牙刷智能制造的研究与应用

潘楚斌 冯裕和 梁健华 黄晓文

(好来化工(中山)有限公司 广东 中山 528411)

前言

牙刷是基于日常口腔清洁而开发创造出的日用护理产品，早期由于材料和工艺的限制，牙刷只能以手工工艺品的形式进行制作，对牙齿的清洁效果有限。随着科学技术的发展，塑胶材料普及并应用在牙刷上，通过模具注塑加工成型，牙刷作为一种消费日用品得到大范围普及，牙刷的种类逐渐丰富，清洁效果也得到了改善。

中国具有庞大的人口基数，随着农村地区消费市场不断发展和城镇化推进，中国的牙刷需求在快速增长[1]。牙刷的需求量不断的增长促进了牙刷发展，牙刷生产已经由全手工制作的小作坊，逐步升级到机械化、规模化的流水线生产。批量化的生产促使牙刷成本降低，低成本的牙刷加速了牙刷的普及，正循环地促进了牙刷的发展。近年来，随着牙刷市场竞争越来越激烈，驱使着企业不断改革创新，牙刷制造开始朝着智能化生产升级，牙刷生产一体化是牙刷未来发展的方向。

1 牙刷智能制造的背景

1.1 国际形势

随着发达国家技术工人短缺，新兴国家劳动力成本上涨，同时制造业又出现了行业制造点分散、生产方式变更等新情况，制造技术日益趋向专业化精细化复杂化。为应对制造行业新的社会课题，美国、德国、英国、日本等国家纷纷实施了以重振制造业为核心的“再工业化”战略，颁布了一系列以“智能制造”为主题的国家战略。

欧洲十九世纪工业革命发展让德国的制刷业得到了很好的发展，德国的Zahoransky沙朗斯基作为牙刷制造设备的领导者，在一百多年前彻底改变了德国牙刷的生产，今天仍然是一家全球活跃的技术公司，在牙刷的生产机器和系统方面，超越了行业标准，通过计算机编程技术，提供生产系统自动化解决方案[2]。Boucherie NV于1927年成立于比利时的伊泽海姆市，于2014年与Borghi SPA合并成立Boucherie Borghi Group，专注于清洁行业的设备研发制造，旨在创造行业标准，为客户提供终生的一站式解决方案和战略性合作伙伴关系。作为欧洲制刷业设备的领先供应商，德国的Zahoransky和比利时的Boucherie提供行业内最优质的设备和工艺，引导着制刷行业的发展。牙刷是一个依赖工艺创新的产品，技术和工艺的进步伴随着新型牙刷的发展。

1.2 国内形势

中国牙刷工业相比于发达国家起步较晚，牙刷的生产长期依赖于手工制造，牙刷产业分布也较为分散，前期的发展主要依靠中国的人口红利。随着中国制造业的发展，近年来，中国牙刷工业开始向着规模化和产业化发展。中国江苏省扬州市杭集镇是国内有名的“中国牙刷之都”“中国酒店日用品之都”“旅游日化用品集散中心”，目前在日化产业领域已经形成了完整的产业链，产业集聚度和市场占有率较高，品牌效应凸显[3]。

1.3 国内存在的差距

国外的制造发展较早，技术更加成熟，而且原材料的发展也比国内成熟，好的技术以及原材料是实现智能化、自动化、数字化的基础保障，中国还面临着一些问题如表1。

表1

2 制造发展新趋势

2.1 产业智能制造

装备制造业是国之重器，是制造业的基石。围绕实现制造强国的战略目标，国务院发布了《中国制造2025》，明确制造业强国的五大工程和十大领域。智能制造工程作为五大工程之一，是国家全力打造制造强国的重点项目[4]。

紧随国家装备制造业发展政策和环境的利好，日化行业通过结合国内外的技术发展推动产业变革，驱动国内牙刷行业向着智能制造的方向发展。引导日化企业采用个性化的柔性生产技术，引进自动化成套生产线、智能控制系统，进一步普及工业机器人的使用，对现有的设施、设备进行自动化、智能化的升级改造，提高生产效率，建立专业高效的智能制造工厂。推动研发设计、生产、企业管理等环节的信息化改造升级，推进企业将内部信息流、资金流、物流等进行信息化综合集成，促进信息化条件下新型企业发展模式创新。

2.2 互联网产业结合

引导日化企业充分利用经济常态下“互联网+”发展的新机遇，积极谋划互联网和日化产业的发展布局，扩展杭集日化产品电子商务平台功能，建设外贸产业带平台，引导平台积极向海外拓展。加速推进亮点网络、路通达科技、国富扬等信息技术公司与本地日化企业开展有效合作，构建完整的互联网+日化电子商务体系，建设高度发达的销售网络，改变“杭集制造”的传统营销模式，促进实体经济与平台经济的广泛融合。引导日化企业O2O模式创新，借助网络平台及庞大的手机用户关系型群体，密切促进企业品牌产品信息与主题消费群体的沟通互联，将线下商务的机会与互联网结合在一起，让互联网成为线下交易的前台。

