科学成型的思維：成型是科学不是艺术

　　前言：为何要介绍科学成型？
 

　　射出成型简单地说，是借由注塑机把塑料原料转化为可流动的熔融，并注入到模穴中，冷却固化后形成最终产品的过程。塑料原料相较于金属、木材、陶瓷等其他材料的取得成本较低，且便于大量生产复杂形状的产品，让人们不断把塑料制品应用延伸到各类型的产品。但也因为塑料黏弹特性衍伸的复杂流动行为，让注塑成型领域的使用者充满许多似是而非的经验，容易误导解决问题的方向。
 

　　注塑成型是一种科学而不是艺术，成型条件设定也并不是凭感觉、经验所建置的，应有一套系统化的知识，让每个执行步骤都能有客观依据，而非主观认定，此系统化的知识即为科学成型。科学成型系统是以学习关键成型原理和理论为中心，涵盖原料、零件与模具设计、设备规格与成型条件设置等对稳定成型的运行机制，此系统的战略应用与管理就是所谓的系统性成型。透过系统性成型可以缩短构建稳定可重复的成型过程所需的时间，致使机器运行时间提升，产品生产时间、废品率等下降。科学成型系统能化繁为简，进而将复杂的事情简单做，简单的事情重复做(标准化)。
 

　　当成型者能掌握科学成型的系统，后续能以此系统建立成型确效的流程。成型确效是一个包含「建立计划、获取信息、记录结果、解读数据」的流程，此流程分为IQ、OQ与PQ三阶段(称为3Q*)，根据科学成型系统与成型确效流程，使用数据搜集系统，即可建立与落实高效、稳定的成型作业数据管理与确认，此为AI成型数据应用的基础。
 

　　*注：3Q之IQ/OQ/PQ分别为Installation Qualification、Operation Qualification、Performance Qualification等英文之缩写，各自意指安装确认、操作确认，及性能确认。
 

　　注塑成型量产过程中，熔体黏度受到诸多可控与不可控因素干扰使其变化，导致成型质量发生变异，例如同厂商生产不同批次的同款塑料，黏度变异可能达到±10~20%的变化，因此熔体黏度稳定控制尤为关键，本文将针对科学成型系统的核心基础 – 「分段成型条件的设定技术与熔体黏度稳定控制」之观念进行探讨。分段成型条件的设定技术系一种利用「塑料流变剪切致稀」的特性与特殊分离/断开的手法，来规划机器有效执行各阶段作业(涵盖充填、保压、加料/冷却等成型过程)成型条件的设置，其效益是降低条件设置间结果的相互影响以及熔体黏度波动的变化。图1列举科学成型的各关键阶段，与射出成型条件间的交互关系及设定逻辑。
 

　　熔体温度对黏度变异的影响
 

　　每支塑料在熔融过程中皆有料商建议的温度加工范围，考虑降低熔体温度对黏度波动的影响，在此范围选择一个合理的设定值，才能同时完成充填、抵抗干扰并达成稳定成型的目的。如图2所示，在成型过程中，若熔体温度越高，MI值会越高、流动特性则越好；将熔体温度设定较高时，量产时些微的温度变异就会带来剧烈的黏度变化，不利于长期稳定的成型。因此，如果把熔体温度设定在料商建议的范围且中间偏低的数值内，则可以获得比较安定的黏度变异，但同时所带来的缺陷则是熔体流动性变差。
 

图2. 熔体温度与流动特性的关系
 

　　提高充填速度利于稳定的量产
 

　　在考虑稳定且长期生产的前提下，虽然降低熔体温度会导致塑料流动性变差，但仍可以透过调整「充填速度」来改善。
 

　　以图3为例，该塑料在建议的加工温度范围200~230°C之间变动所获得的黏度变化(η1)远低于剪切率变化所带来的黏度变化(η2)的效果。换句话说，若要获得熔体高的流动特性与其变动温度倒不如变动剪切率(意即充填速度)来的有效果。
 

图3. 剪切率、温度与黏度关系图
 

　　如图4，在量产过程中，提高熔体充填速度除可获得较好的流动特性外，也会让熔体流动波前在速度变化时依然维持稳定的黏度(*)，因此只要确保射出压力充足下，提升充填速度设置，黏度就不会因此而产生剧烈的变异，同时也解决较低的熔体温度设置导致的流动黏度高，导致不利于充填的问题。
 

　　*注：须注意流动波前若遇到高的阻力(如:排气效率差)可能会破坏此现象。
 

图4. 熔体充填速度与与流动特性的关系
 

　　结论：充填速度对黏度的影响，远大于熔体温度对黏度的影响；因此，提高充填速度可以弥补熔体温度低导致塑料流动较差的问题，有利于长期稳定的生产。
 

　　降低传递压损可减少不良品
 

　　在塑料充填阶段结束后，因高射速的设置，获得熔体的高流动性也会降低保压阶段的压力传递落差，使保压阶段的熔体内压均匀；反之，如果熔体黏度高，塑料不好流动且高的压力传递落差，致使收缩量不均匀，容易引发产品翘曲、变形等问题。
 

　　结论：在科学成型的条件设定下，低熔体温度+高充填速度+足够充填压力，可降低压力传递的损失，让产品在保压阶段下可获得较佳的收缩均匀度。
 

　　提高模具温度可提升产品的尺寸安定性
 

　　常理而言，低的模具温度设定有助于缩短成型的周期时间，但产品顶出后的机械物性与尺寸安定性皆不尽理想，导致出厂前所检测的质量可能是暂时的假象；反之，若模具温度设定高，产品顶出后可避免再结晶与残留的内应力，机械物性与尺寸安定性皆大幅提升。
 

　　模具与熔体温度设定与周期时间的影响
 

　　在模具温度与熔体温度的交互关系中，传统的成型者会习惯设定较低的模具温度以及较高的熔体温度，以控制产品的成型周期时间；然而根据科学成型的逻辑，高模具温度配合低熔体温度才能获得正确的机械物性与尺寸安定性，虽然看似冷却时间会增加，但以热量移除所耗费时间的概念来说，在同样的冷却效率下，科学成型的成型温度设定相较传统的温度设定所需移除热量的时间要来得少，故整体的成型周期未必增加，甚至所有的条件设定皆是符合塑料的特性，长远来看才能确实掌握熔体黏度变异的稳定性。
 

　　科学成型思维的重要
 

　　注塑成型属于传统制程的一环，在工业4.0的发展下，现今的注塑成型场域也已搭载许多联网应用，往智能制造迈进。
 

　　例如撷取实时生产的注塑机台信息，由试模作业程序设置稳定的成型条件，在分段成型条件的设定技术下，将使得成型过程数据与产品质量有高度联动，试模作业程序能以OQ观念鉴别质量允收的窗口，则可利用此窗口监控量产的成型质量，避免继续生产不良产品。抑或是应用实时监控并达到自动修正成型条件的功能，把停机排除问题的成本降到最低。这些都是射出成型阶段搭配大数据应用下所衍生的生产管理自动化。
 

　　而在进入这些AI智能成型的数据应用之前，根本的基础仍是先根据科学成型系统建立并落实高效稳定的生产流程。