Технологические инновации и расширение области применения продольно-резательных машин в условиях новых материалов и новых процессов

Будучи основным оборудованием в области обработки материалов, продольно-резательные машины широко используются в конечных процессах производства плёнок, фольги, бумаги, волокнистых композитов, электродов аккумуляторов и других отраслей промышленности. Их основная задача — высокоскоростная и высокоточная резка широкой основной катушки на несколько узких небольших катушек, а также обеспечение качества резки. В связи с быстрым развитием стратегически новых отраслей, таких как новая энергетика, электронная информация и гибкие дисплеи, требования к характеристикам материалов становятся всё более строгими, а появление ряда новых материалов и процессов бросает беспрецедентный вызов традиционным технологиям продольной резки, а также стимулирует глубокие инновации и расширение сферы применения технологии продольно-резательных машин.

1. Основные проблемы, возникающие в связи с появлением новых материалов и процессов

Традиционные методы резки рассчитаны в первую очередь на однородные материалы, такие как бумага и простая пластиковая пленка, но появление новых материалов произвело революцию в этой области.

1. Материалы с высокой степенью истончения и повышенной хрупкостью:

◦ Проблемы: Например, медная и алюминиевая фольга для литиевых аккумуляторов имеет толщину всего 4–6 мкм и даже меньше. Этот материал чрезвычайно тонкий, легко растягивается, мнется и рвётся, требуя исключительно высокой точности и стабильности натяжения, а малейшие колебания приведут к разрывам или образованию складок.

◦ Новые требования к процессу: прорезь после нанесения покрытия на электроды должна быть свободна от заусенцев и пыли, в противном случае это приведет к короткому замыканию внутри батареи.

2. Многослойные ламинированные и функционализированные пленки:

◦ Проблемы: например, многослойная оптическая плёнка в OLED-дисплеях, высокобарьерные упаковочные плёнки и т. д. Эти материалы состоят из различных компонентов (ПЭТ/ПА/АЛ/КПФ и т. д.), и коэффициент трения, предел прочности на разрыв и твёрдость каждого слоя значительно различаются. При продольной резке легко возникает расслоение, извилистость (смятие) или внутренние напряжения из-за неравномерного натяжения, что влияет на последующую обработку и эксплуатационные характеристики.

◦ Новые требования к процессу: необходимо избегать повреждения функциональных слоев (таких как оптический клей и барьерный слой) путем снятия термических напряжений.

3. Высокоадгезионные клеевые материалы:

◦ Проблемы: различные защитные плёнки высокой вязкости, двусторонние скотчи, оптические клеи OCA и т. д. Во время резки может легко произойти перенос клея (липкие ножи), загрязняя края и лезвия материала, что приводит к низкому качеству резки или даже к невозможности непрерывного производства. Простои, связанные с очисткой, длительны и неэффективны.

◦ Новые требования к процессу: необходимо решить проблемы предотвращения прилипания и точной резки на фиксированную длину.

4. Высокопрочные волокнистые композиты:

◦ Требования: например, углеродное волокно, стекловолоконный препрег, арамидная бумага и т. д. Материал обладает высокой твёрдостью и износостойкостью, что приводит к чрезвычайно интенсивному износу лезвия. В то же время, контроль над стружкой и пылью крайне важен, так как в противном случае это повлияет на чистоту и эксплуатационные характеристики изделия.

◦ Новые требования к процессу: оборудование для продольной резки должно обладать чрезвычайно высокой жесткостью и износостойкостью, а также эффективной системой пылеудаления.

5. Требования к интеграции процессов:

◦ Задача: Новый процесс обеспечивает высокую эффективность и стабильность, позволяя органично объединить продольную резку с онлайн-проверкой, намоткой, упаковкой и другими процессами для создания интеллектуальной производственной линии. Это предъявляет повышенные требования к возможностям автоматизации, информатизации и совместного управления продольно-резательным станком.

2. Систематическое усовершенствование технологии продольной резки

Для решения вышеуказанных задач современная технология продольно-резательных машин претерпевает комплексные инновации, которые в основном отражаются в следующих аспектах:

1. Сверхточная система контроля натяжения:

◦ Инновация: Применение сервопривода вместо традиционной магнитопорошковой муфты. Обратная связь в режиме реального времени об изменении диаметра рулона осуществляется с помощью энкодера высокого разрешения, а адаптивные алгоритмы (например, нечёткое ПИД-регулирование) обеспечивают полный контроль натяжения на всех этапах процесса: от размотки и тяги до намотки. Точность регулирования натяжения достигает ±0,5% и выше, что обеспечивает стабильность ультратонких материалов при высокоскоростной резке.

2. Технология интеллектуальных лезвий и решения для резки:

◦ Инновации:

▪ Материал инструмента: сверхтвердое покрытие (например, алмазное DLC, нитрид титана TiN), керамическая вставка или поликристаллическая алмазная вставка (PCD) для резки композитов и износостойких материалов, что значительно продлевает срок службы инструмента.

