从德国K展2022看注塑产业发展新趋势

焦晓龙，党开放，周 洋，马艺涛，王金领，谢鹏程，3，4

（1.海天塑机集团有限公司，浙江 宁波 315801；2.北京化工大学机电工程学院，北京 100029；3.有机无机复合材料国家重点实验室，北京 100029；4.人工智能交叉研究中心，北京 100029）

0 前言

三年一届的K 展于2022年10月26日在德国杜塞尔多夫完美落幕，K 展是全球最重要的塑料与橡胶工业展会，也是一个行业中心交流和信息平台，集中展示过去几年来，在橡塑成型自动化设备领域中深耕的技术、产品、服务以及先进解决方案。今年恰逢K展70周年，本届展会以气候保护、循环经济和数字化为主题，汇聚来自59个国家和地区3 020家知名厂商，吸引了来自167 个国家共计17.7 万余观众，这充分显示了塑料仍是备受瞩目且不可或缺的重要基础材料。

塑料像是一把双刃剑，给人们带来便利的同时也直接威胁着人类与全球生物生活的环境，导致“循环经济”仍是塑料工业中最重要、最前沿的话题之一。而全球众多跨国及上市设备公司正扩大技术创新步伐以适应绿色环保低碳的迫切需求，在当前经济形势下，也为整个行业带来勃勃生机，也提供新的发展机遇。K2022 围绕橡塑材料产业链中循环经济主题展出了一系列具体解决方案，参展观众对再生材料与回收、实现工业数字化等领域表现出浓厚的兴趣。此外，如图1所示，K2022 举办的“塑料塑造未来”特展来讨论如何借助新技术和新材料行业［1］，来应对这个时代面临的挑战，共同讨论如何用塑料塑造未来。本文将结合现场参观情况简要介绍此次K 展的展出亮点，探讨注塑行业代表性的技术发展趋势。

图1 “塑料塑造未来”特展Fig.1 Special exhibition on "Plastics Shaping the Future"

1 以“循环经济”为持续发展目标，推动行业节能环保转型

本届K 展就循环经济为中心，推动行业节能环保转型，解决可持续发展问题。发展参展商主要从材料回收技术、加工工艺创新、应用范围拓展等方面纷纷推出了各自的技术解决方案。

1.1 回料再加工助力塑料回收

塑料回收加工是绿色化学、循环经济最直接的方式，因此众多厂商均立足于开发可加工回收塑料的生产工艺及设备。恩格尔与合作伙伴阿尔法集团合作开发出基于再生PET（rPET）的薄壁注射成型技术［2］，如图2所示，现场展示了利用薄壁成型技术与膜内贴标技术一次成型生产出壁厚为0.32 mm 的125 mL 食品接触级薄壁容器，展现出其强大的再生塑料安全性，该突破性技术可减少对新塑料的需求，降低废物产生，对环境保护具有重要意义。意大利吹塑机厂商Plastiblow推出的多层共挤设备，在现场演示加工含有50 %聚乙烯回料，并生产出20 L 3 层工业包装堆码桶，为节能和回料的挤出加工提供了新的解决方案。

图2 rPET薄壁食品容器与Engel e-speed系列注塑机Fig.2 rPET thin-walled food containers and Engel e-speed series injection molding machine

1.2 回收工艺创新提升回收塑料再制造效率

一般传统的回收加工工艺是对回收材料预加工改性后，由挤出机混合塑化完成造粒过程，再通过注塑机来实现回料的再生产，显然两步法的过程比较繁琐且伴随着巨大的能耗，阻碍了回收工艺的进一步推广发展。如图3所示，克劳斯玛菲利用直接混炼注塑技术（DCIM）可实现配混3种不同黏度的回收材料［3］，并完美整合了单螺杆挤出机和注塑机，其单螺杆挤出机直接连接注塑机的塑化单元，对回收材料进行改性、增强填充后直接进行注射成型。DCIM 技术避免了传统回收材料加工过程繁琐周期长、能耗成本高的缺点，由于省去了回料改性配混后造粒、干燥等过程，可大幅缩短回料再利用的注射成型周期，材料成本可节省高达50 %，配混熔体直接挤出机进入注塑机塑化装置，有助于节省能源和二氧化碳排放。如图4所示，恩格尔第一次展示了使用“两步法”工艺来生产物流用托辊装载运输车［4］，该技术取消传统回收再生产过程中的造粒过程，改善了CO2的平衡并降低了近30 %的回收成本，配套开发出的脱气单元可以有效降低回料中的材料降解或印刷油墨残留物等杂质，有效提升再回收制品的使用强度。

