从粒料到浇口:用一种总体观进行熔体管理

作者:本刊编译(原作者Bruce Catoen) 文章来源:PT塑料网 发布时间:2019-01-01
对于熔体输送系统,也就是从螺杆到热流道浇口的部分,加工商总是习惯于对其中的某个组成进行单独的分析或思考。但事实上,对整个系统进行综合分析对周期时间、部件质量、废品率和能耗会产生更大的积极的影响。

料筒和热流道中的运行情况对生产效率和产品质量有关键性的影响。通过本文,加工商们能学习到改进熔体形成过程、输送过程和控制过程的方法,以便在每天的加工中生产出更多的合格部件。

如今,市场对更薄、更轻和更复杂部件的需求,增加了成型的复杂性。客户要求提高精度,采用新的树脂、添加剂、多种材料和更高的型腔数,以及频繁的换色和更快的周期。当一个成型单元越是接近于客户提出的要求时,一旦出现某个缺陷,那么它所带来的影响就会越明显。这些弱点可能会提高保持整体设备效率(OEE)的难度。在这种情况下,熔体质量和填充平衡的重要性就得到了凸显。

不过,没有多少加工商会对从粒料到浇口(如图1所示)的整个过程进行综合分析。相反,流径中的每个组成部分常常都是被独立优化的,这只会形成一个次优化的系统。而普通成型商和世界级成型商之间的差异可能就在于这一点(见表1)。那么,优化的熔体分配系统能否帮助普通成型商成为世界级成型商呢?

图1 如果要使优化有效,请对整个熔体输送系统(从螺杆到热流道)进行整体性的综合分析
1 如果要使优化有效,请对整个熔体输送系统(从螺杆到热流道)进行整体性的综合分析

表1.普通成型商和世界级成型商的对比

优化熔体分配的试验

为验证优化的熔体分配系统是否能产生更均匀的熔体,进而改善注塑单元的整体性能,本文进行了一组试验。一台200t的Milacron-Fanuc Roboshot注塑机,分别搭载两种不同设计的螺杆、4种不同设计的热流道(如图2所示)以及一副16腔28mm的瓶盖模具,采用Lexan PC树脂进行了对比测试。填充平衡、压降、部件尺寸、换色、能耗和工艺窗口等参数被评估,用来确定最佳性能。在此基础上,最佳配置与最差配置之间的差异也显现出来。

图2 关于熔体分配系统各种组成部分对加工和部件均匀性影响的试验。试验中使用了4种不同的热流道设计,这其中还包括大小不同的熔体流径
2 关于熔体分配系统各种组成部分对加工和部件均匀性影响的试验。试验中使用了4种不同的热流道设计,这其中还包括大小不同的熔体流径

通过试验结果发现:

1.注射压力与注射时间

在理想情况下,成型一个部件的注射压力要尽可能的低,这样有助于减少合模吨位、机械应力、模具磨损、能耗、部件上的模压应力、溢料、顶出问题和其他部件问题。不过,如果成型单元的注射压力不足,或是填充型腔的阻力太高,可能会导致凹陷、翘曲、欠注射和尺寸变化等各种缺陷,而无法成型出一个合格的部件。这些缺陷中的每一个都可能导致明显的质量问题、影响设备的正常运行时间,从而降低成型单元的OEE。

“从粒料到浇口”这一系统对成型出一个合格部件所需的注射压力有很大的影响(如图3所示)。其中,热流道的布局对所需填充压力的影响可能高达6000psi(41MPa),或是总填充压力的30%~40%,且流径尺寸也是决定注射压力的主要因素。研究还发现,填充平衡对注射压力也有明显的影响。一个不平衡的热流道系统可能需要10%~15%的附加压力才能填充所有的部件。另外,螺杆设计对注射压力的影响高达2000 psi(14 MPa),或总充填压力要求的6%~8%。

