《中华纸业》 总第526期 论文下载
免切边纸浆模塑制品的生产成本研究
郑天波，金坤，张金金，贺林林
浙江欧亚联合装备集团有限公司 浙江 杭州 31004中国
摘要 ： 为了系统研究分析免切边纸浆模塑制品的生产成本，课题组研究了免切边的纸浆模塑制品的生产模具设计、模具加热系统的设计、模具的维护保养等对生产成本的影响。依据热彭胀理论分析免切边的纸浆模塑成型模具制造方式，对比生产实践中免切边纸浆模塑制品生产模具的结构要求，总结免切边纸浆模塑制品生产模具的设计总体要求。从免切边纸浆模塑制品的产量、能耗、模具成本、维护成本、产品质量和合格率等方面，对生产成本进行全面计算和分析。分析结果表明：同样大小的模具安装面的条件下，免切边纸浆模塑制品的产量明显低于切边制品，免切边制品的模具成本和维护成本远远高于自动切边制品的模具。免切边制品的废品率较高。所以不管从产量、质量、成本、模具的互换性等方方面面分析，纸浆模塑免切边制品明显不占优势，并存在初入行者所无法预知的重大生产问题。
在禁塑的大背影下，纸浆模塑产品因其环保、可自然降解、干净漂亮的外观被越来越多的行业领域所采用，用途越来越广宽。特别是在食品包装和餐饮具行业已经得到了广泛的应用。
由于食品包装和餐饮具行业所用的纸浆模塑制品主要是采用湿压法制作工艺。制品边缘往往会凹凸不齐且带有一定的毛刺，通常采用切边的方式把废边切除，达到制品边缘光洁整齐的效果。
如果能做到免切边，就能省掉切边工序而且还省去切下的边料，降低生产成本。但20多年实践证明，免切边的纸浆模塑餐具制品质量较差且不稳定、产品合格率低,而且免切边纸浆模塑制品的成本很高。免切边纸浆模塑制品的成本可以降低只是幻觉。
课题组从免切边的纸浆模塑制品的模具设计、产品排布、产量、热效率、模具成本、加热板成本、加热方式、换模效率、模具维护成本等方面进行全面分析计算，为纸浆模塑制品的模具设计和生产方式的选择提供参考。
1 纸浆模塑制品的生产过程：
一定浓度的浆液中，加入适量的助剂，吸滤成型模具把浆液中的纤维制成湿坯，经热压定型模具对湿坯进行加压加热，使湿坯成为干燥制品，切除制品不整齐的多余边缘，从而获得所需形状制品。这是一种湿压法制作纸浆模塑制品的过程。
具体分为三个步骤：（1）吸滤成型模具吸附植物纤维制作湿坯，（2）通过热压定型模具对湿坯进行加压加热，使湿坯成为干燥制品，（3）把制品多余的边缘切除，切除的多余边缘被粉碎后再被重复利用。
1.1 免切边的定义
所谓免切边就是不经过机械切边工序而达到与切边同样效果的工艺。由于以前的许多纸浆模塑制品生产设备自动化程度低下，无法做到自动切边和自动打孔，都要进行手工切边，手工打孔（侧打孔），所以出现了一些免切边的纸浆模塑制品。
1.2 纸浆模塑热压定型模具的热膨胀
湿压法制作纸浆模塑制品的过程中，吸滤成型模具始终保持室温状态，称作冷态模具。热压定型模具工作时处于170℃-190℃的工作温度，是热态模具。热胀冷缩，热压定型模具从冷态变成热态时，模具会热彭胀变大，制品的尺寸和中心距也因热胀而变大。
1.3 模具热膨胀量的计算方法及分体式模具和分体加热板
按公式（1）计算金属长度膨胀量ΔL：
ΔL=ɑ·L(t2-t1) ……………………………（1）
式中：
ΔL——金属长度膨胀量，单位为mm；
ɑ ——热膨胀系数，单位为mm/mm·℃；
L ——金属长度，单位为 mm；
t1 ——周周围空气温度，单位为 ℃
t2 ——金属温度，单位为 ℃
通常模具温度为，180℃-200℃，周周围空气温度30℃，模具材料通常为铜或合金铝的热膨胀系数是恒定的，(t2-t1)变化也不大，ɑ(t2-t1)可以用系数k来代替,按公式（2）计算金属长度膨胀量ΔL：
ΔL = k·L ……………………………（2）
式中：
ΔL——金属长度膨胀量，单位为mm；
k——简化热膨胀系数，单位为mm/mm，也可称之为热膨胀百分比 ；
L——金属长度，单位为 mm；
根据经验，铜模具和铜加热板的简化热膨胀系数，k=0.3%；铝模具加热板的简化热膨胀系数，k=0.4%。
而常规模具的大小900-1200之间mm，也有模具的大小1500×1500、1850×1850的大台面纸浆模塑成型机。