▪ Конструкция ножей: разработка специальных лезвий для различных материалов, например, лезвий с антипригарным покрытием для клейких материалов, круглых ножей с малыми углами трения.

▪ Режим привода: Сервоуправление осью резака стало стандартом, что позволяет реализовать «летучую резку» (синхронизированную резку инструмента во время обработки материала), точный контроль глубины резания и подавление вибрации для обеспечения плавной резки без заусенцев.

▪ Нож с воздушной подушкой (нож с воздушной подушкой): используется для резки особо чувствительных материалов, через воздушную пленку, обеспечивая бесконтактную резку материала и лезвия, полностью исключая царапины и пыль.

3. Интеллектуальная система контроля работы и состояния:

◦ Инновации:

▪ Машинное зрение (AOI): интегрированная онлайн-система обнаружения дефектов поверхности для мониторинга заусенцев, полос, пятен, складок и других дефектов в процессе резки в режиме реального времени, а также может автоматически маркировать или связывать систему сортировки.

▪ Интеллектуальная намотка (IRC/IBC): использует полную сервонамотку с усовершенствованным алгоритмом кривой намотки, автоматически рассчитывает и регулирует давление, крутящий момент и скорость, идеально контролирует твердость катушки и позволяет избежать смятия сердечника, образования хризантемы и других недостатков.

▪ Прогностическое обслуживание: датчики отслеживают такие параметры, как износ лопастей, вибрация подшипников и нагрузка на двигатель, а также используют анализ больших данных для прогнозирования времени отказа, обеспечения раннего оповещения и сокращения незапланированных простоев.

4. Модульная и специализированная конструкция:

◦ Инновации: машины для продольной резки — это уже не просто универсальное оборудование, а специализированная модульная конструкция, разработанная с учётом характеристик материала. Например:

▪ Машина для резки полюсов литиевых аккумуляторов: отличается отсутствием пыли, металла, взрывобезопасностью, оснащена высокочастотной вакуумной системой и антистатическими мерами.

▪ Оптическая машина для резки пленки: особое внимание уделяется чистой среде, сверхнизкому контролю натяжения и антистатической намотке.

▪ Машина для резки ленты: оснащена специальными направляющими роликами с антипригарным покрытием, силиконовыми роликами и системами холодных ножей.

3. Расширение областей применения

Технологические инновации напрямую расширяют границы применения машин для продольной резки:

1. Новая энергетика: в настоящее время это область наиболее активного роста. Резка электродов литиевых аккумуляторов (анод/катод) является основой производства, и точность, чистота и надежность оборудования для резки являются важнейшими. Кроме того, для производства протонообменных мембран водородных топливных элементов, мембран для подложки фотоэлектрических систем и т.д. также требуется высокопроизводительное оборудование для резки.

2. Гибкая электроника и области отображения: гибкие подложки дисплеев OLED (пленка PI), сенсорные экраны (пленка ITO), прозрачные проводящие пленки и т. д. требуют резки в среде с уровнем защиты от пыли 100/1000, чтобы гарантировать отсутствие пыли, царапин и статического электричества.

3. Высокотехнологичные области упаковки: высокобарьерная упаковка для пищевых продуктов, фармацевтическая упаковка, антистатическая экранирующая упаковка для электронных продуктов и т. д., где необходимо резать многослойные композитные пленки, не нарушая их структурную целостность.

4. Новая область полупроводниковых материалов: прецизионная резка вспомогательных материалов для полупроводников, таких как пленка для шлифования пластин, лента для резки пластин, полировальные круги для ХМП и т. д.

5. Передовые области материалов: Подготовка и обработка новых материалов, таких как пленки из углеродных нанотрубок, графеновые пленки и аэрогелевые материалы, также стали требовать индивидуальных решений по прецизионной резке.

Выводы и перспективы

Новые материалы и процессы — это одновременно и вызов, и движущая сила развития технологий продольной резки. В будущем продольно-резательная машина будет представлять собой не просто механическое изделие, а высокоинтеллектуальную систему, объединяющую прецизионное оборудование, интеллектуальное управление, сенсорные технологии, большие данные и искусственный интеллект.

Тенденции его развития будут сосредоточены на:

• Экстремальный: Испытание на более высокую скорость, меньшую ширину и большую точность.

• Интеллектуальный: реализовать самовосприятие, самостоятельное принятие решений, самостоятельное исполнение и адаптивное «беспилотное» интеллектуальное производство.

• Интеграция: глубокая интеграция с восходящими и нисходящими процессами, становясь незаменимым цифровым узлом для интеллектуальных заводов.

Только непрерывные технологические инновации способны удовлетворить всё более растущие потребности в обработке материалов и, таким образом, поддержать активное развитие стратегически важных отраслей. Инновации в технологии продольно-резательных станков – это микроскопический и глубокий микрокосм перехода Китая от «производственной державы» к «интеллектуальной производственной державе».