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科學(xué)成型的思維：成型是科學(xué)不是藝術(shù)

2024-08-16 10:55:57 來(lái)源：FCS富強(qiáng)鑫集團(tuán) 閱讀量：17332 評(píng)論
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導(dǎo)讀：射出成型簡(jiǎn)單地說(shuō)，是借由注塑機(jī)把塑料原料轉(zhuǎn)化為可流動(dòng)的熔融，并注入到模穴中，冷卻固化后形成最終產(chǎn)品的過(guò)程。

　　前言：為何要介紹科學(xué)成型？
 
　　射出成型簡(jiǎn)單地說(shuō)，是借由注塑機(jī)把塑料原料轉(zhuǎn)化為可流動(dòng)的熔融，并注入到模穴中，冷卻固化后形成最終產(chǎn)品的過(guò)程。塑料原料相較于金屬、木材、陶瓷等其他材料的取得成本較低，且便于大量生產(chǎn)復(fù)雜形狀的產(chǎn)品，讓人們不斷把塑料制品應(yīng)用延伸到各類型的產(chǎn)品。但也因?yàn)樗芰橡椞匦匝苌斓膹?fù)雜流動(dòng)行為，讓注塑成型領(lǐng)域的使用者充滿許多似是而非的經(jīng)驗(yàn)，容易誤導(dǎo)解決問(wèn)題的方向。
 
　　注塑成型是一種科學(xué)而不是藝術(shù)，成型條件設(shè)定也并不是憑感覺(jué)、經(jīng)驗(yàn)所建置的，應(yīng)有一套系統(tǒng)化的知識(shí)，讓每個(gè)執(zhí)行步驟都能有客觀依據(jù)，而非主觀認(rèn)定，此系統(tǒng)化的知識(shí)即為科學(xué)成型。科學(xué)成型系統(tǒng)是以學(xué)習(xí)關(guān)鍵成型原理和理論為中心，涵蓋原料、零件與模具設(shè)計(jì)、設(shè)備規(guī)格與成型條件設(shè)置等對(duì)穩(wěn)定成型的運(yùn)行機(jī)制，此系統(tǒng)的戰(zhàn)略應(yīng)用與管理就是所謂的系統(tǒng)性成型。透過(guò)系統(tǒng)性成型可以縮短構(gòu)建穩(wěn)定可重復(fù)的成型過(guò)程所需的時(shí)間，致使機(jī)器運(yùn)行時(shí)間提升，產(chǎn)品生產(chǎn)時(shí)間、廢品率等下降。科學(xué)成型系統(tǒng)能化繁為簡(jiǎn)，進(jìn)而將復(fù)雜的事情簡(jiǎn)單做，簡(jiǎn)單的事情重復(fù)做(標(biāo)準(zhǔn)化)。
 
　　當(dāng)成型者能掌握科學(xué)成型的系統(tǒng)，后續(xù)能以此系統(tǒng)建立成型確效的流程。成型確效是一個(gè)包含「建立計(jì)劃、獲取信息、記錄結(jié)果、解讀數(shù)據(jù)」的流程，此流程分為IQ、OQ與PQ三階段(稱為3Q*)，根據(jù)科學(xué)成型系統(tǒng)與成型確效流程，使用數(shù)據(jù)搜集系統(tǒng)，即可建立與落實(shí)高效、穩(wěn)定的成型作業(yè)數(shù)據(jù)管理與確認(rèn)，此為AI成型數(shù)據(jù)應(yīng)用的基礎(chǔ)。
 
　　*注：3Q之IQ/OQ/PQ分別為Installation Qualification、Operation Qualification、Performance Qualification等英文之縮寫，各自意指安裝確認(rèn)、操作確認(rèn)，及性能確認(rèn)。
 