根据公式（2），如果铝模具的大小为900，则ΔL=k·L=0.4%×1000=3.6mm；如果铝模具的大小为1200，则ΔL=k·L=0.4%×1200=4.8mm；也就是说，1000×1000的铝模具，长度膨胀量ΔL=4 mm。
如果铝模具的大小为1500×1500，则ΔL=k·L=0.4%×1500=6mm；如果铝模具的大小为1850×1850，则ΔL=k·L=0.4%×1850=7.4mm；。也就是说，1500×1500的铝模具，长度膨胀量ΔL=6 mm；1850×1850的铝模具，长度膨胀量ΔL=7.4 mm。
由此可见，整体加热板和整体模具的热膨胀量是比较大的，任何采用整体加热板的模具都会出现制品的大小边现象，免切边制品根本无法做到比较整齐的边缘效果。免切边的成型模具必须采用分体式模具和分体加热板。
1.4 模具热膨胀与免切边效果的相关性
因为整体加热板的加热膨胀会导致热压模具上的制品型腔的中心距变大，所以热压模具的制品型腔的中心距大于吸滤成型模具的制品型腔的中心距。虽然，在模具设计时可以进行预先控制，但由于制品品种多样，无法达到加热后的热压模具上的制品型腔的中心距与吸滤成型模具的完全一致。这就会导致热压定型后的制品的边缘大小不均匀，行业内称之为大小边。通过边缘的切除可以保证制品的边缘大小一致，堆叠在一起时非常整齐。但免切边制品的大小边导致制品边缘的不整齐。模具热膨胀量越大，制品边缘越不整齐。为达到较整齐的制品边缘，需要控制模具热膨胀量。
1.5 免切边制品需采用分体式加热板和分体式模具
由于免切边制品需采用分体式加热板和分体式模具，分体模具和分体加热板只适合某一特定制品，通用性很差。更换模具时必须同时更换加热板。而加热板的价格几乎与模具的费用相同。所以，免切边制品的模具费用很高，几乎是整体模具费用的2倍。模具费用高导致制品成本分摊很高。
2 “免切边”纸浆模塑制品的生产成本影响因素
2.1 吸滤成型的真空消耗
免切边的生产过程中，在吸滤成型时采用的浆的浓度很低，如果浆的浓度较高，免切边效果就很差，毛边严重。所以生产免切边制品时，浆的浓度比切边的低很多。一般地，切边制品浆的浓度：4-5%；免切边制品2-3%。同样生产1吨制品，真空吸滤成型时的排水量要增加很多，几乎达到2倍或以上。也就是说生产免切边制品要消耗的真空量比切边制品大得多。真空耗能是纸浆模塑生产过程的主要能耗之一。
2.2 包装、运输成本
免切边工艺为了达到减少毛边的效果，在热压合模时，要经过较长时间的虚压过程，否则就出现“炸边”现象或较多毛边。所谓“虚压”就是热压合模时，上下热压模具在合拢时先不压紧，对模具内的“湿坯”进行一定时间的烘烤，等“湿坯”被烘烤到一定干度后，再施加合模力进行热压定型。
这一虚压烘烤过程浪费了很多热量，另一不良后果就是制品的密实度很低。比如同样300个10寸圆盘制品叠在一起，免切边制品比正常的制品要高出30-50CM，大大增加了包装、运输成本。
2.3 原料的特殊要求对成本的影响
免切边制品的原料问题，根据多个使用过免切边生产的厂家反馈，采用蔗渣浆、麦草浆等100%草浆无法达到等免切边效果，要加入一定量的木浆进行调浆，方可达到一定效果。
2.4 免切边的分体式加热板的通用性与互换性很差导致模具成本很高和制品的成本显著增高
一台纸浆模塑生产设备通过更换模具的方式可以生产许多种产品。更换一付模具就可以生产一种新的产品。生产纸浆模塑食品包装或餐具产品，因为种类多，制品式样繁杂。更换模具的可能性也很大。所以要求模具价格低，尽量减少模具的更换部分，尽最大可能保留模具的通用部分。决定制品形状的模具型腔部分是必须更换的，模具的加热板及加热板下面的真空腔体可以通用。采用整体加热板是通用性最好的，分体加热板越小越不通用。所谓分体式加热板，就是分成小块的为分体式模具单配的模具加热板，通用性是一个大问题，也就是说，分成小块的为分体式加热板基本上是某一单一制品专用的，更换模具需要同时更换分体式加热板和真空腔体，所以更换模具的成本很高。
