Три вытесняемые технологии
Чтобы понять, почему ультразвуковая технология побеждает, необходимо понять три традиционных метода, которые она заменяет:
Механическое шитье (игла и нить) — самый старый метод, который до сих пор наиболее широко используется во всем мире. Нить проходит через слои ткани, создавая механический челночный стежок. Этот метод работает с любым типом ткани, но создает перфорацию, расходует нить как текущие затраты, а скорость ограничена механическим циклом сборки иглы.
Склеивание клеем-расплавом — термический метод, при котором расплавленный клей наносится между слоями материала, а затем охлаждается для создания соединения. Широко используется в производстве подгузников и гигиенических прокладок. Этот метод создает прочные соединения, но требует использования клея в качестве расходного материала, включает в себя системы подогрева со сложным контролем времени и температуры, а также вводит в изделие посторонний материал (клей).
Термическое каландрование — слои материала проходят между нагретыми валками, которые плавят и сплавляют термопластичные волокна в точках контакта. Используется для ламинирования нетканых композитов. Этот метод эффективен, но энергозатратен (должна быть нагрета вся масса валков) и создает более жесткое изделие, чем ультразвуковая сварка, поскольку тепло воздействует на более широкую область, чем только точки соединения.
Ультразвуковая технология заменяет каждый из этих методов в различных областях применения, как подробно описано в следующих разделах.
Домен 1: Замена механического шитья
Замена механического шитья ультразвуковой сваркой наиболее прогрессивна в производстве нетканых изделий и быстро прогрессирует в текстильной промышленности, где материал содержит достаточное количество термопласта.
Причины, по которым ультразвуковая сварка доминирует в производственном оборудовании в этой области, убедительны и кумулятивны:
Скорость — станция ультразвуковой сварки работает со скоростью, с которой материал может подавать через нее — нет механического цикла, ограничивающего производительность. Ультразвуковые швейные машины Changpu работают со скоростью 10-50 метров в минуту в зависимости от материала, по сравнению с 5-15 метрами в минуту для промышленных машин челночного стежка при типичной плотности стежка. Преимущество в пропускной способности обычно составляет 2-3 раза.
Устранение потоков. Нити — это повторяющиеся расходные материалы, которые никогда не исчезают. Для фабрики, производящей 10 000 хирургических халатов в день при 150 метрах нити на каждый халат, годовой расход ниток составляет примерно 550 000 километров — этого достаточно, чтобы обернуть Землю 13 раз. Стоимость этой нити, а также операционные накладные расходы на управление запасами, подбор цветов и простои, связанные с поломкой, устраняются за счет ультразвуковой сварки. За 5-летний срок службы машины одна только экономия ниток может превысить покупную цену машины.
Устранение игольных отверстий — каждая точка стежка представляет собой перфорацию. Для продуктов, требующих барьерных свойств — хирургических халатов, водонепроницаемой одежды, пуховых курток — эти перфорации являются функциональными дефектами, которые необходимо устранять путем дополнительной обработки (проклейки швов) или принимать как ограничения производительности. Ультразвуковая сварка не создает перфораций, сохраняя барьерные свойства материала.
Качество шва — ультразвуковые швы плоские, мягкие и однородные. Сверху нет выступающей линии стежка, снизу нет петельной нити, а также нет изменений натяжения нити, вызывающих сморщивание или сборку. Для продуктов, контактирующих с кожей, это означает комфорт. Для технических продуктов это означает стабильную производительность.
Область 2: Замена клея-расплава
В индустрии гигиенических товаров (гигиенических прокладок, подгузников, изделий для взрослых, страдающих недержанием) ультразвуковая сварка все больше бросает вызов доминированию термоплавких клеевых систем. Ультразвуковая технология Чанпу, заменяющая традиционные методы производства нетканых материалов, особенно очевидна в этом сегменте.
Устранение затрат на клей. Термоплавкий клей требует значительных эксплуатационных расходов. Одна линия по производству подгузников, работающая со скоростью 500 подгузников в минуту, может потреблять 200 000–400 000 долларов США на клей в год, в зависимости от конструкции подгузника и схемы нанесения клея. Ультразвуковая сварка полностью исключает эти затраты.
Упрощение системы. Системы термоклея представляют собой сложные подсистемы в рамках производственной линии: блоки хранения и плавления клея, шланги с подогревом, насадки для нанесения, регуляторы температуры и элементы управления рисунком. Каждый из этих компонентов требует обслуживания и может выйти из строя. Ультразвуковые системы являются автономными — генератор, преобразователь, усилитель, звуковой сигнал — без подогрева трубопроводов, засорения сопел и работы с клеем.
Скорость запуска. Системы термоклея требуют времени для прогрева — обычно 15–30 минут — прежде чем клей достигнет температуры нанесения и вязкости. Производство не может начаться, пока система не будет готова. Ультразвуковые системы готовы к работе уже через несколько секунд после включения. Для производственных линий, которые часто останавливаются и запускаются (из-за смены смен, замены материалов или технического обслуживания), эта разница приводит к значительным потерям производственного времени.
