一个参数在注塑行业的影响——“停留时间”

        摘要

        注塑成型工艺中的术语“停留时间”在注塑行业中有时并未像在其他化学行业中一样得到足够的重视，对于在大型转炉或长管道中进行特定材料/化学品的加工，旨在得到要求规格成品的工艺流程而言，正是在这个关键时段所代表的主要参数和因素，使上述特定材料/化学品的主要参数和性能因素发生改变。尽管也有例外，但停留时间这个因素确实会对整个注塑工艺/行业产生影响，从新产品导入（NPI）阶段到工具研发，再到量产，甚至是机器选择的初始阶段或工艺改进阶段，莫不如此。

        前言

        在制造业，产品的可靠性取决于产品本身的质量。有许多因素会对产品质量产生影响，如制造产品时使用的原材料、使用的机器/设备、适当的方法/技术/工艺等等。然而，质量的始终如一来自于受控的工艺流程，其中包括各种影响因素，如人员、方法、待加工材料以及流程自身的各个细微之处等等。在上述因素中，“停留时间”就是影响产品质量的参数之一，从概念层面到日常大量生产/制造阶段莫不如此。

        问题与停留时间有关吗？

        通常，注塑工艺上出现的问题仅仅会被归结于如加工温度、干燥条件等其他因素，注塑速度、注塑压力和时间、材料熔融指数（MFI）等注塑参数，下架切断、注射器/滑块/升降机/压抽芯等工具问题,以及冷却通道、热流道故障等问题。

        理想情况下，一旦注塑流程达到热稳定状态，则流程中制造出的产品就能保持良好的精度。因而，流程到达稳定状态时，SPC（X-R 图）就应显示恒定的尺寸读数：Cpk ≥ 1.33 ，产品没有出现任何外观缺陷或功能缺陷。然而，即使其他外部因素（工具、天气、材料、辅助设备）处于控制中，如果流程不在被称为停留时间的定义参数范围内时，流程也不会达到热稳定状态。

       什么是注塑工艺中的停留时间？

      “停留时间”实际上是指材料在某机器中用去或驻留的时间，通常它被认为是工艺流程本身的加工时间。因而，注塑工艺中的术语“停留时间”是指注塑工艺中塑料树脂在注塑机中注射装置滚筒中的驻留时间（通常以分钟或秒计算）。换言之，停留时间也即塑料树脂（托盘）从滚筒料斗仓口移动到喷嘴尖端的时间，在喷嘴处，塑料树脂被注射进模具（参见图 1.0）。

                                                                                               图 1.0 注塑机注射装置中的停留时间

       塑料工业常规做法是，塑料树脂制造商在《物料安全数据表》（MSDS）/材料数据表中注明特定塑料树脂（在加工阶段）的最长停留时间，使得最终用户认识到上述要求，从而塑料能在正确条件下得到加工，使之在加工时间前后都能保持其材料性能。换言之，材料在滚筒中的停留时间不应超过规定的要求。实际情况中，停留时间取决于塑料树脂通过滚筒到达喷嘴过程中的流速，而后者直接受滚筒容积（加热缸）的影响。

        为什么产品质量与停留时间有关？

       我们来了解一下塑性特征……

       大量用于注塑行业中的塑料/聚合物通常为热塑性塑料，其或者具有晶性链（有序结构）或者为非晶质（随机结构），其塑化周期/转变阶段如下面的热稳定性图（图 2.0）所示。

 

图 2.0 热加工和降解阶段及工艺窗口

       ** 注：上图表明，塑料材料应在图中贝尔曲线范围内的特定时间及特定温度进行加工，如加工时间/温度超出曲线范围，则材料会开始降解（化学链/聚合物化学键断裂）。

在注塑工艺中应用对聚合物的上述理解，过热的塑料（或简言之降解的塑料）由于其聚合物化学链断裂，实际上也就有别于聚合物的属性，它将不再具备适当的属性，也无法处于稳定状态，最终也无法用于生产或制造中。