图3 克劳斯玛菲展示的DCIM设备与可重复使用板条箱Fig.3 DCIM equipment and reusable crates presented by KraussMaffei

图4 恩格尔“两步法”工艺生产的托辊装载运输车Fig.4 Roller-loading transporters produced by ENGEL′s "Two-Step" process

1.3 新回收技术拓展回收材料范围

全球每年产生的140亿吨塑料包装废物中，有相当大一部分是复合包装材料，如塑料-铝膜和多功能复合包装膜等，回收这些复合材料对于塑料可持续性构成了巨大的挑战。在此背景下，德国Saperatec 公司开发了一种创新的扩展回收方法［5］，用于解构薄膜复合包装并再生成几乎具有原始质量的材料，这些回收材料可以直接替代薄膜或箔片基包装中的原始树脂，预计每年可处理约18 000 t 包装废料。Covestro 公司采用可持续的天然分离剂回收含有聚氨酯（PU）黏合剂的多层薄膜复合包装，这些分离剂可以选择性地减弱复合包装膜中PU 黏合剂的黏合强度，从而有助于高效分离和随后的材料回收。此外，巴斯夫公司利用化学回收技术，将旧轮胎的分解油转化为聚酰胺6 材料，用于制造高性能、耐用的微型断路器（MCB），充分体现了循环经济的理念，将废旧材料再利用。

1.4 生物基回收材料大放异彩

由于其环保、可再生和生物降解等特性，生物基材料受到了材料制造商的广泛关注。科思创、Novamont 和LG化学等主要厂商展示了他们在生物基材料领域的突破。科思创推出了面向未来交通的新型充电站和壁挂式充电装置，所用塑料来自Makrolon RE系列，该系列塑料按比例由生物废料和残余材料制成，部分使用可再生能源，因此碳排放极低。如图5所示，LG化学展示了采用回收材料制成的PCR 产品，100 %生物基的PLA，可生物降解的PBAT 以及用于控制电池热失控的气凝胶。Novamont展示了其双生物基塑料在食品包装、餐饮、零售和农业领域的多种应用。该公司的硬质食品包装含有高达100 %的生物基成分，具有良好的阻隔性能，可生物降解并可堆肥。Mater-Bi地膜适用于不同的环境条件和作物周期，由于可在土壤中生物降解，因此无需在作物周期结束时回收和处理，可留在土壤中由微生物降解，从而有助于减少塑料废物并保护土壤免受塑料污染。如图6所示，泰瑞推出了低能耗、可持续的100 %可降解餐具生产方案，支持循环经济的可持续发展。其展出的NEO-T系列注塑机专用于生产100 %PLA可降解餐盘。

图5 LG化学展示的回收材料制品Fig.5 Recycled material products displayed by LG Chem

图6 泰瑞展示的100 %可降解餐具解决方案Fig.6 Tederic′s demonstration of a 100 % biodegradable tableware solution

1.5 温控循环与热管理技术节省能源开支

加热过程及热量交换是注塑过程能耗的重要组成部分，如何利用好这部分能量是降低注塑生产过程能耗水平的关键。泰创集团推出了一款新一代的温控和热管理装置（图7）［6］。通过高效节能的温控系统、优化的废热利用以及更环保的制冷设备，这一创新为塑料加工行业的持续发展提供了更为实用的解决方案。这款新型冷水机组具有1 500 kW 的制冷输出，提供了多功能的制冷循环，多级高温热泵将冷却过程中产生的废热提升至150 ℃，便于原料干燥。此外，采用人工智能驱动的管理技术在不同系统组件之间建立智能连接，以降低能源消耗并最大限度地减少CO2排放，从而进一步增强了该装置的实用性。

图7 泰创集团展示的高温热管理系统Fig.7 High temperature thermal management system demonstrated by Technotrans Group