　　注塑成型量產(chǎn)過(guò)程中，熔體黏度受到諸多可控與不可控因素干擾使其變化，導(dǎo)致成型質(zhì)量發(fā)生變異，例如同廠商生產(chǎn)不同批次的同款塑料，黏度變異可能達(dá)到±10~20%的變化，因此熔體黏度穩(wěn)定控制尤為關(guān)鍵，本文將針對(duì)科學(xué)成型系統(tǒng)的核心基礎(chǔ) – 「分段成型條件的設(shè)定技術(shù)與熔體黏度穩(wěn)定控制」之觀念進(jìn)行探討。分段成型條件的設(shè)定技術(shù)系一種利用「塑料流變剪切致稀」的特性與特殊分離/斷開(kāi)的手法，來(lái)規(guī)劃?rùn)C(jī)器有效執(zhí)行各階段作業(yè)(涵蓋充填、保壓、加料/冷卻等成型過(guò)程)成型條件的設(shè)置，其效益是降低條件設(shè)置間結(jié)果的相互影響以及熔體黏度波動(dòng)的變化。圖1列舉科學(xué)成型的各關(guān)鍵階段，與射出成型條件間的交互關(guān)系及設(shè)定邏輯。
 
　　熔體溫度對(duì)黏度變異的影響
 
　　每支塑料在熔融過(guò)程中皆有料商建議的溫度加工范圍，考慮降低熔體溫度對(duì)黏度波動(dòng)的影響，在此范圍選擇一個(gè)合理的設(shè)定值，才能同時(shí)完成充填、抵抗干擾并達(dá)成穩(wěn)定成型的目的。如圖2所示，在成型過(guò)程中，若熔體溫度越高，MI值會(huì)越高、流動(dòng)特性則越好；將熔體溫度設(shè)定較高時(shí)，量產(chǎn)時(shí)些微的溫度變異就會(huì)帶來(lái)劇烈的黏度變化，不利于長(zhǎng)期穩(wěn)定的成型。因此，如果把熔體溫度設(shè)定在料商建議的范圍且中間偏低的數(shù)值內(nèi)，則可以獲得比較安定的黏度變異，但同時(shí)所帶來(lái)的缺陷則是熔體流動(dòng)性變差。
 
圖2. 熔體溫度與流動(dòng)特性的關(guān)系
 
　　提高充填速度利于穩(wěn)定的量產(chǎn)
 
　　在考慮穩(wěn)定且長(zhǎng)期生產(chǎn)的前提下，雖然降低熔體溫度會(huì)導(dǎo)致塑料流動(dòng)性變差，但仍可以透過(guò)調(diào)整「充填速度」來(lái)改善。
 
　　以圖3為例，該塑料在建議的加工溫度范圍200~230°C之間變動(dòng)所獲得的黏度變化(η1)遠(yuǎn)低于剪切率變化所帶來(lái)的黏度變化(η2)的效果。換句話說(shuō)，若要獲得熔體高的流動(dòng)特性與其變動(dòng)溫度倒不如變動(dòng)剪切率(意即充填速度)來(lái)的有效果。
 
圖3. 剪切率、溫度與黏度關(guān)系圖
 
　　如圖4，在量產(chǎn)過(guò)程中，提高熔體充填速度除可獲得較好的流動(dòng)特性外，也會(huì)讓熔體流動(dòng)波前在速度變化時(shí)依然維持穩(wěn)定的黏度(*)，因此只要確保射出壓力充足下，提升充填速度設(shè)置，黏度就不會(huì)因此而產(chǎn)生劇烈的變異，同時(shí)也解決較低的熔體溫度設(shè)置導(dǎo)致的流動(dòng)黏度高，導(dǎo)致不利于充填的問(wèn)題。
 
　　*注：須注意流動(dòng)波前若遇到高的阻力(如:排氣效率差)可能會(huì)破壞此現(xiàn)象。
 
圖4. 熔體充填速度與與流動(dòng)特性的關(guān)系
 
　　結(jié)論：充填速度對(duì)黏度的影響，遠(yuǎn)大于熔體溫度對(duì)黏度的影響；因此，提高充填速度可以彌補(bǔ)熔體溫度低導(dǎo)致塑料流動(dòng)較差的問(wèn)題，有利于長(zhǎng)期穩(wěn)定的生產(chǎn)。
 