       深入了解机器中的塑料成型/运动流程……

       实际情况是,在注塑机的注射装置中(图 1.0),首先，树脂材料从料斗干燥器/除湿器经料斗仓口进入加热滚筒（根据树脂规范/要求，树脂已经在特定温度[80℃~110℃]经过特定时间[2~4小时]的烘干/加热），在给料过程中经过旋转注射螺杆，将逐渐被送回到滚筒中。上述流程称为恢复过程，其中，在滚筒加热下（H1 ~ H5），在转变阶段，树脂缓慢熔化，这是一个渐进调整的过程，由于螺杆和装有半熔融状态的树脂滚筒之间的摩擦，将额外生成剪切热，从而树脂熔点要波动 ±10℃。熔化的树脂将通过止回阀环（逆止阀）积聚进入前端的注射计量装置中，此处温度最高（H4~H5）（参见图 1.0）。因此，成型流程中的停留时间是指塑料树脂从进入滚筒开始直至熔融物从喷嘴喷出的时间段。

       通常，成型流程出现问题时，检修人员/工艺工程师会检查引发问题的其他直接初步原因/因素，而实际上，与“停留时间”有关、间接导致故障的原因才是问题的根本原因。这是因为后者对其他因素产生影响才导致了故障的产生。 由于随时间的推移，材料发生了降解，有时候生产一小时后积聚的热量就能使材料熔融。下表中列出了常见注塑缺陷及导致缺陷的原因，这些原因也是由于停留时间所导致的间接原因。

       质量问题一览表（塑料产品质量缺陷一览表）

 

                                                                                                               表 1.0  “缺陷-原因”一览表

        总体而言，由于材料失去其机械/热/化学/电气性能（如抗拉强度、抗冲击强度、弹性/延伸率、硬度、导电性、可燃性等），会导致产品变脆（易碎/裂—粉状）。材料上述性能的改变，特别是 MFI（熔融指数）的改变，都会造成注塑模具流变（填充时间）和固化时间的不恒定，从而导致注塑流程的不稳定（缺陷率高）。因而，即使是诸如抗裂试验、坠落实验、冲击试验等塑料性能测试结果正常的塑料也会产生缺陷。

       解决方案—避免上述问题的方法或已有问题的应对方法

       解决上述问题的方案可分为两类：一是从避免问题角度出发，二是从应对问题角度出发，针对行业中已发现的问题采取应对措施。.

      首先，生产工艺工程师要做一个简单的计算，确定/估计生产中的实际停留时间。

       将实际停留时间与材料数据表中给出的值比较，确定其是否超出规定范围，这是一种很常用的方法。它在诸如挤制加工、注塑、吹塑、压塑等工艺流程中被广泛用于塑料可靠性和流程稳定性的指示/评估。这个时段/时间的监控和管理是一个关键因素，对于控制成品质量十分关键，而成本质量与初步研发阶段和量产阶段都是息息相关的。我们来将注意力转到解决上述问题的方法（预防与纠正）之上：

      1.    治病不如防病，预防胜于补救

       正像我们前面提到的那样，在量产阶段，有若干方法能防止上述问题的出现—事先计算停留时间。项目工程师应与流程工艺工程师合作，根据现有经验评估/估算停留时间，或者通过模拟的周期和部件重量及现有产能（计划使用的设备）计算停留时间。

       为此，必须早在原型阶段就思考这样的问题—怎样才能做到这样呢？？并在现有系统之中融入上述原则。在将上述原则融入诸如生产批准程序（PPAP）（像 DFM、FMEA等工具）的现有系统之中，上述原则就会自然而然地得以贯彻，项目工程师就将据此原则启动和实施产品开发：在何处？怎样做？