图3 注射压力与注射时间
3 注射压力与注射时间

通过优化螺杆和热流道设计,可将所需要的注射压力降低近50%。总体而言,最优化的熔体分配和控制系统能将注塑时间缩短了0.25s,这相当于整体设备效率提高超过3%,每年能多生产近600万件产品。

2.填充平衡

熔体输送系统的主要目标之一是将熔体以相同的流变条件输送到模具中的每个型腔中。一个平衡性很好的模具有助于实现更快的周期、增加正常运行时间并生产出更均匀的部件。评估平衡程度通常要成型出一系列欠注射(填充80%~90%)的部件,然后测量这些部件的重量变化。部件重量差别越小,平衡越好。

本文所进行的试验评估了两种螺杆设计和4种热流道设计,以找到填充平衡的最佳硬件配置。与最差的组合相比,螺杆和热流道的最佳组合可以将填充平衡提高17%(如图4所示)。

图4 螺杆和热流道设计对填充平衡的影响
4 螺杆和热流道设计对填充平衡的影响

另外,试验还发现,改进的填充平衡使部件平均重量减轻了0.05g,部件的尺寸变化减小了0.1mm。屏障型螺杆生产的部件其平均重量和部件重量的变化幅度较大。通常,热流道是解决填充平衡问题的重要突破口,但通过该试验可以看出,螺杆对填充平衡也有着重要的影响。

单就热流道而言,最大的流径和最光滑的圆角设计实现了最佳的填充平衡。这是因为流径中熔体的流动方式是层流。最靠近流道壁的材料所承受的剪切要比在流道中心的材料多。当熔体流经一个尖角时,会发生更大的剪切和动量损失。采用最佳的设备配置组合,可以使OEE提高3%~5%。

3.部件重量与注射速度

部件重量的变化幅度减小有助于改善多腔注塑单元的性能。从图5中可以看出,随着注射速度的增加,部件重量减轻,且重量的变化幅度也减小。

图5 随着注射速度的增加,部件重量减轻,且重量的变化幅度也缩小了。一个拥有更小压降的热流道设计有助于充分利用注射速度所带来的优势
5 随着注射速度的增加,部件重量减轻,且重量的变化幅度也缩小了。一个拥有更小压降的热流道设计有助于充分利用注射速度所带来的优势

为了利用这一现象所带来的优势,系统必须具有一个较低的压降和相等的填充平衡。因此,如果热流道系统中的填充平衡和压降得到优化,就可以通过减轻的部件重量和更快的周期来进一步降低部件成本。

4.换色

使用热流道配置D和螺杆设计B可以实现最快的换色,尽管这种组合没有一起尝试过(如图6所示)。螺杆B与螺杆A相比,换色时间缩短了24%,这主要是由于螺杆B的流道深度更小、压缩比更高。热流道配置D性能最佳,因为它的流道尺寸小且拥有波状外形的流道布局。

图6(1).png
6 从暗色到天然的的转换

众所周知,可以通过更高的剪切速率(更小的流道和螺槽深度)来提高换色效率,因为它缩短了最靠近料筒和流道壁的塑料的滞留时间。波状外形的熔体流径以及不在螺杆中设置屏障段,对于缩短换色时间也很重要,因为平滑的路径减少了可能导致前一种颜色挂料的位置。总之,任何有利于“洗掉”之前所用颜色的几何形状都会缩短换色所需的时间。

5.能耗

设计合理的熔体系统对于降低能耗也是非常关键的。试验结果(图7)显示,通过使用螺杆设计B和热流道设计B,成型商可在一副48腔模具上每年节省4800 ~7200美元。这表示将所需能耗降低了5%~8%。

图7 螺杆和热流道对能耗的影响
7 螺杆和热流道对能耗的影响

总体性能总结

表2显示了每个螺杆和热流道组合的相对性能。这里需要强调一点,没有哪个螺杆和热流道的单一组合对于所有测试变量都是最佳的。例如,针对压降的最佳性能组合并不能实现最快的换色和最低的能耗。这就是为什么成型商可能会选择一个“通用”的解决方案,该解决方案可能有良好的平衡性,而不是针对特性情况的最佳结果。

