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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 來源：FCS富強鑫集團 閱讀量：17341 評論
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導(dǎo)讀：射出成型簡單地說，是借由注塑機把塑料原料轉(zhuǎn)化為可流動的熔融，并注入到模穴中，冷卻固化后形成最終產(chǎn)品的過程。

　　前言：為何要介紹科學(xué)成型？
 
　　射出成型簡單地說，是借由注塑機把塑料原料轉(zhuǎn)化為可流動的熔融，并注入到模穴中，冷卻固化后形成最終產(chǎn)品的過程。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。但也因為塑料黏彈特性衍伸的復(fù)雜流動行為，讓注塑成型領(lǐng)域的使用者充滿許多似是而非的經(jīng)驗，容易誤導(dǎo)解決問題的方向。
 
　　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、經(jīng)驗所建置的，應(yīng)有一套系統(tǒng)化的知識，讓每個執(zhí)行步驟都能有客觀依據(jù)，而非主觀認定，此系統(tǒng)化的知識即為科學(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、設(shè)備規(guī)格與成型條件設(shè)置等對穩(wěn)定成型的運行機制，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。透過系統(tǒng)性成型可以縮短構(gòu)建穩(wěn)定可重復(fù)的成型過程所需的時間，致使機器運行時間提升，產(chǎn)品生產(chǎn)時間、廢品率等下降。科學(xué)成型系統(tǒng)能化繁為簡，進而將復(fù)雜的事情簡單做，簡單的事情重復(fù)做(標準化)。
 
　　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。成型確效是一個包含「建立計劃、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)，即可建立與落實高效、穩(wěn)定的成型作業(yè)數(shù)據(jù)管理與確認，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、操作確認，及性能確認。
 
　　注塑成型量產(chǎn)過程中，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/斷開的手法，來規(guī)劃機器有效執(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。
 
　　熔體溫度對黏度變異的影響
 
　　每支塑料在熔融過程中皆有料商建議的溫度加工范圍，考慮降低熔體溫度對黏度波動的影響，在此范圍選擇一個合理的設(shè)定值，才能同時完成充填、抵抗干擾并達成穩(wěn)定成型的目的。如圖2所示，在成型過程中，若熔體溫度越高，MI值會越高、流動特性則越好；將熔體溫度設(shè)定較高時，量產(chǎn)時些微的溫度變異就會帶來劇烈的黏度變化，不利于長期穩(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，但同時所帶來的缺陷則是熔體流動性變差。
 
圖2. 熔體溫度與流動特性的關(guān)系
 
　　提高充填速度利于穩(wěn)定的量產(chǎn)
 
　　在考慮穩(wěn)定且長期生產(chǎn)的前提下，雖然降低熔體溫度會導(dǎo)致塑料流動性變差，但仍可以透過調(diào)整「充填速度」來改善。
 
　　以圖3為例，該塑料在建議的加工溫度范圍200~230°C之間變動所獲得的黏度變化(η1)遠低于剪切率變化所帶來的黏度變化(η2)的效果。換句話說，若要獲得熔體高的流動特性與其變動溫度倒不如變動剪切率(意即充填速度)來的有效果。
 
圖3. 剪切率、溫度與黏度關(guān)系圖
 
　　如圖4，在量產(chǎn)過程中，提高熔體充填速度除可獲得較好的流動特性外，也會讓熔體流動波前在速度變化時依然維持穩(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，黏度就不會因此而產(chǎn)生劇烈的變異，同時也解決較低的熔體溫度設(shè)置導(dǎo)致的流動黏度高，導(dǎo)致不利于充填的問題。
 
　　*注：須注意流動波前若遇到高的阻力(如:排氣效率差)可能會破壞此現(xiàn)象。
 
圖4. 熔體充填速度與與流動特性的關(guān)系
 
　　結(jié)論：充填速度對黏度的影響，遠大于熔體溫度對黏度的影響；因此，提高充填速度可以彌補熔體溫度低導(dǎo)致塑料流動較差的問題，有利于長期穩(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，獲得熔體的高流動性也會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間，但產(chǎn)品頂出后的機械物性與尺寸安定性皆不盡理想，導(dǎo)致出廠前所檢測的質(zhì)量可能是暫時的假象；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械物性與尺寸安定性，雖然看似冷卻時間會增加，但以熱量移除所耗費時間的概念來說，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間要來得少，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，長遠來看才能確實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)今的注塑成型場域也已搭載許多聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，往智能制造邁進。
 
　　例如擷取實時生產(chǎn)的注塑機臺信息，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，將使得成型過程數(shù)據(jù)與產(chǎn)品質(zhì)量有高度聯(lián)動，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)用實時監(jiān)控并達到自動修正成型條件的功能，把停機排除問題的成本降到最低。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)管理自動化。
 
　　而在進入這些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)建立并落實高效穩(wěn)定的生產(chǎn)流程。

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