蜂窝夹层材料“民用化”，热塑性蜂窝结构逐渐受到研究人员的关注[3]。

热塑性蜂窝板具有质轻、比强度和比刚度高等优点，相比热固性蜂窝板最大的优点是，韧性好，环保可回收，因而被广泛应用于建筑工业、航空航天、汽车制造等领域，但其后续的封边处理一直是业内的难点，阻碍了其在某些行业的应用如家具行业和物流行业等。传统的封边机，大多数为应用于板式家具行业的封边机，一般需要采用额外的封边条进行封边，即将封边条用粘接剂涂胶后，将其放在板材的边上，沿板材边缘将封边条压实，这种方式生产效率低，封边后边缘的强度不高，且制备的板材还含有胶水等胶黏剂，不利于环保，因而不适用于热塑性蜂窝板的封边。

本文作者针对热塑性蜂窝板的特点，通过大量试验研究，成功开发出一款适用于热塑性蜂窝板的封边机，已申请专利保护。以下作详细介绍。

1 热塑性蜂窝板简介

热塑性蜂窝板为质轻高强的环保材料，它是一种夹芯结构,如图1所示，面层为连续玻璃纤维增强热塑片材经过热压复合而成 (CFRTP面层)，芯层为热塑性材料六角蜂窝芯如PP六角蜂窝芯。芯层与面层通过熔融热压黏结在一起形成板材，成型过程不含任何有害溶剂和胶黏剂，可以100 %回收绝对环保。

图1 热塑性蜂窝板的结构示意图Fig.1 Structural representation of thermoplastic honeycomb plate

图2所示为热塑性蜂窝板的实物图，从图中可以看到蜂窝板的边缘并不是一个平面，而是由很多凹凸表面组成，正是由于这种结构决定了蜂窝板采用传统的封边机用封边条胶粘的方法行不通，最致命的缺点是胶黏剂用量极其多，而一般胶黏剂的价格不菲，而且黏结后黏结强度不高，封边条容易脱落，影响了后续的使用。

图2 热塑性蜂窝板实物图Fig.2 Picture of thermoplastic honeycomb plate

2 实验研究

从热性蜂窝板的材料和加工方法可以看到，其所用材料均为热塑性材料(除了玻璃纤维)，都可以通过熔融加工，作者从这一点上受到启发，能否利用热塑性蜂窝板自身的材料直接通过熔融加工方法来实现封边。热塑性蜂窝板的面层是连续玻璃纤维增强热塑片材具有很强的可塑性，只要给定一个形状(通过模具实现)，通过热压成型就可以简单的实现。

有了基本思路后，要先验证其可行性以及封边效果。在选定形状时，作者选用了强度最高，最容易成型的圆弧形状，如图3所示。封边的基本原理可以描述如下：先把具有圆弧形状的模具加热到设定的温度，再把热塑蜂窝板的边缘对着圆弧槽缓慢往前压，最后冷却定形，热塑性蜂窝板的靠近边缘的上下2个面层就会沿着圆弧槽成形为与圆弧槽一样的形状，形成圆弧状的封边结构。

(a)封边前 (b) 封边后图3 热塑性蜂窝板封边原理图Fig.3 Edge banding schematic of thermoplastic honeycomb plate

图4 热塑性蜂窝板封边简易模具Fig.4 Edge banding mold of thermoplastic honeycomb plate

图4所示为实验研究制作的简易模具，图5为通过带加热功能的四柱液压机进行热塑性蜂窝板封边的现场照片。液压机平板工作台具备加热功能，圆弧状模具通过平板加热到设定的温度，液压机上压板往下运动，缓慢把热塑性蜂窝板往下压，使蜂窝板的边缘通过面层的热压成型进行封边。图6所示为热塑性蜂窝板4个直角边都封边后的实物效果。 直角边经过封边后变成圆弧边缘，蜂窝芯被全部包裹在圆弧面层中， 封边后圆弧边缘既美观又耐用(强度高，不会变形)，既环保(不含胶黏剂)又经济(不使用额外的封边条)。

图5 热塑性蜂窝板封边实验现场图Fig.5 Edge bandingexperimental site of thermoplastic honeycomb plate

图6 热塑性蜂窝板封边实物图Fig.6 Picture of thermoplastic honeycomb plate with the edge banding

