是否存在一个“最重要”的注塑工艺参数?

作者:IPL Plastics Robert Gattshall 文章来源:PT塑料网 发布时间:2018-10-10
一个部件的注塑成型是与多个变量,包括充模平衡、充模时间、注射压力及型腔压力紧密相关的,它们都十分重要。 但是,还有一个参数对于成功的注塑成型是必不可少的。

我最近被问到一个问题,由于它与注塑成型过程的基础原理相悖,引起了我严重的情绪反应。对我来说,这个问题——“注塑成型过程中最重要的工艺参数是什么?”——类似于询问我喜欢我孩子中的哪一个。我的第一反应是:“你在开玩笑吗?”幸运的是,我并没有这样回答。

注塑成型
寻找“最重要”的参数可能是徒劳的。但有一件事是肯定的:你的员工是你最重要的资源,他们比设备更重要

这是我与一家大型医用制造商的一个小组坐下来讨论注塑成型医用工艺验证和科学注塑成型的原理时被问到的一个问题。对于医用成型行业的人来说,提出此问题令我感到吃惊。

考虑到在医用市场中,成型工艺过程基本上是一个客户一个规格,与部件尺寸一样,对于交付产品至关重要,因此我不期望提出这样的问题。

在医药领域,客户通常都要求你出示证据证明你运行的产品是处于验证期间确定的过程控制限制范围内。我认为操作资格认证(Operation Qualification ,OQ)是成型商开发工艺过程中的IQ/OQ/PQ协议阶段,而性能认证(Performance Qualification,PQ)设定了你的控制上限和下限,但这是另外的一个问题,在此不作讨论。

这次谈话是我写这篇文章的动机,文中我会分别指出几个过程参数的重要性,并且确定是否确实存在一个“最重要的”过程参数。在非常清楚地表明注塑工艺的所有输出参数都很重要之后,令我感到吃惊的那个问题自然也就有了答案。

充模平衡

我非常清楚地阐明,充模平衡本身不是一个工艺参数,而是由许多参数输出的结果。也就是说,如果我必须有所选择,那么充模平衡将是过程开发的起点之一。

当后续问题是“好吧,那么控制充模平衡的最重要参数是什么?”时,我几乎失去了镇静。我的回答是:“这个问题真有答案吗?”数以百计的变量可以影响充模平衡。无论是热力学、回用料百分比、模具尺寸还是剪切,都不可能认为其中的一个要比其他的变量更重要。

也就是说,可以讨论平衡充模的重要性,更进一步说,可以讨论不平衡充模对部件质量和尺寸重复性的影响,特别是对于医用部件要求达到1.33和1.67的Cpk和Ppk数值。医用成型行业中尺寸规格的Cpk只是一个型腔与另一个型腔的对比。因此,它有助于确定一号型腔的变化,以此类推,一副32腔模具上的所有型腔的变化都能确定。从这个角度来看,充模平衡绝对是重要的。如果无法以相同方式使部件充模,则部件保压将无法相同,这样Cpk值可能会变得非常低。

在第一阶段充模的型腔充满得较少,因为型腔中的熔体黏度较高。不要忘记塑性流动的基本规则:塑料沿阻力最小的方向流动。如果我们有一副双腔模具,在第一阶段一个型腔充满,另一个型腔充满80%,则阻力最小的路径是那个未完全充满的型腔。

平衡充模确保每个型腔在同一时间点充模和保压,进而保证每个型腔都经历类似的工艺条件。它是构建流程的基础,因此其重要性不言而喻,但仍然很难将其称为“最重要”的参数。

充模时间

也许最重要的工艺参数是充模时间。让我再说一遍——这是一个输出结果而不是设定值。参数定义为“根据特定情况选择的一个数值。”我们确实选择了一个充模时间,但我们是通过调整机器参数来实施的。我们中的许多人采用的成型基础都是集中在过程的输出结果上。

考虑到许多参数对过程的输出结果有贡献,“最重要的参数是什么”这一问题的提出是站不住脚的。有许多成型商会说充模时间是工艺过程的基础,并且有许多试验可以确认这种说法。

在确定过程的充模时间之前,我通常会对流变学、黏度线性、充模平衡和机器变化进行研究。而充模平衡受充模速率的影响很大,并且会根据我们注射的快慢来改变。

注塑成型过程是一个关联的过程,这意味着多个变量和参数将相互直接或间接地产生影响。一个注塑成型过程很少是孤立的,它会受到很多因素的影响。

利用充模时间,一些加工商可能会完成较少的试验,有些试验甚至可能会很有价值。不管如何确定充模时间,关键是确保在模具或部件的整个生命周期内保持相同的充模时间。如果我们保持住了一个充模时间,就会确保塑料分子取向相同,从而使每次运行的充模保持一致。这将有助于我们获得一致的收缩率、剪切速率和充模平衡。

同样,有几个变量会影响一个部件的收缩方式,在此我只指出一个变量。我们行业中有许多专家认为充模时间是一个稳定过程的基础,但它真的是最重要的吗?

