塑料，曾被誉为20世纪人类最伟大的发明之一。在现代社会，塑料制品已经与人类的生产生活密不可分。从塑料袋到矿泉水瓶，从手机摄像头到电冰箱，从汽车内饰到人造卫星，塑料制品几乎无处不在。如今，生活中的塑料制品，绝大多数都由注塑机经过注塑成型工艺制造而成。本文将以塑料制品、注塑工艺为切入点，具体介绍注塑机的发展历程、结构组成、常见分类及其未来发展趋势。
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图1 生活中的塑料制品
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从塑料和注塑工艺说起
塑料是现代社会应用最为广泛的有机合成高分子材料。它是以石油或天然气为原料，经提炼、裂解成各种石化基本原料（单体）后，再经聚合反应（加成聚合或缩合聚合）而得的高分子树脂。各类塑料经过逐步加工从而衍生出各种塑料制品。
根据受热后表现出的不同性能，塑料可分为热塑性塑料和热固性塑料。其中，热塑性塑料在加热时软化、冷却时硬化，且可反复多次进行，具有可逆性，被广泛应用于医疗与生物医学、食品饮料、包装、电子和建筑等各类行业，可用于从塑料袋和薄膜包装到饮料瓶和食品容器等各种用途，在电气封装和绝缘材料、管道、静脉输液袋和一次性注射器等中也应用广泛。
与热塑性塑料相反，热固性塑料在受热后变硬，一旦固化就无法再加工，通常用于制造飞机部件（如机翼和机身结构等）、汽车零部件（如车身面板、发动机部件等）、电气元件（如电子外壳）和炊具等产品。
在注塑成型工艺中，最常见的是使用热塑性塑料。不过，由于树脂和热固性塑料的组合可作为金属和热塑性塑料的替代品，因此在注塑成型工艺中，热固型塑料也有不少应用。而且，在某些情况下，一些制造商会将这两种塑料用于制造同一产品。
所谓注塑成型工艺，简单理解就是一种先进的现代化制造工艺，它通过高温将塑料材料熔化，然后将其注入到模具中，再通过冷却形成所需形状的产品。其实现过程较为简单：首先按照所需产品的形状制作模具；接着使用高压机将熔融塑料注入模具中；然后冷却模具直至塑料凝固；一旦凝固，产品就可以从模具中取出并准备使用。
图2 注塑成型原理图
注塑成型的优点是生产速度快、效率高，操作可实现自动化，花色品种多，形状可以由简到繁，尺寸可以由大到小，而且制品尺寸精确，产品易更新换代等，可确保生产具有错综复杂的几何特征的部件。
在注塑成型工艺中，注塑机是必不可少的设备。它可将热塑性塑料或热固性塑料在塑化料筒中加热、混炼、塑化，达到熔融状态，向已经塑化好的物料施加压力，射出并注入模具型腔，经冷却固化得到成型制品。而且，注塑机的应用，对提高注塑工艺的质量和效率，乃至高质量、高效率地生产塑料制品，至关重要。
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注塑机的发展历程
与其他机械设备发展类似，注塑机的发展也遵循着从手工到自动化，从初步探索到成熟完善的基本规律。这一发展过程不仅是技术迭代的结果，也是社会需求、经济发展、能源利用、材料科学等多因素共同作用的产物。注塑技术及注塑机的发展，主要有以下重要的时间节点：
1872年，美国的J.W. Hyatt发明了一种“包装机”，用于解决硝化纤维和樟脑混合物的塑化和成型问题，这被认为是注塑技术的早期应用。
1921年，H. Buchholz制造了柱塞式机器，类似于当时的螺杆式压注机，尽管由人力驱动，但被认为是第一台可称作注射成型机的机器，标志着注塑机的机械化开始。
1926年，L.E. Shaw发明了转移成型工艺并应用于热固性树脂的加工，随后开发出了热固性树脂注塑机。同年，Eckert和Ziehler公司推出了首批系列化生产的注塑机，其中锁模过程仍然需要手工操作，但注射过程用气压完成。这台机器采用水平结构，其原理沿用至今。
1946年，James Watson Hendry建造了第一台能够更精确控制注射速度和产品质量的注塑机，该机还能在注射前混合材料，促进了彩色或再生塑料的使用。