分体模具和分体加热板只适合某一特定制品，更换模具时必须同时更换加热板。更换模具时必须同时更换加热板。而加热板的价格几乎与模具的费用相同。所以，免切边制品的模具费用很高，几乎是整体模具费用的2倍。模具费用高导致制品成本分摊很高。
2.5 分体式模具和加热板导致制品排布数量的减少和产量的严重降低
更换一付模具就可以生产一种新的产品。更换的东西越多，模具的成本超高。分体式模具包含专用的加热板，只适合某一特定制品，更换模具时必须同时更换加热板。而加热板的直接成本几乎与模具本身的成本相同。
按加热方式分，加热板主要分为电加热和导热油加热二种方式。所以，加热板也分为“电加热板”和“导热油加热板”。电加热板，包含插入在加热板内的许多根电加热管；导热油加热板，内设导热油回路，外部与导热油管道连接。
分体式电加热板，在每一小块加热板都需要插入一定数量的电加热管，要把电线通到每一块加热板，所以分体式电加热板之间需要保持一距离；
分体式导热油加热板，则每一块分体的导热油加热板都内设导热油回路，分体式导热油加热板之间需要采用管道相互连接，而且要有最小弯曲半径，所以分体式导热油加热板之间的距离更大。
分体式电加热板和分体式导热油加热板之间需要保持的距离，造成机器可生产制品数量的减少，导致产量的严重减少。
2.6 分体式加热板的维护和更换非常麻烦，成本很高
分体式电加热板，在每一小块加热板都需要插入一定数量的电加热管，所以电加热管数量远远大于整体式电加热板。电加热管有一定的使用寿命，分体式电加热板更换电加热管的机率比整体式电加热板大得多。因为需要位于中间的这些分体式电加热板的电加热管，难度要大很多；停机的时间要大得多。每块分体式电加热板及其电加热管，相互之间的规格尺寸都是不一样的，没有互换性，电加热管备件非常多，管理成本很高。
分体式导热油加热板，则每一块分体的导热油加热板都内设导热油回路，由于加热后的热膨胀，连接分体式导热油加热板之间的管道很容易漏油。
更换分体式加热板也是非常耗费时间的工作。因为需要拆下模具、分体式加热板、电线、与之连接的导热油管等。所以免切边制品的模具变更非常麻烦，更换模具的时间长、人工成本很高。
2.7 免切边制品的废品率较高
由于黄边、黑边现象经常发生，免切边制品的废品率较高，明显提高了生产成本。
2.8 免切边制品较低下的综合产量对成本的影响
根据上述分析，以下因素导致免切边的产量比非免切边的要低下。（1）免切边工艺的排水量大，吸滤时间长，导致产量降低；（2）较长的虚压过程导致产量降低；（3）分体式模具和加热板导致制品排布数量的减少和产量的严重降低；（4）免切边制品的低下的合格率导致产量降低。产量低下，必然导致成本升高。
3 质量比较
纸浆模塑制品中，有大量的掀盖式的锁盒, 锁盒由盒盖和盒体二部分组成，标签锁定系统把掀盖式的盒子盒盖和盒体锁在一起。标签锁定系统需要在掀盖盒子的底盒侧面开一个或二个窄长孔。小尺寸有一个标签锁，大尺寸有两个。自动切边的纸浆模塑生产设备是在制品热压定型后冲切出这些窄长孔，窄长孔整齐漂亮性能好。
免切边加工方法制作窄长孔的方法，标签锁的窄长孔在吸滤成型时形成，经过热压干燥定型后，制品保留了这些窄长孔。但是这样的窄长孔在侧面上很难制作，容易变成宽度很大的宽长孔。宽度很大的宽长孔严重影响标签锁定系统对掀盖式的盒子的密封效果。免切边加工出来的宽长孔周围存在很多容易脱落的碎纤维，既影响使用又不卫生。如果用于食物容器可能会招来使用者的投诉。
4 结束语
从真空消耗量、包装运输成本、原料成本、模具成本、维护成本、制品产量、制品质量等多方面综合分析，免切边制品的生产成本比自动切边制品的生产成本要高，据统计，免切边制品的生产成本高出切边制品20%左右。
“免切边的纸浆模塑制品生产成本低”和“免切边的纸浆模塑制品制造过程简单”，都是初入行者的认识误区。
使用过免切边方式来生产纸浆模塑餐具制品生产的厂家有：山东省的邹城市的一个工厂、广东绿洲公司、广西南宁市的侨旺公司、马来西亚的一些工厂等多家纸浆模塑制品生产企业。但最终都这些公司都增加了切边机，对制品进行切边处理。广东绿洲干脆把买来的免切边设备全部拆除，不再使用。这些都是过去的经验和教训。
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