-          在新产品导入(NPI)（3D CAD 建模）模拟阶段（模具流变分析及可制造设计[DFM]可行性研究）就要加入对停留时间的评估，并将其作为一个检查项目。

o    将此作为关键标准，评估并复核设计产品是否适于计划的生产线（现有产能）。

       由此，我们就能在最初的开始阶段避免出现大的洼穴。这样，就能帮助研发工程师规划/考虑在模具中采用的“型腔数量”，乃至选购适当吨位的机器（滚筒容积规格）。

-          将停留时间作为失效模式与后果分析（FMEA）阶段的一个评估参数，就能找到涉及的风险，并将其纳入控制计划之中，从而可避免风险，或者制定相应的应急计划。

DFMEA（设计失效模式及后果分析））—说明性示例

                                                                                                         表 3.0 设计失效模式及后果分析表

       **注：在原型阶段和量产阶段，如果由于产能问题需对周期时间或机器做出变更，本表可进一步升级为过程失效模式及后果分析表（PFMEA）。

       常规做法是，将失效模式及后果分析（FMEA）与《质量控制计划》结合起来，后者将在量产阶段用于作业指导书和《检查计划》之中。控制计划通常将首先在试运阶段起草并使用，并在量产阶段继续使用。在最初阶段，应在一段时间中对实际周期时间加以记录（继续生产运行数日），以评估流程的稳定性（特别是生产出部件的尺寸，用于统计过程控制[SPC] X-R 柱状图的热稳定性评估后，最终实现新品首件检验[FAI]合格）。

        质量控制计划—说明性示例

                                                                                                表 4.0 生产质量控制计划—包括涉及停留时间的问题

        1.     生产阶段的“补救”阶段或措施（应对措施）—后备方案

        有时，由于产品开发中的错误，这个标准被忽视，导致经不稳定流程生产出的产品带来大量损失，结果对生产造成极大的影响。如果公司生产的每件产品都在赔钱，长此以往继续生产就不会有任何意义。应对上述问题的惟一方法是，找出缩短塑料树脂在滚筒中停留时间的方法，并加快熔融速度，得到特定树脂的最长停留时间。以下提出若干建议：

-          如果可能，更换其他稍小的机器（滚筒稍小）：

o    计划将模具放在不同机器（稍小吨位）中运行，或者在稍小注射装置中加工（小滚筒—容积小就会使流速增加，最终缩短停留时间）；

o    将模具与较小的机器装配会有限制条件（模具尺寸与滚筒/拉杆/“日光”间隙及锁模力的配合）。

-          增加产出（周期时间改进—缩短周期时间）

o    周期时间的改进（缩短周期时间）。周期时间缩短会增加滚筒中材料的流速，最终缩短停留时间。

o    不过，在生产率改进中通常已改进优化到适当水平，周期时间通常仅能缩短数秒，而停留时间也只能缩短数分钟，因而改进空间并不大。

-          增加型腔数量—在模具中增加型腔（提高产出）—仅适于小型产品。

o    如此以来，将使材料流速增加，缩短停留时间（通常，由于模具基础和型芯/型腔及冷却通道/热流道已经得到优化设计，因而增加模具中型腔数量的空间极小）。

-          注射装置变更，代之以较小的滚筒，或采购小吨位机器。

o    如果产品价格（长期大量生产）足以弥补设备更新成本，并为特定产品配备机器全部产能，才可能对注射装置加以变更。

o    在现有预算资金条件下，为未来项目进行产能扩大，另外购买机器才有可能。

-          改变流道尺寸，增加材料量（造成材料浪费）—长此以往会增加成本。

o    本方案通常为万不得已的方案。在原材料成本并不昂贵情况下，为恪守对客户的承诺，工程师在有限的时间里别无其他选择才会做此选择。

o    由于每次注射都会带来更多的材料浪费，因而部件成本提高。

 

