是否存在一個(gè)“最重要”的注塑工藝參數(shù)？

文/ IPL Plastics Robert Gattshall

一個(gè)部件的注塑成型是與多個(gè)變量，包括充模平衡、充模時(shí)間、注射壓力及型腔壓力緊密相關(guān)的，它們都十分重要。 但是，還有一個(gè)參數(shù)對(duì)于成功的注塑成型是必不可少的。

我最近被問到一個(gè)問題，由于它與注塑成型過程的基礎(chǔ)原理相悖，引起了我嚴(yán)重的情緒反應(yīng)。對(duì)我來說，這個(gè)問題——“注塑成型過程中最重要的工藝參數(shù)是什么？”——類似于詢問我喜歡我孩子中的哪一個(gè)。我的第一反應(yīng)是：“你在開玩笑嗎？”幸運(yùn)的是，我并沒有這樣回答。

這是我與一家大型醫(yī)用制造商的一個(gè)小組坐下來討論注塑成型醫(yī)用工藝驗(yàn)證和科學(xué)注塑成型的原理時(shí)被問到的一個(gè)問題。對(duì)于醫(yī)用成型行業(yè)的人來說，提出此問題令我感到吃驚。

考慮到在醫(yī)用市場(chǎng)中，成型工藝過程基本上是一個(gè)客戶一個(gè)規(guī)格，與部件尺寸一樣，對(duì)于交付產(chǎn)品至關(guān)重要，因此我不期望提出這樣的問題。

在醫(yī)藥領(lǐng)域，客戶通常都要求你出示證據(jù)證明你運(yùn)行的產(chǎn)品是處于驗(yàn)證期間確定的過程控制限制范圍內(nèi)。我認(rèn)為操作資格認(rèn)證（Operation Qualification ，OQ）是成型商開發(fā)工藝過程中的IQ/OQ/PQ協(xié)議階段，而性能認(rèn)證（Performance Quali fi cation，PQ）設(shè)定了你的控制上限和下限，但這是另外的一個(gè)問題，在此不作討論。

這次談話是我寫這篇文章的動(dòng)機(jī)，文中我會(huì)分別指出幾個(gè)過程參數(shù)的重要性，并且確定是否確實(shí)存在一個(gè)“最重要的”過程參數(shù)。在非常清楚地表明注塑工藝的所有輸出參數(shù)都很重要之后，令我感到吃驚的那個(gè)問題自然也就有了答案。

充模平衡

我非常清楚地闡明，充模平衡本身不是一個(gè)工藝參數(shù)，而是由許多參數(shù)輸出的結(jié)果。也就是說，如果我必須有所選擇，那么充模平衡將是過程開發(fā)的起點(diǎn)之一。

當(dāng)后續(xù)問題是“好吧，那么控制充模平衡的最重要參數(shù)是什么？”時(shí)，我?guī)缀跏チ随?zhèn)靜。我的回答是：“這個(gè)問題真有答案嗎？”數(shù)以百計(jì)的變量可以影響充模平衡。無論是熱力學(xué)、回用料百分比、模具尺寸還是剪切，都不可能認(rèn)為其中的一個(gè)要比其他的變量更重要。

也就是說，可以討論平衡充模的重要性，更進(jìn)一步說，可以討論不平衡充模對(duì)部件質(zhì)量和尺寸重復(fù)性的影響，特別是對(duì)于醫(yī)用部件要求達(dá)到1.33和1.67的Cpk和Ppk數(shù)值。醫(yī)用成型行業(yè)中尺寸規(guī)格的Cpk只是一個(gè)型腔與另一個(gè)型腔的對(duì)比。因此，它有助于確定一號(hào)型腔的變化，以此類推，一副32腔模具上的所有型腔的變化都能確定。從這個(gè)角度來看，充模平衡絕對(duì)是重要的。如果無法以相同方式使部件充模，則部件保壓將無法相同，這樣Cpk值可能會(huì)變得非常低。

在第一階段充模的型腔充滿得較少，因?yàn)樾颓恢械娜垠w黏度較高。不要忘記塑性流動(dòng)的基本規(guī)則：塑料沿阻力最小的方向流動(dòng)。如果我們有一副雙腔模具，在第一階段一個(gè)型腔充滿，另一個(gè)型腔充滿80%，則阻力最小的路徑是那個(gè)未完全充滿的型腔。

平衡充模確保每個(gè)型腔在同一時(shí)間點(diǎn)充模和保壓，進(jìn)而保證每個(gè)型腔都經(jīng)歷類似的工藝條件。它是構(gòu)建流程的基礎(chǔ)，因此其重要性不言而喻，但仍然很難將其稱為“最重要”的參數(shù)。

