ESP 板材切割设备发展现状及趋势

01 引言

EPS 板材的拼接主要分为直拼式和承插式两种形式，相对于直拼式的拼接方式，承插 式拼接具有更好的牢固性和保温效果，承插式板材三维图示，见图 。但由于承插式的 造型比较复杂，目前的生产工艺主要采用 EPS 板材注塑加工成型，EPS 板材注塑加工成型 是以可发性聚苯乙烯为原料经事先预发泡（一次发泡）、干燥、熟化处理后，由 EPS 板材 机自动将预发泡后的珠粒料送入模腔内， 然后通入蒸汽加热进行二次发泡， 保温熔结成型， 再经排气冷却定形后，由顶出杆将制成品顶出模具 ，但制作成本较高、生产效率很低， 无法在相关行业得到推广和广泛应用。可通过热熔丝切割的方式来批量生产承插式的 EPS 板材， 解决遇到的问题。但在切割过程中需要综合控制物料在送料导轨上的运行速度， 电 热熔丝切割时的行进速度、电热熔丝通电时的电流大小（进而控制温度变化），电热切割 丝的张紧度等因素，才能得到最好的切口质量和成形效果。

图  承插式泡沫板材三维图示

02 EPS 板材切割的设备的发展现状

目前市场上专门用于 EPS 板材造型切割的设备主要有片块样式切割机设备、装饰用线 条类切割设备、仿照形状类数控切割设备及相关的注塑设备等,见图。

2.1 EPS 板材片块样式切割设备

片块样式切割设备机械结构简单， 功能单一，精度低， 仅用于具有水平接口的块状板 材的切割。

2.2 EPS 板材装饰用线条类切割设备

装饰用线条类切割设备切割的主要型体为建筑檐线、脚线及板材的燕尾槽等型体， 由 于市场上的装饰线条切割机沿用了普通龙门式切割机的结构，导致其切割效率较低。

2.3 EPS 板材仿照形状类数控切割设备

仿照形状类数控切割设备是为了欧式构件而专门设计的切割机械， 主要生产 EPS 造型 的锥体、球体等三维异形， 市场需求量微乎其微。只能切割时只能使用单根切割丝， 其加 工的效率不是很高。

2.4 承插式 EPS 板材注塑设备

实现了承插式 EPS 板材的生产， EPS 板材四个侧面都具有承插接口， 板面具有燕尾槽， 有效防止建筑外墙保温层出现开裂、空鼓、脱皮和内墙面返潮、结霜等工程质量通病， 极 大地提高了外保温层的耐久性。但是注塑工艺的生产设备的价格昂贵， 且每种板材都需要 有一套单独的模具， 使产品规格灵活性较低， 整套的生产设备费用将高达数十万元乃至上 百万元，导致生产出来的承插式板材价格居高不下，难以大规模推广。

 图  市场上的 EPS 板材切割机

03电热切割丝技术的的国内外研究现

3.1 电热切割丝技术的国外研究现状

目前 EPS 塑料的二维电热切割造型技术已经有了长足的发展和进步， 但是三维复杂造 型切切割技术还发展得不是十分完善。国外的很多科研机构和研发公司对电热切割丝技术 的研究投入了大量的财力和人力， 但是取得的成果不是很多。黎巴嫩美洲大学的五轴联动 机器人切割系统(Mode1Angelo) ，不需要进项分层切割的操作过程，就直可接加工出相 应的三维造型。韩国先进科学技术研究所研发 出了可改变层厚的快速成形系统 (VLM-st) ，该系统可根据实体的外形尺寸，首先切割出不同厚度的薄板，然后用可安装 在不同角度位置的电热切割丝， 利用计算机进行方向和脉冲的控制， 切割出不同位置关系 的轮廓， 最后将切割好的实体拼装成需要的实体。这两个系统均没有进入实际生产， 进入 市场，只是在实验室进行了实验和验证。美国 Croma 公司、Hotwire Direct 公司和波兰 的 MEGAPLOT公司的数字化加工 EPS 制品实现了二维加工， 并制成了商品， 但仍存在设备 结构复杂、价格昂贵，不能完成真实三维形状的快速加工等问题。Jouaneh 等科研人员 研究了五轴门式机器人加工系统， 将几种提前加工好的具有基本几何外形的电热切割丝的 模具组合成不同安装方式， 完成对聚苯乙稀泡沫塑料模三维形状的简单切割造型， 这种技 术对于三维结构表面的加工能力受限于电热切割丝模具的几何外形， 致使一些复杂造型切 割无法完成。Broek 等科研人员对于制作大尺寸聚苯乙稀泡沫塑料模型，提出了修正柔 性模具形状的厚层分层加工的相关思想， 但是这种技术需要非常复杂的算法和程式， 模具 形状的修正需要很高难度， 设备成本高昂和复杂加工的能力较差是目前这项技术仅停留在 实验室阶段的瓶颈的关键因素。