1951年，美国开发出了第一台螺杆式注射机，这一发明对于提高塑化效率和物料的均匀混合至关重要。这种装置直到现在还在持续使用。
随着螺杆最为聚合物塑化核心部件的大规模使用，1956年世界上首台液压驱动的往复式螺杆注塑机问世，奠定了当代注塑机的基础特征。
我国于1958年制造了第一台国产注塑机，标志着中国塑料机械制造业的起步。随着塑料工业的快速发展，对塑料生产加工机械的技术、品种、规格和产量都提出了更高要求，这也促进了注塑机技术的进一步提升和多样化。
1966年，德国巴顿菲尔德公司（Battenfeld）推出以电气马达进料的注塑机，开启电气结构运用于注塑机重要单元的先河。
1994年，日本FANUC公司基于自身在电气伺服控制上的技术优势，并与美国MILACRON技术合作，推出商品化的全电式注塑机。此后，厂商纷纷跟进，全电式注塑机进入百家争鸣阶段。
随着计算机技术、自动化控制、传感器技术和物联网的发展，现代注塑机越来越趋向于高精度、高效率和智能化。全电式注塑机、电脑控制的闭环系统、远程监控和数据分析等技术的应用，使得注塑过程更加可控、节能且适应性强。
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现代注塑机的结构组成
注塑机的结构复杂而精密。目前，市面上的注塑机，主要由注射系统、合模系统、液压控制系统、电气控制系统四大系统组成，另外也包括润滑系统、加热及冷却系统、安全监测系统、加料装置等。图3展示了卧式螺杆式注塑机的结构构成。
图3 卧式螺杆式注塑机结构示意图
1-合模液压缸 2-锁模机构 3-动模固定板 4-拉杆 5-模具 6-定模固定板 7-喷嘴 8-机筒 9-加热器 10-螺杆 11-料斗 12-液压马达 13-注射液压缸 14-滑座 15-油箱 16-电动机及液压泵 17-机身
注射系统：主要由螺杆、机筒、喷嘴、料斗、计量装置、传动装置、注射座和移动液压缸等组成，其作用是将物料均匀地塑化成熔体，并以一定的压力和速度将一定量的熔融塑料注入模具型腔中。
合模系统：也称锁模装置，其作用是保证注射模具可靠地闭合，实现模具开、合动作以及顶出制件。
液压系统：主要由各自种液压元件和液压辅助元件所组成，其作用是实现注塑机按工艺过程所要求的各种动作提供动力，并满足注塑机各部分所需压力、速度、温度等的要求。
电气控制系统：主要由电器、电子元件、仪表、加热器、传感器等组成，其作用是与液压系统合理配合，可实现注射机的工艺过程要求（压力、温度、速度、时间）和各种程序动作。
加热及冷却系统：加热系统用于加热料筒及注射喷嘴。冷却系统主要用来冷却油温。
润滑系统：为注塑机的动模板、调模装置、连杆机铰、射台等有相对运动的部位提供润滑条件的回路，以便减少能耗和提高零件寿命。
安全监测系统：包括安全装置和监测系统。安全装置主要是用来保护人、机安全的装置，主要由安全门、安全挡板、液压阀、限位开关、光电检测元件等组成，实现电气—机械—液压的联锁保护。监测系统主要对注塑机的油温、料温、系统超载，以及工艺和设备故障进行监测，发现异常情况进行指示或报警。
加料装置：是指储存塑料原料和自动或手动加入到料筒中的装置。
以上是现代注塑机的基本结构，不同类型的注塑机在细节设计上会有所差异，以适应不同的生产需求和工艺要求。
04
注塑机的主要分类
注塑机的分类多种多样。常见的分类方式，包括按结构形式分、按驱动方式分以及按塑化方式分等。
表1 注塑机的主要分类
1.按结构形式分类
按结构形式分类，注塑机可分为立式注塑机、卧式注塑机和角式注塑机。
立式注塑机的特点是注射系统和锁模系统位于同一垂直中心线上。立式注塑机占地面积小；模具表面朝上，嵌件放入定位容易，容易实现嵌件成型；有利于持久性保持机械和模具的精度；在保证模具内树脂流动性及模具温度分布一致性上有优势，但加料、维修不方便，适用于注射量较小制品的生产。