在可持续发展领域，海天公司一直专注于从根本上减少原材料消耗、促进原料回收和重复循环利用，以及降低制造工艺的碳排放。在本次K展上，海天公司展示了JU系列二板式注塑机（图8），充分展示了海天多年来在可持续发展方面持续深耕的成果。一方面，海天的JU 系列二板式注塑机采用了最新一代的海天驱动技术，配置了更加节能高效的伺服驱动系统，进一步提升了注塑机的节能效率。另一方面，海天的JU 系列二板式注塑机为创新型材料和可循环材料的应用提供了高效的解决方案。展会现场，JU 系列二板式注塑机采用高密度聚乙烯和利乐可循环混合材料生产物流果框，充分展示了其在使用可循环材料方面的高效解决方案。此外，JU注塑机还具备低压注塑、微发泡模板微开等衍生功能，持续为客户提供更多符合低碳理念的可持续发展解决方案。

图8 JU系列二板式注塑机Fig.8 JU series two-plate injection molding machine

2 数字化、智能化助力行业高速发展

数字化和智能化的兴起深刻促进了注塑行业的发展。工业4.0 的数字化转型理念不仅彻底改变了注塑行业，还使得生产过程能够持续优化以满足迅速变化的需求。引入数字化解决方案不仅提升了制造效率、可用性和生产率，同时也在节约能源和减少碳足迹方面发挥着重要作用。

在K2022 展会上，海天国际与海天携手智联合作了多套智能注塑方案。这些方案涵盖了从智能产品到数字化平台的范围，为客户提供了一站式智能化周边设备和系统，实现了自动化与信息化的综合互动，并提供了个性化解决方案。其中，如图9所示，海天智联模内贴标工艺在展会现场与海天MA4500K 协同演示，展示了保鲜盒制品的全套解决方案。该方案通过缩短制造周期、降低生产成本和采用更环保可循环的材料，引起了众多欧洲客户的关注。

图9 海天模内贴标叠模应用解决方案Fig.9 In-mold labeling and stacking mold application solution by Haitian

海天国际的展示设备搭载了“智能能耗管理”功能，如图10所示，助力客户实现高效能耗监测和分析。随着后续功能的拓展和更新，这一功能将更便捷地实现能耗分析和管理，从而达到更优的节能效果。此外，每套展示方案还配备了海天智联的数字化管理软件“管工厂2.0”，该软件专为中小制造业设计，能够对大量离散设备进行标准化联网，通过移动互联方式帮助制造企业实时标准化、规范化地管控工厂设备，实现了“将工厂放进口袋”的目标。通过数字化转型，助力企业节约成本、提高效率，智能赋能，进一步提升市场竞争力。

图10 智能能耗管理功能与数智化管理软件管工厂2.0Fig.10 Smart energy consumption management features and Data-driven management software in Factory 2.0

另外，德国Netzsch Process Intelligence 公司推出的SensXPERT 智能工艺系统，通过模内传感器和机器学习软件分析材料行为，实现动态、适应性生产，提高成型效率。该系统通过评估硬件和软件生成模型，捕捉所有物料和工艺过程中微小的偏差，并通过模拟、预测和分析材料行为，得出关键参数，如玻璃化转变温度、压力和固化要求，持续优化这些过程模型。这一技术释放了数据驱动生产力的潜力，极大地提升了塑料加工行业的效率。

Polyplastics 开发了一种CAE 分析技术，能够预测由POM 材料制成的注塑产品中可能出现的孔隙。这一新技术通过结合流动和结构分析，根据模具收缩率、弹性模量和树脂固化过程中的压力分布等参数，准确预测模制产品内部应变的形成情况，从而减少试验样品，缩短开发周期，并降低能源使用。