3.2 电热切割丝发展的国内研究现状

国内对于电热丝切割技术的研究获得了一定的进展。一些企业中已经有电热丝切割机 的成品面向市场出售， 一些先进设备利用了数字控制技术， 对二维平面图形进行加工， 但 对三维加工仍然存在困难。如泊头市明泽数控机械厂的数控全自动 EPS 线条电热丝切割机，使用计算机控制，可加工 CAD 图形或字体的 3B 代码，仅可以实现二维加工，但仍需 要手动方式控制电热切割丝的温度。国内大专院校对于电热切割丝技术的研究也开展的比 较普遍。例如： 中国矿业大学研究了低成本 EPS 盲孔仿形切割系统， 通过将仿形电热切割 丝压弯成不同的形状，实现了将聚苯乙稀加工成某些特定形状盲孔，还通过正反向转动、 二维移动仿形热丝实现复杂盲孔 的造型加工。西安建筑科技大学研究了电热丝切割的稳 定温度场， 由硬件电路实时测量与控制电热切割丝与 EPS 板材切割时的接触温度， 最终加 工出来的表面平整度高， 外形尺寸准确、造型样式美观； 切割机三维运动可采用 MACH3 数 控软件进行控制。深圳职业技术学院对车床式泡沫塑料切割装置有进一步的研究， 仿照 普通车床的加工方式对电热丝切割机进行改造， 为其添加了卡盘锁紧机构， 并添加尺寸定 位装置和走刀量控制机构， 使得在切割过程中可以按设定的尺寸准确加工， 产品表面平滑。 为了方便切割不同结构的泡沫制品， 为电热切割丝添加了支架， 制成旋转切割刀、平面切 割刀以及阶梯孔切割刀， 同时对泡沫切割丝支承结构和引电结构设计进行了比较完备的研究。

结合国内外现状，目前对电热切割丝的研究仍主要停留在二维加工的水平，不能对 EPS 板材进行 6 面较复杂的加工，缺少对于 EPS 板材切割的行进部分、温度控制部分的综合调控的研究， 无法确保 EPS 板材的切口质量（表面光洁度） 达到要求。同时， 电热切割 丝切割前和切割过程中的张紧度的控制对于整个 EPS 板材的切割的质量也起着十分关键 的作用。因此， 研究一套针对于 EPS 板材综合控制行进部分、温度控制部分以及张紧度控 制部分的智能切割调控系统是十分必要的。

04主流设备比较

针对承插式板材的特点， 将承插式 EPS 板材的造型工艺由注塑转为切割， 免去了模具 费用及昂贵的快速成型机械费用（每套模具达 30 万元以上），降低其生产成本约 67%。 省去承插式 EPS 板材冷却成型的时间，提高效率 3 倍以上。