充模時(shí)間

也許最重要的工藝參數(shù)是充模時(shí)間。讓我再說一遍——這是一個(gè)輸出結(jié)果而不是設(shè)定值。參數(shù)定義為“根據(jù)特定情況選擇的一個(gè)數(shù)值。”我們確實(shí)選擇了一個(gè)充模時(shí)間，但我們是通過調(diào)整機(jī)器參數(shù)來實(shí)施的。我們中的許多人采用的成型基礎(chǔ)都是集中在過程的輸出結(jié)果上。

考慮到許多參數(shù)對(duì)過程的輸出結(jié)果有貢獻(xiàn)，“最重要的參數(shù)是什么”這一問題的提出是站不住腳的。有許多成型商會(huì)說充模時(shí)間是工藝過程的基礎(chǔ)，并且有許多試驗(yàn)可以確認(rèn)這種說法。

在確定過程的充模時(shí)間之前，我通常會(huì)對(duì)流變學(xué)、黏度線性、充模平衡和機(jī)器變化進(jìn)行研究。而充模平衡受充模速率的影響很大，并且會(huì)根據(jù)我們注射的快慢來改變。

注塑成型過程是一個(gè)關(guān)聯(lián)的過程，這意味著多個(gè)變量和參數(shù)將相互直接或間接地產(chǎn)生影響。一個(gè)注塑成型過程很少是孤立的，它會(huì)受到很多因素的影響。

利用充模時(shí)間，一些加工商可能會(huì)完成較少的試驗(yàn)，有些試驗(yàn)甚至可能會(huì)很有價(jià)值。不管如何確定充模時(shí)間，關(guān)鍵是確保在模具或部件的整個(gè)生命周期內(nèi)保持相同的充模時(shí)間。如果我們保持住了一個(gè)充模時(shí)間，就會(huì)確保塑料分子取向相同，從而使每次運(yùn)行的充模保持一致。這將有助于我們獲得一致的收縮率、剪切速率和充模平衡。

同樣，有幾個(gè)變量會(huì)影響一個(gè)部件的收縮方式，在此我只指出一個(gè)變量。我們行業(yè)中有許多專家認(rèn)為充模時(shí)間是一個(gè)穩(wěn)定過程的基礎(chǔ)，但它真的是最重要的嗎？

現(xiàn)在，如果要問“我需要做什么來確保一個(gè)可重復(fù)的充模時(shí)間呢？”答案是正確的注射壓力。所以，這是否意味著注射壓力是最重要的參數(shù)呢？

注射壓力

注射壓力對(duì)于一個(gè)可重復(fù)的過程是非常關(guān)鍵的，雖然你預(yù)計(jì)這個(gè)輸出結(jié)果會(huì)有一些變化，但是如果壓力不足，則可能對(duì)部件的質(zhì)量造成災(zāi)難性的后果。

壓力受限的過程缺乏根據(jù)材料黏度變化進(jìn)行自我調(diào)節(jié)的能力。如果材料黏度增加到超過可用的機(jī)器壓力，則我們得到的壓力曲線將突然變平，并且充模時(shí)間增加。在這種情況下，機(jī)器需要更長(zhǎng)的時(shí)間才能達(dá)到V至P的轉(zhuǎn)換點(diǎn)。這可能會(huì)產(chǎn)生一些缺陷，最明顯的就是欠注或充模不足。

當(dāng)我們提到科學(xué)成型或分段成型時(shí)，我們實(shí)際上指的是控制速度的第一階段，但如果我們對(duì)實(shí)現(xiàn)它的壓力有限制的話，那我們就完全無法控制速度。

我知道的有幾家加工商在過程監(jiān)控方面忽略了注射壓力，推斷“只要它不受限制，它就不是關(guān)鍵的過程輸出結(jié)果”，并且期望看到變化。

我同意壓力應(yīng)該有所變化，但是最多不能超過多少？以及為什么這很重要？過多的變化是在驗(yàn)證運(yùn)行期間確定“正常”變化之外的任何變化。根據(jù)產(chǎn)品和客戶的規(guī)格要求，在驗(yàn)證過程中使過程經(jīng)受挑戰(zhàn)并模擬黏度變化非常重要。例如，如果你的規(guī)格允許在生產(chǎn)中添加回用料，那么你需要在過程驗(yàn)證期間包含一個(gè)采用回用料的運(yùn)行。

一旦你有了基線并確定了過程的正常變化，當(dāng)峰值注射壓力變化超過該基線時(shí)，了解其原因非常重要。我并不是說你應(yīng)該立即拒絕這個(gè)產(chǎn)品，我是說這個(gè)產(chǎn)品需要進(jìn)行審查，更重要的是，成型商必須確定增加的變化來自何處。