3 牙刷工厂智能制造在好来化工的应用

3.1 一体化生产

随着日用护理消费市场对高品质牙刷的需求加速增长，长期秉持质量优先的黑人牙刷市场表现良好，市场占有率继续不断增长。为应对市场对黑人牙刷的需求量的提升，新牙刷车间于2016年进行产能升级并投入使用。新生产车间充分优化了牙刷生产工艺流程布局，结合考虑人机物法环等多个因素，使得原本独立的牙刷、植毛、包装工序整合在了一起，产品从注塑到植毛再到包装过程完全自动化，不需要再设立中转缓冲区，解决了停滞物料的问题，降低了人力成本。同时生产流程使用SAP系统，生产计划同步物料采购、仓库储存、生产制造、成品仓存和物流配送，让产品的制造可视化、智能化和同步化。

3.2 注塑生产一体化

3.2.1 中央供料系统

中央供料系统是一种集中再分散的供料方式。通过系统程序控制，原料由中央的储料区，经过管道自动地运输到每一台注塑机，根据需求，系统可以自行调整色母与原材料的配比。中央供料系统实现了注塑生产过程中供料自动智能化，优化了人力成本，减少了人为操作误差。密闭式的供料系统，隔绝了原材料与外界接触，保证了产品质量的同时，还改善了注塑生产车间的环境，解决了人工拌料带来的粉尘危害。

3.2.2 热流道模具

传统的注塑模具通常采用冷流道设计，生产过程中会产生8%～12%副产物。副产物需要人工修剪与产品分离，回收的副产物经过粉碎可以以10%～20%的添加量混合到注塑原材料中生产加工。这种加工方式，会在混料过程中增加混入杂质风险，混有副产物的材料注塑的产品力学性能也会存在不稳定的风险。热流道模具，通过在模具中设计加热系统，维持注塑原材料在热流道中呈熔融态，产品在生产过程中，只有产品从模具中脱落，没有副产物产生，产品性能稳定。

3.3 植毛生产一体化

3.3.1 全自动牙刷柄输送系统

植毛在牙刷制作过程中是一个非常重要的工序，全自动牙刷柄输送系统是实现牙刷生产一体化的关键技术。不少传统企业的牙刷制作过程还需依靠手工对牙刷柄进行分拣和转运，劳动强度大，人工成本较高[5]。牙刷产品种类繁多，尺寸不一，对于植毛机来说是一种较难匹配的“原材料”。为解决这个问题，好来化工使用了基于模块化PLC控制的全自动牙刷柄输送系统，系统控制的机械手可以自动识别牙刷柄和自动分拣，实现了牙刷柄全自动输送，这种方式大大减少了摆放刷柄的人工强度，节约了人工分拣成本。

3.3.2 视觉产品检测

高速植毛机的植毛速度是800～1000孔每分钟。一只孔数为40的牙刷，只需要3秒就可以完成植毛，依靠人工对每只牙刷进行全检是不现实的。牙刷的一体化生产让每一个工序都有机地结合在了一起，只要有一个环节出现品质缺陷，就会造成大批量的不良产品产生。牙刷常见的缺陷是缺毛、无铜片、高低毛等。通过智能视觉系统，可以实现对每支产品进行全检，一旦发现产品缺陷，设备便会将异常的产品剔除，输送到不良区，品质管控人员可以对不良区的产品进行二次人工判定，通过定时抽检，能够保证设备良好运转。

3.3.3 智能可控取毛刀

传统的植毛刀片的取毛孔的大小是固定的，因此取毛的量也是固定不变的。在固定植毛取毛器的情况下，只能生产孔径大小一样的产品。生产单一产品多种孔径规格的牙刷，需要频繁地更换不同规格的取毛刀，或者采用两台以上的设备生产，频繁的更换设备零件和多设备工序生产会造成产品不良率增高。智能可控取毛刀，可通过PLC控制系统，对取毛孔的大小进行控制，从而达到对取毛量的控制。改进后的植毛机，可实现单一产品多孔径规格的牙刷一机生产，无需频繁的更换取毛刀和多工序生产，降低了产品生产周期，提升了产品的合格率。

3.4 包装一体化

3.4.1 半自动包装

牙刷的产品种类繁多，规格不一，市场对每种牙刷的需求量是不一样的。对于需求量较少的牙刷，好来化工提供了半自动化生产包装方案，确保了包装高灵活性和高效性。

3.4.2 全自动包装

全自动包装是实现牙刷一体化生产的最后工序，应对大批量的产品。好来化工提供了智能包装方案，整个包装生产线可自动完成泡壳成型、下背卡、焊接、贴标、激光打码、冲切、收集、推入胶卡座、封包装膜和入箱打包等环节，全程机械自动化，无需人工参与。

4 结束语

智能自动化生产是制造业的发展趋势，是国家重点规划的方向。好来化工通过对牙刷生产自动化改造，实现了从注塑原料中央供料系统到牙刷注塑半成品，再到植毛、包装，整个生产过程一体化、智能化。依托于自动化生产，好来化工从劳动密集型企业向技术密集型企业转变，提升了自有品牌黑人牙刷在市场上的竞争力。牙刷一体化生产，能够提升产品生产效率，降低人工成本，是牙刷未来生产发展的重要方向。