与市场现有数控 EPS 板材切割机相比， 高精高效， 废品率低， 低功耗。通过电热切割 丝张紧度及切割丝温度调控系统， 大幅度提高了切割精度， 使其保证在 0.3mm 至 0.8mm 之 间；通过 STM32 综合控制电热切割丝温度部分和行进控制部分，避免了在棱角处的过切， 提高了切割效率， 为精密切割提供了技术保障， 同时也避免了因切割时温度过高而引起火 灾；通过对切割丝状态的智能感知，当切割丝中断时，暂停工作、发出告警，原路返回， 待修复后继续工作，从而降低废品率；安装 50 根切割丝时，最大功耗为 17.6kW，而市场 上安装同等数量切割丝的数控切割机功耗高达 32kW， 节省功耗 14.4kW,实现了大幅度降低 功耗的目的。通过调查国内 35 家机械制造企业，把市面上现有的 EPS 板材造型设备与新 研究的系统进行比较，见表。

05头部企业

近年来，日钢集团坚持创造性转化、创新性发展，深入推动生产装备大型化、现代化、智能化改造，引进被誉为钢铁工业第三次技术革命的ESP热轧带钢生产技术，凭借自身强大的研发、设计和制造能力，进行二次开发、集成创新，成为世界上第二家、我国第一家全面掌握无头轧制核心关键技术并拥有多项自主知识产权的钢铁企业和钢铁行业集成创新的典范。

ESP无头轧制技术之所以能够从欧洲漂洋过海扎根中国，并且在世界舞台“先声夺人”，源于日钢集团善于在危机中育新机，主动求变、锐意革新的勇气。2015年钢铁行业市场低迷，产品一度卖到“白菜价”，日钢集团牢牢抓住供给侧结构性改革主线不动摇，搭乘动能转换东风，斥资330亿元在国内率先引进4条ESP生产线。

“由普通产线1000米的长度缩短至193米，把常规热轧3小时的生产周期缩短至7分钟。”ESP制造部部长喻尧告诉记者，ESP生产线较传统工艺节能50％-70％，节水60％-80％，省地2/3，成本降低40％，生产效率提高50％，从钢水到热轧卷成材率高达97％-98％；效益较传统薄规格钢增值6％-13％，低合金高强度钢可增值16％-24％。

目前，日钢集团拥有5条ESP生产线，配备集平整、酸洗、镀锌于一体的9条配套延伸链，形成了全球极具规模的高质量薄宽带钢短流程专业化生产基地，生产出的超薄超宽、高精度、性能均匀、低成本的系列产品，大规模应用于汽车、机械、电力工程、门业等行业，“以热代冷”、结构轻量化、节能减排成效突出，对绿色制造、脱碳减排作出了积极贡献。ESP产品还创造了全球最薄热轧带钢新纪录，获得了中冶绿色产品认证，被列入山东省第一批重点新产品（技术）推广目录、山东省制造业单项冠军产品，被工信部列入工业强基工程轻量化精密成形件产业链示范项目。

06未来趋势

ESP板材切割设备的未来发展方向体现在几个核心领域：智能化、精准化、高效能化和环境友好型技术的进一步集成与优化。随着制造业对精度和效率要求的持续提升，以及全球对环境保护和节能减排的加强，未来的ESP板材切割设备必将向着更加智能化的方向发展，包括更高级的自动控制系统、实时监测和维护机制，以及通过人工智能和机器学习技术优化切割路径和提升设备使用效率。此外，精准化技术的发展将进一步提高切割精度和表面质量，满足更为复杂和精细的设计需求。高效能化不仅体现在生产效率的提升，还包括能耗的降低和生产成本的优化，使得ESP板材切割技术更加经济实用，拓宽其应用范围。环境友好型技术的应用将进一步减少生产过程中的废物和排放，符合绿色制造和可持续发展的要求。综上所述，未来ESP板材切割设备的发展将是一个多方位、综合性的技术进步过程，旨在提供更高效、精准且环境友好的切割解决方案。

参考文献：

[1] 郭洪宇.智能EPS板材切割调控系统的研究[D].吉林农业大学,2016.

[2] 冶金信息网

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