立式注塑机特别适用于生产电脑数据线、连接线、电源插头线等线体包胶产品。它的机台设计有助于稳定摆放线材，提高成型稳定性，确保产品的精密性和耐用性。在服装行业，立式注塑机可用于制造塑料拉链头、绳头、纽扣、拉链绳等辅料，为衣物增添功能性与美观性，同时确保这些小部件在日常使用中的耐用度。当产品设计中需要将金属件嵌入塑料中时，立式注塑机便于操作员放置镶嵌件，提高生产效率和产品质量。
图4 立式注塑机（图源：ARBURG官网）
卧式注塑机的特点是合模系统和注射系统配置在同一水平中心线上，模具沿着水平方向打开和闭合。由于它机身低，制品顶出后可自由落下，易实现自动化，应用非常广泛。
卧式注塑机不仅可应用于零部件通常体积较大，需要较高的注射压力和精确的成型工艺的汽车配件（仪表板、门板、保险杠、格栅等）生产，也可应用于产品无毒、耐热、尺寸精确、卫生安全和功能可靠的医疗器械（注射器、输液管、手术器械手柄等）生产，还可应用于电视、冰箱、洗衣机的塑料外壳，以及手机、电脑、游戏机的外壳和内部组件生产。此外，也可应用于材料强度高、尺寸稳定的生产性塑料管道、门窗框架、地板瓷砖等建筑建材的生产。它的应用范围几乎覆盖了所有需要塑料成型的领域，其多样化的配置和尺寸能够适应从小型精密零件到大型复杂组件的生产需求。
图5 卧式注塑机（图源：KraussMaffei官网）
角式注塑机是一种特殊的注塑成型设备，其特点是注射单元与锁模系统的运动方向形成一个角度（通常为90度），而不是像卧式或立式注塑机那样共线或同轴。这种设计使得注射方向和模具分界面处于同一个平面上，非常适合于加工那些中心部分不允许有浇口痕迹或者对表面质量要求极高的平面制品，如光盘、镜片、透镜等对表面质量和透明度要求极高的光学制品。
图6 角式注塑机（图源：FOMTEC官网）
2.按驱动方式分类
按驱动方式分，注塑机可分为液压式注塑机、全电动式注塑机和液电混合式注塑机。
液压式注塑机是一种使用液压油作为传动介质，通过液压系统产生动力来完成注射、锁模、开模以及顶出等动作的注塑成型设备。尽管液压注塑机在能源效率和环保方面可能不如全电动注塑机，但由于其强大的力量输出（目前商用最大锁模力已经超过8000吨）、广泛的应用性和成熟的技术支持，液压式注塑机至今仍广泛应用于汽车零部件（保险杠、内饰件等）、家电（洗衣机、冰箱等）外壳、容器等大型塑料制品的生产，需要更高的压力和热量控制的热固性塑料（如电木、酚醛树脂）的成型，以及需要高压注射，增强制品力学性能的玻璃纤维、碳纤维增强塑料的成型。
全电动式注塑机是采用电力驱动所有运动部件的注塑成型设备，区别于传统的液压式注塑机使用液压油传递动力。全电动注塑机利用伺服电机驱动注射、合模、顶出等动作，因其高效、精密、环保的特性，特别适用于精密电子、医疗、光学等高要求领域的塑料制品生产。
液电混合式注塑机是结合了液压驱动与电力驱动两种技术的注塑成型设备。它在注塑机的不同功能模块上分别采用了液压系统和伺服电机驱动系统，旨在结合两者的优点，实现高效、节能、高精度的注塑成型过程。具体来说，液电混合注塑机通常会将液压系统用于需要大动力输出的部分，如锁模机构，以确保足够的锁模力；而使用高精度、高响应性的伺服电机驱动注射单元，以实现塑料熔体的精密注射、保压控制以及其它需要高重复精度和动态响应的动作。这样设计既保留了液压系统在力量输出上的优势，又融入了电动系统在节能、控制精度方面的长处。
3.按塑化方式分类
注塑机按塑化方式分为柱塞式注塑机、螺杆式注塑机、螺杆-柱塞式注塑机。
柱塞式注塑机是一种较为传统的塑料注射成型设备，其工作原理是利用柱塞的往复运动来完成塑料的塑化和注射过程。柱塞式注塑机以其简单的构造和对特定生产需求的适应性，在塑料加工领域占有一席之地。对于一些热敏感性塑料（如透明聚苯乙烯、聚碳酸酯）或高黏度的塑料材料，柱塞式注塑机可以更好地控制塑化过程，减少材料降解，保证产品质量。
螺杆式注塑机是一种通过加热和螺杆旋转来熔化塑料原料，并利用螺杆的前向推进将熔融塑料注入模具中，经冷却定型后生产出塑料制品的机械设备。与柱塞式注塑机相比，螺杆式注塑机在塑料加工行业中更为普遍，应用领域与卧式注塑机基本相同，尤其适合大规模生产和高精度成型应用。