Ощущение продукта — клей придает изделию жесткость. Клеевой слой, даже при нанесении тонкими узорами, меняет ощущение материала на руке. Ультразвуковая сварка не создает дополнительной жесткости, поскольку между склеенными слоями нет посторонних материалов. Для продуктов, где мягкость является определяющим фактором потребительских предпочтений (гигиенические прокладки, детские подгузники), эта разница коммерчески значительна.
Область 3: Замена термического каландра
При ламинировании нетканого материала — соединении нескольких слоев нетканого материала в композитный материал — ультразвуковая сварка начинает конкурировать с традиционным термическим каландром.
Энергоэффективность. Термические каландры нагревают большие стальные валки до температуры 130–180°C, потребляя значительную энергию для постоянного поддержания температуры склеивания массы валков. Ультразвуковая сварка генерирует тепло только в точках соединения, только в момент склеивания — энергия применяется именно там и тогда, когда это необходимо. Потребление энергии обычно на 50-70% ниже, чем у эквивалентных термокаландров.
Качество продукции. Термическое каландрирование подвергает все полотно материала воздействию повышенной температуры и давления при его прохождении между валками. Это может привести к непреднамеренному плавлению волокон, истончению материала и повышению жесткости за пределами точек соединения. Ультразвуковая сварка воздействует только на область склеивания, оставляя окружающий материал при температуре окружающей среды и сохраняя его первоначальные свойства.
Гибкость рисунка. Изменение рисунка скрепления на термокаландре требует замены гравировального валика — тяжелого и дорогого компонента, требующего простоя оборудования для замены. Изменения ультразвуковых схем могут быть достигнуты путем настройки параметров для некоторых схем или относительно быстрой замены рупора для других. Преимущество гибкости важно для производителей, производящих несколько продуктов на одной линии.
Аспект устойчивого развития
Фактором, ускоряющим внедрение ультразвуковых технологий во всех трех областях, является устойчивость. Будущее завода по производству нетканого ультразвукового оборудования в Цзянсу Чанпу тесно связано с растущей важностью экологических показателей при принятии решений о производстве оборудования.
Конструкция изделия из одного материала: ультразвуковая сварка позволяет изготавливать изделия из одного типа полимера, поскольку она сваривает материал сам с собой, а не вводит посторонний связующий агент. Нетканое изделие, полностью изготовленное из полипропилена и скрепленное ультразвуком, в принципе может быть переработано как единый поток полимера. Продукт, который вводит термоплавкий клей (обычно на основе ЭВА или каучука) или хлопковую нить в полипропиленовую структуру, создает поток смешанных отходов, который трудно или невозможно переработать экономически.
Энергоэффективность: точечно-энергетический характер ультразвуковой сварки — применение энергии только там и тогда, когда это необходимо — по своей сути более эффективен, чем системы, которые нагревают большие массы (термические каландры) или постоянно поддерживают температуру расплавленного материала (системы горячего расплава). Поскольку затраты на электроэнергию растут, а учет выбросов углерода становится все более распространенным в управлении цепочками поставок, это преимущество эффективности становится критерием закупок.
Сокращение отходов: точная и контролируемая подача энергии ультразвуковой сварки снижает производственные отходы. Меньше материала повреждается при чрезмерном нагревании. Меньшее количество продуктов отклоняется из-за проблем с качеством облигаций. Меньше отходов образуется во время запуска и остановки. Эти сокращения, хотя и небольшие в процентном отношении, накапливаются в значительных абсолютных объемах в высокопроизводительных производственных средах.
Остающиеся препятствия на пути усыновления
Несмотря на то, что ультразвуковая технология явно находится на пути к тому, чтобы стать доминирующим методом склеивания в производстве нетканых материалов, на пути к ее полному внедрению остаются препятствия:
Ограничения по материалу: ультразвуковая сварка требует содержания термопласта в материале — обычно 50% или более. Изделия из натуральных волокон (100 % хлопок, 100 % шерсть) нельзя склеивать ультразвуком. Это ограничивает применимость технологии в одежде премиум-класса и некоторых сегментах текстиля, в которых используются натуральные волокна.
Капитальные затраты: первоначальная закупочная цена ультразвукового оборудования выше, чем у эквивалентных механических швейных машин. Окупаемость достигается за счет экономии расходных материалов и увеличения пропускной способности, однако более высокие первоначальные затраты могут стать барьером для производителей с ограниченным капиталом или короткими инвестиционными горизонтами.
Недостаток знаний и навыков. Многие руководители производства и операторы станков имеют многолетний опыт работы с механическими швейными или термоплавкими системами и ограниченно используют ультразвуковые технологии. Переход требует инвестиций в обучение и готовности учиться управлению процессами на основе параметров, а не механической регулировке.
Восприятие на некоторых рынках. На некоторых рынках одежды видимая строчка ассоциируется с качеством и мастерством. Потребители, незнакомые с ультразвуковой сваркой, могут воспринимать продукцию без видимых швов как более низкокачественную. Этот барьер восприятия со временем разрушится, поскольку ультразвуковые устройства станут более распространенными.