现在,如果要问“我需要做什么来确保一个可重复的充模时间呢?”答案是正确的注射压力。所以,这是否意味着注射压力是最重要的参数呢?

注射压力

注射压力对于一个可重复的过程是非常关键的,虽然你预计这个输出结果会有一些变化,但是如果压力不足,则可能对部件的质量造成灾难性的后果。

压力受限的过程缺乏根据材料黏度变化进行自我调节的能力。如果材料黏度增加到超过可用的机器压力,则我们得到的压力曲线将突然变平,并且充模时间增加。在这种情况下,机器需要更长的时间才能达到V至P的转换点。这可能会产生一些缺陷,最明显的就是欠注或充模不足。

当我们提到科学成型或分段成型时,我们实际上指的是控制速度的第一阶段,但如果我们对实现它的压力有限制的话,那我们就完全无法控制速度。

我知道的有几家加工商在过程监控方面忽略了注射压力,推断“只要它不受限制,它就不是关键的过程输出结果”,并且期望看到变化。

我同意压力应该有所变化,但是最多不能超过多少?以及为什么这很重要?过多的变化是在验证运行期间确定“正常”变化之外的任何变化。根据产品和客户的规格要求,在验证过程中使过程经受挑战并模拟黏度变化非常重要。例如,如果你的规格允许在生产中添加回用料,那么你需要在过程验证期间包含一个采用回用料的运行。

一旦你有了基线并确定了过程的正常变化,当峰值注射压力变化超过该基线时,了解其原因非常重要。我并不是说你应该立即拒绝这个产品,我是说这个产品需要进行审查,更重要的是,成型商必须确定增加的变化来自何处。

型腔压力

鉴于成型商每年花费数百万美元添加型腔压力传感器和设备来监测和控制其过程,型腔压力一定是一个关键输出结果。型腔压力传感器具有根据型腔压力来填充每个型腔的能力,或者甚至通过型腔压力控制V至P的转移,从而提供了部件之间以及注射之间的尺寸稳定性。尽管投资可能很大,但其好处已得到证实。然而,我的看法是:不是每件产品都需要这种技术。

如果你是汽车零部件成型商并且成型“A”级表面的产品,那么即使在型腔压力控制范围内运行的部件也可能由于视觉缺陷而不合格。

型腔压力传感器不会让你知道这些部件的纹理上是否有划痕或锈斑。如果设置正确,型腔压力传感器可以监控欠注和溢料;但它们可能无法捕捉到与材料流动无关的视觉缺陷。

如果型腔压力传感器安装在正确的位置,则峰值型腔压力可以提供一个高水平的控制和监测。但是,我认为采用型腔压力传感器的最大好处不是平稳的型腔压力输出。来自型腔压力传感器的冷却速率输出提供了塑料收缩离开传感器的速率。可以令成型商放心的是,每次运行时水的冷却速度都是相同的。因此,型腔压力的讨论可能实际上就是对型腔压力传感器的讨论。

然而,我的这一看法也不是令所有成型商受用,因为有许多成功的成型商并没有投资这项技术,但他们仍然是数据驱动的科学成型商。

人作为一个参数

试图为像注塑成型这样一个关联的过程确定一个“最重要的参数”是绝对不可能的。没有一个最重要的参数,也没有一个最重要的装置。然而,有一项关键的资源是“最重要的”,那就是你的团队成员。

你的员工,包括技术人员、操作人员和其他人,都是最重要的。无论我们是在讨论过程开发、过程控制还是技术,做那份工作的人对其成功的影响最大。确保你拥有熟练、积极主动且经过适当培训的员工队伍,这最终将决定你发送给客户的产品质量。

要在不超过设备投资的前提下尽可能多的在人员上投资,因为这对于安全和成功的注塑成型过程是个关键。试想一下:如果你认为充模时间是最重要的工艺参数并且你应用了严格的控制限制,那么仍需要有人来打开那些控制器。

人不仅需要了解如何打开控制器,还需要了解如何在设备无法正常运行时对其进行故障排除。我们的许多行业培训都侧重于工程和过程开发技能,但我们仍然没有为模具和安装技术人员甚至操作人员提供培训。

我们需要与其他技术行业类似的标准,并为我们的技术团队成员提供明确的职业发展道路。我在注塑成型方面花了多年时间,用各种类型的设备进行成型,并开发过程和系统来监控它们。我的经验告诉我,这些系统永远无法取代训练有素的技术人员。它们只是为我们提供了工具,这些工具是为客户提供一流的效率和部件质量所需要的。它们都不是孤立的。像注塑成型过程一样,我们的资源(设备和团队成员)是互相关联的,成型商不能把他们孤立起来。

关于作者

Robert Gattshall在注塑行业拥有22年以上的经验,并持有科学注塑成型和精益六西格玛工具的多项证书。Gattshall开发了多种防误防错(Poka Yoke)系统,其中包括第三方生产和过程监控系统,如Intouch生产监控和RJG。他曾在汽车、医用、电气和包装生产行业中担任多个管理和工程职位。Gattshall也是美国塑料工业协会公共政策委员会的成员。自2018年1月起,他加入IPL Plastics团队担任工艺工程经理。

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