螺杆-柱塞式注塑机利用螺杆塑化、柱塞注射，将两个步骤分开，旨在结合两者的优点，但也让设备本身结构更复杂化。
除了以上分类方式，按锁模力大小，可以将注塑机分为大型机（500吨以上）、中型机（100吨-500吨）、小型机（100吨以下）。锁模力是指注射时为克服型腔内熔体对模具的涨开力，注塑机施加给模具的锁紧力。体积越大的产品，生产时所需的锁模力越大。
另外，根据合膜装置的不同，注塑机可分为二板机和三板机。二板注塑机的合模装置主要有动模板、静模板、旋转螺母系统、液压顶针系统、快速移模系统和高压液压缸锁模系统。二板机因结构紧凑，通常可以实现更快的开合模速度，提高生产效率，主要应用于需要快速循环周期的大批量生产的汽配行业。三板机的合模装置主要有动模板、静模板、曲轴支撑板、曲轴锁模系统、液压顶针系统、快速移模系统和高压液压缸开模系统，由于其可以提供足够的开模距离和支撑，在生产长度较长、形状细长的制品（如管道、型材等）上具有优势。
图7 二板注塑机的合模装置
图8 三板注塑机的合模装置
总之，注塑机的类型繁多，用户需根据实际生产需求，如制品类型、生产规模、精度要求、能耗标准等，选择最为合适的注塑机。
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注塑机的发展趋势
注塑机是产量最大、使用量最多的塑料加工设备，在塑料成型设备领域占据主导地位。数据显示，在世界范围内，注塑机产值占塑料成型设备总产值的40%以上。而且，在注塑技术不断发展，以及下游行业应用需求的推动下，注塑机也正朝着电动化、二板化、协同化、定制化和智能化等方向发展。
1.小型机全电化，大型机二板化
电动注塑机的驱动系统具有高精度、可靠性高和节能等优势，使用成本较低，适合在小型制品、短注射行程的场景使用，可满足小型注塑机对精密化、高速化发展的需求。而二板机由于没有机绞机构，传动惯性小，移模油缸推力需求较小，可降低移模能耗，则是大型注塑机的发展方向。近年来，主要注塑机厂商都在围绕“小型机全电化，大型机二板化”进行产品研发和布局。
例如，在电动化方面，力劲塑机推出的全电动高效能注塑机ELETTRICA系列，其以实现高精度和高效率为设计目标，基于电动化技术和模块化配置实现了高效能、低损耗、稳定性好的优点，同时在位置精度和射出位置精度上表现优秀，且比传统液压机节能30%以上。在二板化方面，力劲塑机是较早推出两板式注塑机的制造商，其Forza系列两板式注塑机的多功能应用和个性化设计的特点，使其广泛适用于大型塑胶制品、汽车零部件以及高透光率制品的生产，并通过伺服泵和动力系统的优化配合，实现良好的节能效果。海天国际也早早围绕小型吨位注塑机电动化及大型吨位注塑机二板化的发展趋势，不断丰富自身产品组合。
2.与机器人及外围设备的协同化
在注塑机周边配备机器人/机械手系统及其他外围设备进行自动化上下料操作，实现取出成型后的塑料件并将新的模具放入注塑机等应用，不仅能提升自动化水平，提高生产效率和资源利用率，降低人工操作的时间和人力成本，也能降低工人劳动强度及工伤风险。因此，当前主要的注塑机厂商在提供各类注塑机的同时，也纷纷拓展以注塑机为核心，与机器人、多种辅助设备等紧密协同的注塑解决方案。
例如，奥地利ENGEL公司能提供与其生产的注塑机匹配的包括线性和关节式机械手、外围设备和传送技术以及夹具技术和防护装置等，并能结合其CC300注塑机控制系统实现机器、机械手和外围设备的集成控制，做到注塑机与外围设备高效协同工作，进行一站式生产操作。德国Krauss-Maffei（2016年被中国中化收购）公司提供的LRX系列机械手、捡取器SPX10、IR/IR-S系列工业机器人等甚至能与其它品牌注塑机百分百兼容，能适用于各种现场拾取与放置、流程调整需求。
3.基于特定应用场景的定制化
定制化注塑机适应了客户对塑料制品的多样化、个性化需求，能帮助企业快速响应市场变化和开发新型产品。而且，面对环保压力和可持续发展目标，定制化注塑机在设计上更注重节能减排、使用环保材料和工艺，以减少对环境的影响。因此，主要注塑机厂商在推出通用机型的同时，也着眼于特定领域及场景的应用需求，推出各类定制化机型。