如图11所示，Engel 公司在展示的全电动注塑机e-mac 80 中采用了数字化解决方案，成功实现了能耗的降低。该注塑机配备了e-flomo、e-temp 和iQ 流量控制系统，通过温控水路系统监测和调节流速、压力、温度和温差，智能的iQ 流量控制辅助系统能够针对所有单个回路中的温差进行调整，以实现高重复性和最小冷却水和能源消耗。此外，注塑机还搭载了iQ 保压控制系统和iQ 工艺观察系统，可分析模具注入量，精确定位塑化螺杆的位置，并跟踪注塑工艺各阶段的数百个参数，以快速诊断质量变化并减少废品数量。通过一系列数字化解决方案，注塑机从设备到温度控制，再到数字辅助系统，都能根据当前生产产品的精确要求进行协调，实现完全和谐的协同工作。在处理1 kg 聚对苯二甲酸丁二酯（PBT）时，e-mac 注塑机仅消耗0.8 kWh 的电力，实现了高达67 %的节能。

图11 Engel全电动e-mac注塑机Fig.11 Engel′s All-electric e-mac injection molding machine

3 降本增效仍是企业追求的目标

随着注塑行业的发展，企业追求降低成本、提高效率已成为必然选择。在这方面，一些创新技术和解决方案正在广泛应用，并取得了显著效果。

如图12所示，震雄集团推出了2 款经济高效的解决方案，SPEED-PACKII 高速包装机采用了第三代伺服技术SVP/3，显著增强了设备的节能环保特性，最多可节省80 %的用电和冷却用水；MK 系列伺服注塑机采用独创的精确液压技术，展现出世界级的稳定性，通过将注塑机的液压系统优化到极致，实现了高制品精度、高稳定性和低能耗的完美融合，具备出色的节能、降本和高效率等优势。

图12 震雄展出的SPEED-PACKII400高速包装机Fig.12 The SPEED-PACKII400 high-speed packaging machine exhibited by Chenhsong

Matrix Molding Systems 公司开发的Soniplas 技术，利用超声波能量来降低注塑工艺的能耗。该技术利用超声波能量在聚合物熔体中产生低能振动，从而触发聚合物材料剪切变稀的特性，降低材料黏度，提高注射时的流动性。值得注意的是，采用Soniplas 技术的成型零件不会影响其物理性能。该技术可以提高难以成型且废品率较高的零件的质量，从而减少废品率。此外，由于降低了注射压力，该技术也降低了模具锁模力的要求。在试点阶段的6 个月内，Soniplas技术成功地降低了34 %的能源使用量，缩短了27 %的周期，实现了能源和碳排放的节约以及生产效率的提高。

Essentra Components 推出了一项基于隔热护套概念的节能方案，如图13所示，可以减少加热机筒时的能耗。在一次测试中，近300 台注塑机安装了隔热夹套，每台机器每个周期的热损失减少，同时还降低了下个循环中重新加热机筒所需的能量（0.4 kWh 电力），使得每台机器能耗降低15 %。此外，隔热夹套还将外部温度降低了30 %，降低了意外烧伤的风险。这种小而关键的创新既能减少能源使用和碳排放，又能实现生产效率的提高。

图13 隔热夹套可减少能耗Fig.13 Thermal insulation jackets for energy consumption reduction

4 医疗领域成为行业发展的关注点

在过去的几十年里，医疗设备的尺寸和复杂性不断增长，这为诊断和治疗提供了更多的可能性。然而，这也导致了越来越多的设备需要更小、更精确的部件，并需要在生产过程中进行精确的控制。金属一直是医疗设备生产的主要材料，但随着塑料技术的发展，医用树脂作为一种新材料正在崭露头角。医用树脂具有越来越多的优势，可应用于医疗设备的设计和生产。而注塑作为一种重要的塑料加工方法，可在短生产周期内自动生产出精确、复杂的塑料制品，非常适合医疗领域产品的生产要求。这也使得各大注塑行业厂商纷纷将目光转向医疗领域。

鲁尔连接器由生活在巴黎的德国人Hermann Luer在19世纪末发明，这种设计能够确保无泄漏，如今已经广泛应用于医疗行业。Arburg 以这一经典的鲁尔连接器为例，展示了现代工艺如何高效成型这一常用医用产品。如图14所示，在其生产过程中使用了聚丙烯和热塑性弹性体2 种材料注射成型。Arburg 使用Allrounder More 1600 型号注塑机搭配Braunform 的4+4腔模模具进行注射成型，并使用AMKmotion 公司的电力伺服轴控制了模具内部的各个过程，并通过基于相机的检测系统进行分类筛选。Allrounder More 注塑机采用模块化设计，特别适用于多组分注射成型。

