科学试模对于射出成型工艺的优化

■ ACMT/ 刘文斌技术总监

前言

射出成型加工工艺要求的主要重点是能生产出具有符合质量要求的射出产品,并且可以在量产生产时稳定控制加工参数,以产出质量均一的产品。然而在实际射出加 工生产制程中,所使用的射出条件是否是最适化且稳定 的条件,或是在生产过程中由于塑料、射出机台、加工 条件或是生产环境条件等的变动,这些变动因素都会造成产品质量的波动。所以在决定射出成型加工条件的设 定上或是控制生产制程条件的稳定性,都应该是要藉由 科学化的理论计算或是生产在线可供参考的侦测数据来 进行评断与控制,也因此加工条件的调整是依赖实际生产所回馈的数据或是科学化实验结果来作为依据与参考,而非单凭经验或感觉进行调机,这才是射出成型加工制程上正确的做法。

传统试误法

目前传统射出成型加工业者仍然普遍使用早期的「试误法」来设定与调整射出成型加工参数;然而面临当前竞争激烈的射出成型加工产业,射出加工利润越来越低的同时,对于产品开发问世时程的压缩、射出产品的复杂度与质量和精度要求却愈趋严格。 面对这样严峻的情况,加工业者已经无法生产过多废料与不良品,同时也压缩生产试模的时程,若还以传统的方式来调机与生产调整,则最终将无法跟上客户的要求而被淘汰,因此传统射出成型方法已不再能满足复杂射出产品和应用的需求。

传统射出成型现场经常使用「反复性试验」成型工艺方法来设定加工参数,藉由改变某项参数或是某些加工参数来试打产品,再从产品质量来评断改变的参数是否能有效改善产品质量。但是这种方法常常会造成误判,主要的原因在于改变加工参数设定值和机台实际响应的加工参数变化有可能不是相对应在变化的, 例如单独变更射出速度设定值,预期射出加工时射出速度会有所改变,但实际上有可能会因为其他加工参 数设定值的相互影响(例如射出压力设定值的限制影响)而造成实际机台响应的射出速度没有明显变化。

若没有实际去观察机台响应的状况就可能会造成误判结果,认为射出速度参数的设定值变动对产品质量是没有影响的错误结论,所以传统试误法是一种昂贵且低效的产品开发生产方式。

科学化射出成型加工制程

所谓科学化射出成型加工制程是一种主要基于使用科学化数据或方法(利用科学理论方法加以验证、开发和检验假设与预期结果,得出结论并提供可再现的结果),来进行射出成型加工条件调整与设定的系统化射出加工方法。它需要使用试模阶段或是连续加工生产中的全面性数据收集和科学分析技术来开发和记录射出加工状况,并建立加工规范与设置加工参数设定与控制步骤,以达成严格控制和可重复性的生产制造过程。

科学化射出成型是对于生产具复杂性与高质量要求塑件的最佳方法。科学射出是一个具高度精确性与生产加工数据为参考基础驱动的过程,可消除任何猜测, 并最大程度地提高质量和可制造性。当涉及到有关过程优化、成型和模具设计验证,以及产品质量控制的决策时,科学成型特别有价值。这种方法优于标准的成型程序,因为通过前期设计实验、使用分析、过程监控和质量控制可以进行高水平的科学控制,从而可以在几秒钟内纠正任何过程变化。

常见的科学试模方法

常见的科学试模方法包含利用田口实验设计法(DOE) 来找出影响产品质量的加工参数优先级(如图1), 也可以利用短射实验来分段评定流道系统、浇口位置与产品模穴的动态压力损失,也可以利用分段短射实 验观察多模穴流动的平衡性,适当的短射充填实验也可以确认熔胶塑化行程与多段射出速度设定的切换位置(如图2),同时也可以获知射出压力峰压值的大小。另外也常藉由不同射出速度设定实验来建立流变 曲线(黏度曲线或称U型曲线)(如图3),藉以决定最适化的射出速度参数,同时也可根据固定保压设定值与产品重量量测实验来进行浇口封口时间研究, 以确认有效保压作用时间参数(如图4)。

 

图 1:注塑成型条件实验设计法 (DOE) 分析 (Moldex3D)                 图 2:短射实验注塑样品

 

图 3:利用黏度曲线(U 型曲线)实验来确定较适化的注塑速度      图 4:浇口封口保压有效时间确认实验

 
图 5:注塑成型机台的注塑响应数据        图 6:注塑成型机台的注塑响应曲线

结语

科学化试模与射出成型加工参数的优化设定除了上述常见的科学化实验外,也需要在实验或试模过程中记录相关的加工参数与数据,包含塑料除湿干燥后的含水率、熔胶实际的料温、实际的射出充填时间、模具表面温度分布、模温机冷却介质的流量、成型加工周期时间、机台响应数据(如图5)与速度、压力、行程响应曲线(如图6)等。

通过科学试模建立的成型加工参数设定与连续加工生产制程参数,并参考制程中侦测和记录的科学化制程 数据,可以在整个射出加工生产周期内以最少时间来 精确优化成型加工参数,并且可以使射出加工制程更稳定、射出产品质量更一致。■

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