例如，德库玛开发的DKM-PET瓶胚专用注塑机，可满足客户一站式多腔瓶胚注塑成型个性化需求。金鹰塑料机械开发的大型PVC管件专用注塑机，能满足客户对于纺织、化工等工业气体液体输送管、废气排污排毒塔的定制化需求。奥地利ENGEL公司开发的e-cap系列注塑机就是专门为生产封盖而生，能满足客户对各种封盖的成型需求。伊之密推出了PAC-K3系列高速包装专用注塑机，该系列机型适合成型一模多腔薄壁包装制品，具有高刚性、高射速和高精密度等优势，同时能为客户提供自动化、贴标系统等整体解决方案。
而且，除了推出特定领域及场景的专用机型，注塑机也可通过定制化安装高效的伺服节能控制系统、进行定制化螺杆设计、配备定制化的控制软件和用户界面等，满足下游客户的特定应用需求。
4.与新兴技术融合实现智能化
注塑机通过融合新兴技术，如物联网、大数据分析、人工智能、智能传感与控制等，使机器能够适应复杂的生产环境，自动优化生产参数，提高生产精度和效率。因此，推动注塑机迈向智能化，也是注塑机行业的重点发力方向之一。
例如，韩国注塑机龙头LS Mtron公司于2022年推出了基于人工智能技术的智能注塑系统，其具有2个系统——AI成型助手和智能重量控制系统。AI成型助手可在设定初始成型工艺时学习最佳条件AI，并模仿高技能成型专家的行为，从而减少稳定初始成型设置过程所需的时间。智能重量控制系统使用注塑机的软件检测产品的任何重量变化，并实时改变加工条件以修复任何偏差，满足正确的产品规格，防止有缺陷的零件产生。
在智能控制领域，伊之密用AI算法为传感器技术、伺服控制技术以及物联网通讯技术全面赋能，特别是在模具、温度、油的温度、自动化模具，以及流量控制等智能控制技术领域，给机器插上智能化翅膀，让其真正升级为智能机器。在预测性维护领域，伊之密也能基于对设备关键性能参数趋势的跟踪，建立性能参数趋势与设备故障之间的数学模型，评估设备健康状况，给出预测性维护建议。
图9 伊之密智能控制技术应用
总结与展望
在了解塑料、注塑工艺、注塑机后，我们对无限可能的塑料世界有了更深层次的认识。相信随着注塑机的不断发展，它会为我们塑造出一个更多彩，更有趣，更环保的未来。
在现代社会中，塑料制品已经与人类生产生活密不可分，注塑机也将不断进化。随着注塑机朝着小型机向电动化方向发展，大型机向二板机方向发展，与机器人及外围设备的协同化方向发展，基于特定应用场景的定制化方向发展，与新兴技术融合的智能化方向发展。注塑机将越来越匹配人们的生产活动，减轻人们的生产负荷，提高塑料制品的质量。（◼️ The End）
参考资料
1.注塑成型工艺技术指南
https://mp.weixin.qq.com/s/HutDfYwEN_hXishWkc8Wbg
2.塑化过程理论你知多少？
https://mp.weixin.qq.com/s/X76yoZwHteZ1tn06ZYFPLQ
3.这是一套完整的注塑工艺生产流程
https://mp.weixin.qq.com/s/IaDdPeoDkgX124D8Pmrqug
4.注塑机专题：下游需求逐渐回暖，技术变化催生新机遇
https://mp.weixin.qq.com/s/cMTgNzEhZBppMFmpCH_hzw
5.注塑成型：工艺、类型、材料和应用
https://www.madearia.com/zh-CN/blog/what-is-injection-molding-ultimate-guide-2022
6.国内外大型注塑机技术发展动态综述
https://mp.weixin.qq.com/s/w5Y30fZiUNq_EApaW_LCmw
7.塑料产业如何才能搭上AI的快车？
https://mp.weixin.qq.com/s/Y5F1mfM7KGNrfle5b88TIw
8.数字化技术在模压成型制造领域的创新应用
https://mp.weixin.qq.com/s/zuQ-UaNkhp6f3H1ONW-StQ