　　降低傳遞壓損可減少不良品
 
　　在塑料充填階段結(jié)束后，因高射速的設(shè)置，獲得熔體的高流動(dòng)性也會(huì)降低保壓階段的壓力傳遞落差，使保壓階段的熔體內(nèi)壓均勻；反之，如果熔體黏度高，塑料不好流動(dòng)且高的壓力傳遞落差，致使收縮量不均勻，容易引發(fā)產(chǎn)品翹曲、變形等問(wèn)題。
 
　　結(jié)論：在科學(xué)成型的條件設(shè)定下，低熔體溫度+高充填速度+足夠充填壓力，可降低壓力傳遞的損失，讓產(chǎn)品在保壓階段下可獲得較佳的收縮均勻度。
 
　　提高模具溫度可提升產(chǎn)品的尺寸安定性
 
　　常理而言，低的模具溫度設(shè)定有助于縮短成型的周期時(shí)間，但產(chǎn)品頂出后的機(jī)械物性與尺寸安定性皆不盡理想，導(dǎo)致出廠前所檢測(cè)的質(zhì)量可能是暫時(shí)的假象；反之，若模具溫度設(shè)定高，產(chǎn)品頂出后可避免再結(jié)晶與殘留的內(nèi)應(yīng)力，機(jī)械物性與尺寸安定性皆大幅提升。
 
　　模具與熔體溫度設(shè)定與周期時(shí)間的影響
 
　　在模具溫度與熔體溫度的交互關(guān)系中，傳統(tǒng)的成型者會(huì)習(xí)慣設(shè)定較低的模具溫度以及較高的熔體溫度，以控制產(chǎn)品的成型周期時(shí)間；然而根據(jù)科學(xué)成型的邏輯，高模具溫度配合低熔體溫度才能獲得正確的機(jī)械物性與尺寸安定性，雖然看似冷卻時(shí)間會(huì)增加，但以熱量移除所耗費(fèi)時(shí)間的概念來(lái)說(shuō)，在同樣的冷卻效率下，科學(xué)成型的成型溫度設(shè)定相較傳統(tǒng)的溫度設(shè)定所需移除熱量的時(shí)間要來(lái)得少，故整體的成型周期未必增加，甚至所有的條件設(shè)定皆是符合塑料的特性，長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看才能確實(shí)掌握熔體黏度變異的穩(wěn)定性。
 
　　科學(xué)成型思維的重要
 
　　注塑成型屬于傳統(tǒng)制程的一環(huán)，在工業(yè)4.0的發(fā)展下，現(xiàn)今的注塑成型場(chǎng)域也已搭載許多聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，往智能制造邁進(jìn)。
 
　　例如擷取實(shí)時(shí)生產(chǎn)的注塑機(jī)臺(tái)信息，由試模作業(yè)程序設(shè)置穩(wěn)定的成型條件，在分段成型條件的設(shè)定技術(shù)下，將使得成型過(guò)程數(shù)據(jù)與產(chǎn)品質(zhì)量有高度聯(lián)動(dòng)，試模作業(yè)程序能以O(shè)Q觀念鑒別質(zhì)量允收的窗口，則可利用此窗口監(jiān)控量產(chǎn)的成型質(zhì)量，避免繼續(xù)生產(chǎn)不良產(chǎn)品。抑或是應(yīng)用實(shí)時(shí)監(jiān)控并達(dá)到自動(dòng)修正成型條件的功能，把停機(jī)排除問(wèn)題的成本降到最低。這些都是射出成型階段搭配大數(shù)據(jù)應(yīng)用下所衍生的生產(chǎn)管理自動(dòng)化。
 
　　而在進(jìn)入這些AI智能成型的數(shù)據(jù)應(yīng)用之前，根本的基礎(chǔ)仍是先根據(jù)科學(xué)成型系統(tǒng)建立并落實(shí)高效穩(wěn)定的生產(chǎn)流程。

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