3 热塑性蜂窝板封边机的开发

经实验研究确认利用热塑性蜂窝板面层材料的热压成型可以顺利对蜂窝板进行封边，而且封边效果可以满足使用要求。可行性和实用性都得到验证后，作者在此基础上开始设计开发一套适用于热塑性蜂窝板封边的封边机，并找到加工厂家生产制造出来。如图7所示为执塑性蜂窝板封边机的三维图设计图，设计过程把效率和自动化作为基本要求，该封边机可实现两边同时封边，蜂窝板材在封边过程自动对中，自动夹紧，工人只需完成上料和下产品的过程，直正实现一键启动，完全自动化。关键功能部件可简述如下：左右两个封边模块配置完全一样，模块都配有冷模和热模，冷模通过冷却水冷却，热模通过电阻丝加热，两个模具均为圆弧槽形状，通过气缸实现上下位置切换；封边过程，封边模块缓慢往前移动实现热压封边，移动距离通过伺服电机加滚珠丝杆和直线导轨的结构实现精确定位，这是封边机能实现产品质量稳定的保证；由于使用了伺服电机，左右封边模块可实现精准的同步运动，同步运动过程成型模具推着蜂窝板左右移动实现自动对中。通过调节夹紧机构和封边模块的行程，封边机可实现任意规格热塑性蜂窝板的封边。

图7 热塑性蜂窝板封边机三维图Fig.7 Three-dimensional diagram of thermoplastic honeycomb plate edge banding machine

图8 热塑性蜂窝板封边机实物图Fig.8 Picture of thermoplastic honeycomb plate edge banding machine

图8所示为执塑性蜂窝板封边机的实物图，热塑性蜂窝板的封边过程可简述如下：工人把待封边的蜂窝板搬到封边机的工作台上，按下控制面板上的一键启动按钮，左右封边模块往前移动，蜂窝板自动对中，夹紧机构动作夹紧蜂窝板，热模接触到蜂窝板开始热压封边，左右封边模块缓慢往前移动到设定位置后迅速往后退一定的距离，气缸动作切换冷模和热模的位置，左右封边模块再往前迅速移动到设定位置，冷模接触到蜂窝板开始冷却定型，冷却时间到后，封边模块往后退，夹紧机构松开蜂窝板，工人拿出封好边的产品，完成一次封边过程。

4 热塑性蜂窝板封边产品的应用

图9 蜂窝托盘Fig.9 Picture of pallet made by thermoplastic honeycomb plate

热塑性蜂窝板由于其边缘为凹凸表面组成而非一个平面，导致其后续的封边处理一直是业界的难点，阻碍了其进一步的应用。通过作者设计的热塑性蜂窝板封边机可实现蜂窝板的完美封边，促进了其在某些行业的应用，如物流行业、家居行业等。图9所示为广州金发碳纤维新材料发展有限公司开发的蜂窝托盘在物流展上拍的照片，该托盘主要由热塑蜂窝板和注塑脚组成，热塑蜂窝板通过作者所设计的封边机进行封边处理，封边后边缘强度与蜂窝板母体强度一致，经得起3 m跌落试验和平时工人开叉车的野蛮操作。由于该蜂窝托盘具备轻量化负重大和周转次数远比木托盘高的特点，所以一经推出就受到了广泛的好评。

随着现代生活的不断发展和人们生活水平的不断提高，人们对于板式家具的质量的要求也不断提高。在板式家具的生产中，封边是非常重要也是使用最频繁的一个环节， 但又是产品质量问题体现得最为集中的一个工序。判断一件板式家具的质量究竟如何，最直观的一点就是家具的封边质量[4]。热塑封窝板作为质轻高强的板式材料，只要封边处理好，就可以成功应用于家居行业。

5 结论

(1)热塑性蜂窝板封边机的成功开发，解决了行业的一个难点，采用该技术处理的蜂窝板，其边缘光滑美观，边缘强度基本与蜂窝板母体强度一致，经久耐用，永不脱落；

(2)由于不需要使用额外的封边条，也不需要任何胶黏剂，因此该封边技术应该是目前所有封边工艺中成本最低的一种工艺，既环保又美观又耐用又经济，必然会促进热塑性蜂窝板更广泛的应用。