       案例研究及一些来自实践的体会

      案例 1

      1.  部件：下侧前后盖 RH/LH（靠近地毯布线护网）及发动机紧固件

      行业：汽车（著名德国汽车制造商）

       塑料材质：PA GF15% （玻璃纤维增强尼龙）

       问题：

       è下侧前后盖 RH/LH（靠近地毯布线护网）—部件表面有黑流

       è发动机紧固件—部件未通过抗裂试验（坠落试验）

       描述：

       生产上述塑料部件（下侧前后盖 RH/LH[靠近地毯布线护网]及发动机紧固件）的计划/工具均从新产品导入（NPI）阶段利用现有产能开始研发（海天注塑机 320 型，和东华注塑机 280T 型），并根据生产批准程序（PPAP）（ISO/TS16949）批准量产。遗憾的是，由于其他部件对机器上容积需求猛增，需要该机器产能增至 160%。由于有用于增加产能的预算，因而工厂管理部门决定购买新机器，以支持上述需求，而未来扩张需要考虑未来业务中大型部件/模具需要（购买了 380 T 型机器，滚筒尺寸、滚筒和锁模力略大—不幸的是，由于工程/规划团队未决定在新机器上转而使用何种模具，因而并未考虑这些模具的停留时间）。在工程变更通知（ECN）（压注模）中，以产品原型对模具进行小量测试，样品通过了新品首件检验（FAI）。不幸的是，在量产阶段（长期）， 质检部检测发现，2 个模具出现诸如黑流这样的缺陷（下侧前后盖 RH/LH），1 个模具出现部件变脆易碎（发动机紧固件）。经过数次故障排除，工艺工程师发现问题与停留时间有关，停留时间超过允许最长停留时间 1-2 分钟，因而流程不稳定，无法达到热稳定状态。

       措施：

       由于工具改进/变更空间很小，因而工程团队与规划团队共同对这些机器（380T、320T 和 280T）的模具进行了调整，考虑了流程参数（停留时间、模具尺寸、拉杆间隙等），并进行了几次模具试验和变更，给每部机器的模具均进行了调整。

        案例 2

       2.  扫描仪顶盖和后盖

       行业：消费产品（美国大型企业集团条纹码扫描仪）

       塑料材质：PC

       问题：透明材料变成褐色材料（烧灼结果）

       描述：

       在新产品导入（NPI）阶段模具试验阶段发现了问题，试图通过在稍大于预定机器上进行试运行（两部机器均为现有产能），以扩大/发现备用产能。

       措施：

       测试工程师填写了测试报告，供项目工程师未来参考，测试报告编入模具记录手册（模具使用记录），供生产参考。

        案例 3

        3.  部件：中心面板控制台

        行业：汽车（马来西亚汽车制造商）

        塑料材质：ABS

        问题：注塑流道在型腔卡住（部件在浇口部位变脆易损）—由于每运行 30 分钟，经 10-20 次注塑后，就要停止生产一次，运行工/技师需要关闭机器，疏通流道，因而生产率降低。

       描述：

       由于时间紧，模具开发跳过了几个新产品导入（NPI）流程，而由于成本限制，也未设热流道系统（又长又厚的浇口流道）。量产生产批准程序（PPAP）使用了原型 FAI 样品。然而，量产运行并不顺利，由于出现流道卡死问题，而厚流道需要更长时间硬化/固化，因而不时就要停产。结果流程需要更长的冷却时间（周期时间增加），而这就导致停留时间增加，最终致使材料变脆易碎，导致问题进一步升级。

       措施：

       重新设计浇口流道尺寸，减小其尺寸（更薄，更短—尺寸优化后就不会产生注塑成型不足问题）；改变/植入浇口嵌入件，改变机器喷嘴长度，使其更深入浇口。结果，冷却时间缩短（每次注塑的周期时间缩短 12 秒），由于加快材料流速，最终缩短了停留时间。

        结论及未来发展方向

        近年来，注塑工艺/注塑机伴随各种技术和革新得到改进。但由于细微因素未能得到足够的重视，往往会带来很大的不良后果（商业损失）。在早期，对上述因素加以考虑，采取预防措施，将能避免在随后出现问题。