图14 由聚丙烯和热塑性弹性体制成的鲁尔连接器部件Fig.14 Ruhr connector components made of polypropylene and thermoplastic elastomers

由Braunform 提供的模具搭载了其RotaricE²技术，将鲁尔连接器锁紧螺纹的封盖和拧盖功能结合在一个多组分侧浇模具上，同时顶出机构一侧组合了6种功能——芯体回缩、每个型腔包含2个滑块、开盖、平顺的封盖、拧开以及顶出。由于采用电力驱动、耐腐蚀钢、低脂润滑和滚动元件定心系统，整体设计十分洁净。通过RotaricE²技术，可节约2 套注塑模具和机器，以及一条装配线，使总体生产成本降低了45 %。

为满足医用产品对洁净度的要求，注塑机制造商Engel和KraussMaffei分别展示了在洁净室条件下生产医疗产品的全电动注塑机。Engel的e-motion 160 combi M具备洁净室设计，可以在洁净室条件下成型医疗诊断的样品容器。该注塑机拥有定位台和2个注塑单元，可以同时进行2个模具的加工，大大提高了生产效率。同样，KraussMaffei 的PX 200-1400 也具有洁净室设计，可在96 s的循环时间内产生105 个聚丙烯笔帽，注射质量为105 g。在确保高精度制造的前提下，该设备可以最短的循环时间，最大限度地减少能源和材料等资源的使用，在洁净室条件下生产合格的医用产品。

国内企业同样在此赛道上纷纷发力。如图15所示，海天长飞亚ZE 电动注塑机，配置了医疗专用包和Max Petek 层流罩，演示一套洁净室解决方案。伯乐智能在K展上带来了新型号全电动注塑机110FE，现场演示疫苗注射器的生产解决方案，为医疗行业量身打造。该型号注塑机具有精密、高效、洁净、节能，满足ISO6级洁净车间生产要求。泰瑞链接欧洲先进成型工艺技术，带来了高效节能医疗诊断类解决方案。NEO·E208c电动注塑机满足ISO 8级（10w 级）洁净室生产环境要求。其搭载TLRE-06-900HQ 自动化集成高效精密多腔模具，动作控制精度高，产品注射重复精度达0.1 %，生产300 UL 移液吸头，实现1 模48 腔的高效生产。博创携新一代全电注塑机BD130医疗解决方案亮相展会。该方案以直驱电动注塑机BD130为主体，配备iMEC智能终端，实现注塑装备实时监控，生产高效协同。

图15 国内企业展示的最新注塑机Fig.15 The latest injection molding machines exhibited by domestic enterprises

5 结语

K 展作为全球橡塑行业创新发展的风向标，不仅为业界同行从全球化视角把握经济脉动提供了参考和指导，同时也全方位地展现了行业技术前瞻性发展趋势和具体解决方案。在全球经济形势整体下行的情况下，循环经济和可持续发展有可能创造行业新的增长点。欧盟委员会要求2025年欧洲再生塑料使用量达到10 000 kt，2030年所有塑料包装都必须可回收。我国即将全面建立资源高效利用制度，实行垃圾分类和资源化利用制度，垃圾智能分类收集、转运、分拣及回收利用都将带来较大的市场空间，因此，循环经济有望成为一个持续发展的业务领域，并不断推动行业技术创新发展。此外，智能化、高效化、集成化仍是全球注塑行业当前的技术热点。从长久发展来看，伴随着新能源汽车、医疗器械和智能制造等一大波新兴制造业在国内的发展，注塑制品作为制造业的基础，市场需求将继续攀升；从发展方向来看，为适应下游产业高端化发展需求，未来传统注塑产业必将走向智能化、节能化、数字化，将信息技术应用到注塑产业以提高生产效率、降低成本、提高产品质量；从政策导向来看，随着国家碳中和、碳达峰政策的不断落实，日益严苛的环保政策和注塑产业结构的转型升级，未来注塑产业将逐渐面向高端化和可降解产品领域发展。因此，未来注塑行业充满着机遇和挑战。