表2.性能值概览

但是,成型商应该仔细权衡优化成本和它产生的净效益。因为如果能将设备效率提高有几个百分点,那么采用新的热流道或螺杆与料筒可能就非常值得。

实现有效熔体管理的关键

1.了解粒料

优化熔体分配系统的首要考虑因素是正在加工的树脂。每种不同牌号的树脂都有不同的特性,为了获得最佳的性能,系统设计时必须考虑到这些。特别是硬件设计时,匹配塑料的需求是实现优化的首要条件。

2.采用系统式的思考方式 
从塑料熔融到将其输送到模具浇口的这一过程是树脂、干燥器、加料器、颜色或添加剂混合、注塑机和热流道之间的一种复杂的相互作用。如果将每个部分与其他部分分开进行优化,只不过形成了一个子优化系统。

3.塑化

“产生均匀的熔体并将其注入热流道”该过程是成为世界级成型商的一个关键。螺杆的配置对熔体均匀性有很大的影响,也与部件重量的重复性以及熔体温度均匀性密切相关。

当成型表2中这种牌号的PC树脂时,B型螺杆实现的温度均匀性要比A型螺杆差,温度波动也更大。此牌号树脂的高黏度导致均匀性对螺杆的几何形状有高度的依赖性,而这种均匀性的等级也将被带到热流道和模具中,因此形成良好的熔融至关重要。

4.螺杆梢部到热流道入口

热流道和注射单元之间的尺寸和接触半径必须相匹配,否则会导致流动限制、挂料点和压力损失。这些缺陷中的任何一个,或者所有缺陷一起,都可以通过延长周期时间和停机时间、增加废料,从而降低OEE。

5.热流道

热流道系统的任务是将熔体以“与离开料筒/注嘴时完全相同的状态”输送到每个型腔。热流道系统不能对熔体的不均匀性进行调节。如果热流道系统设计或制造不当,就可能导致生产中断和部件缺陷。该系统需要温度沿流径均匀分布,且压降要尽可能小,没有挂料点,同时还要有适度的剪切速率。热流道中的熔体流径布局不平衡可能导致部件中的许多问题。从图8中的3D粒子示踪剂图像可以看出,两个看似平衡的热流道会产生不同的结果。单级H型集料管在热流道中产生优先剪切,这反过来会在成型部件中产生问题。

相反,具有X型熔体流径的热流道其剪切分布和最终的填充模式更均匀。总之,螺杆和热流道彼此协作来管理和控制注塑过程中的熔体产生与分配。二者中有一个设计不良,另一个也无法正常工作。未能优化的螺杆和热流道会导致严重的问题,从而造成质量、产量和利润下降。

就像在许多事情上一样,链条的坚固程度取决于它最薄弱的一环,对熔体分配系统而言也是如此。一个从粒料到浇口的优化解决方案能为成型商提供实质性的益处。

一般和最佳之间的差异对企业的盈利能力影响非常大。尺寸、部件重量、平衡、浇口质量、回收率和换色的变化都可能轻易造成系统输出(废料、正常运行时间、换色和周期时间)的1%的差异(图9)。

图9 熔体均匀性所带来的影响
9 熔体均匀性所带来的影响

在这个试验中,成型商仅通过优化熔体分配系统就能将其OEE提高6%。以此试验设计为基础,采用一副48腔PP瓶盖模具(见表3),运行的时间比基准快0.4s,这可能意味着每年多生产900万个部件。部件重量减轻0.05g可以节省17000美元的材料成本。只提高1%的正常运行时间,每年能多生产650万件产品。显然,对现有的熔体分配系统进行改造是值得考虑的,因为投资新组件只需几个月即可收回成本。

表3.从普通到顶级:百分之几很重要(加深的字体为最佳值)

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