型腔壓力

鑒于成型商每年花費(fèi)數(shù)百萬美元添加型腔壓力傳感器和設(shè)備來監(jiān)測(cè)和控制其過程，型腔壓力一定是一個(gè)關(guān)鍵輸出結(jié)果。型腔壓力傳感器具有根據(jù)型腔壓力來填充每個(gè)型腔的能力，或者甚至通過型腔壓力控制V至P的轉(zhuǎn)移，從而提供了部件之間以及注射之間的尺寸穩(wěn)定性。盡管投資可能很大，但其好處已得到證實(shí)。然而，我的看法是：不是每件產(chǎn)品都需要這種技術(shù)。

如果你是汽車零部件成型商并且成型“A”級(jí)表面的產(chǎn)品，那么即使在型腔壓力控制范圍內(nèi)運(yùn)行的部件也可能由于視覺缺陷而不合格。

型腔壓力傳感器不會(huì)讓你知道這些部件的紋理上是否有劃痕或銹斑。如果設(shè)置正確，型腔壓力傳感器可以監(jiān)控欠注和溢料；但它們可能無法捕捉到與材料流動(dòng)無關(guān)的視覺缺陷。

如果型腔壓力傳感器安裝在正確的位置，則峰值型腔壓力可以提供一個(gè)高水平的控制和監(jiān)測(cè)。但是，我認(rèn)為采用型腔壓力傳感器的最大好處不是平穩(wěn)的型腔壓力輸出。來自型腔壓力傳感器的冷卻速率輸出提供了塑料收縮離開傳感器的速率。可以令成型商放心的是，每次運(yùn)行時(shí)水的冷卻速度都是相同的。因此，型腔壓力的討論可能實(shí)際上就是對(duì)型腔壓力傳感器的討論。

然而，我的這一看法也不是令所有成型商受用，因?yàn)橛性S多成功的成型商并沒有投資這項(xiàng)技術(shù)，但他們?nèi)匀皇菙?shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的科學(xué)成型商。

人作為一個(gè)參數(shù)

試圖為像注塑成型這樣一個(gè)關(guān)聯(lián)的過程確定一個(gè)“最重要的參數(shù)”是絕對(duì)不可能的。沒有一個(gè)最重要的參數(shù)，也沒有一個(gè)最重要的裝置。然而，有一項(xiàng)關(guān)鍵的資源是“最重要的”，那就是你的團(tuán)隊(duì)成員。

你的員工，包括技術(shù)人員、操作人員和其他人，都是最重要的。無論我們是在討論過程開發(fā)、過程控制還是技術(shù)，做那份工作的人對(duì)其成功的影響最大。確保你擁有熟練、積極主動(dòng)且經(jīng)過適當(dāng)培訓(xùn)的員工隊(duì)伍，這最終將決定你發(fā)送給客戶的產(chǎn)品質(zhì)量。

要在不超過設(shè)備投資的前提下盡可能多的在人員上投資，因?yàn)檫@對(duì)于安全和成功的注塑成型過程是個(gè)關(guān)鍵。試想一下：如果你認(rèn)為充模時(shí)間是最重要的工藝參數(shù)并且你應(yīng)用了嚴(yán)格的控制限制，那么仍需要有人來打開那些控制器。

人不僅需要了解如何打開控制器，還需要了解如何在設(shè)備無法正常運(yùn)行時(shí)對(duì)其進(jìn)行故障排除。我們的許多行業(yè)培訓(xùn)都側(cè)重于工程和過程開發(fā)技能，但我們?nèi)匀粵]有為模具和安裝技術(shù)人員甚至操作人員提供培訓(xùn)。

我們需要與其他技術(shù)行業(yè)類似的標(biāo)準(zhǔn)，并為我們的技術(shù)團(tuán)隊(duì)成員提供明確的職業(yè)發(fā)展道路。我在注塑成型方面花了多年時(shí)間，用各種類型的設(shè)備進(jìn)行成型，并開發(fā)過程和系統(tǒng)來監(jiān)控它們。我的經(jīng)驗(yàn)告訴我，這些系統(tǒng)永遠(yuǎn)無法取代訓(xùn)練有素的技術(shù)人員。它們只是為我們提供了工具，這些工具是為客戶提供一流的效率和部件質(zhì)量所需要的。它們都不是孤立的。像注塑成型過程一樣，我們的資源（設(shè)備和團(tuán)隊(duì)成員）是互相關(guān)聯(lián)的，成型商不能把它們孤立起來。