测试4-注塑成型工艺窗口测试

　

一、成型工艺窗口及其测试的意义

  成型工艺窗口也称为成型区域图。在此范围中注射的产品外观合格，但尺寸并未加以考虑。窗口范围越大，工艺就越稳健。应注意的是，工艺窗口只能提供外观合格产品的工艺参数范围，故亦称作外观工艺窗口,如图1。

图1

  成型工艺窗口视窗是非常重要的一个测试。外观成型视窗会告诉有多大空间来调整工艺的,同时能得到外观可接受的产品。最理想的情况是有一个比较大的成型视窗。如果成型视窗比较小，就会比较容易产生质量缺陷。例如在上图中，如果成型视窗比较小，就比较容易因为工艺本身的波动而出现短射或者毛边。稳健的工艺就是拥有比较大的成型视窗来弥补工艺本身的波动。

  工艺窗口测试是工艺开发六个步骤中最重要的一步。工艺人员的目标是设定好成型工艺，开始注射生产之后，可以放心离开，无需频繁地调整工艺就能生产合格的产品。工艺窗口越宽，工艺趋于稳健的概率也就越大。

二、注塑成型工艺窗口测试参数的选择

  塑料注入型腔的过程可分为两个主要阶段。第一是注射阶段，模具型腔完全被熔融塑料填满，熔体的体积等于型腔的体积。第二是补偿阶段，由补缩和保压组成。补缩压力应能够补偿额外的塑料量，其体积相当于塑料与低温型腔壁接触后因受冷产生收缩的体积，而保压压力应将塑料限制在型腔内，直到浇口冻结。该阶段中需受控的参数包括补缩压力、保压压力、补缩时间和保压时间。在大多数注塑工艺中，补缩阶段和保压阶段并未加以区分，它们被统称为保压阶段。因此，我们也将补缩和保压阶段统称为保压阶段或补偿阶段。

  机器应具有足够的压力对型腔内的塑料施压，并补偿塑料的收缩。如果成型过程中压力受限，产品上就常常出现缩痕或尺寸问题（通常是尺寸过小）或尺寸波动较大。如果进行制程能力评价，该值通常较低。此时的塑料压力已无法将产品补缩到最优水平。

  保压压力通常对产品的质量影响最大，因为它直接影响比容，进而影响产品尺寸。因此，保压压力对结晶型和无定形这两种材料都很重要。无定形材料的熔体温度通常比模具温度的影响更大，而结晶型材料则相反，模具温度的影响更大。所以，通常这个外观成型工艺视窗是由保压和料温(无定形料)、保压和模温(结晶料)构成。

三、无定形材料工艺窗口的确定流程

  下面介绍以保压压力和熔体温度为变量开发无定形材料工艺窗口的流程。

①　模具温度设置为模温推荐范围的中值或某个期望值。

②　料筒温度设置为熔体推荐温度的下限。

③　注射速度设置为黏度曲线实验获得的数值。

④　所有保压时间和保压压力均设置为0。

⑤　螺杆储料延迟时间设置为估算的产品保压时间。

⑥　冷却时间的设置应长于一般估计值（即如果估计的冷却时间为10s，则将冷却时间设置为20s）。

⑦　开始成型并调节切换位置，让产品充满95%~98%。产品重量记为“仅注射阶段产品重量”。

⑧　成型大约10模产品，让工艺和熔体逐渐稳定。

⑨　保压时间的设置应确保浇口已完全冻结，保压时间的确定通常基于以往的经验。在本实验中，将保压时间设置在10～12s之间。

⑩　逐步小幅增加保压压力，记录开始产出外观合格产品时的压力。产品上不能有短射、缩痕或缩孔等缺陷出现。

⑪　将此压力值标记为“低温-低压”角。

⑫　用类似前步骤里的增量逐渐提高保压压力，并记录产品出现不合格迹象时的压力，如粘模、飞边或翘曲。将此压力标记为“低温-高压”角。

⑬　将熔体温度提高到推荐范围的上限，重复上述后两个步骤。这一次两个极端参数组合将是“高温-低压”和“高温-高压”角。

⑭　将工艺窗口中心的点作为设置的工艺参数。

⑮　记录的成型工艺窗口测试数据，表1。

表1 

⑯　成型工艺窗口测试数据作图

连接这四个角就形成了注塑成型工艺窗口或注塑区域图，如图2。

图2 工艺参数窗口测试表（无定形材料）

四、结晶型材料工艺窗口的确定流程

参照无定形材料工艺窗口的确定流程，

①　料简温度设置为熔体推荐温度的的中值或某个期望值。

②　模具温度设置为模温推荐范围的下限或上限值。

③　记录的成型工艺窗口测试数据，表2。

④　成型工艺窗口测试数据作图

 连接这四个角就形成了注塑成型工艺窗口或注塑区域图，如图3。

图3 工艺参数窗口测试表（结晶型材料）

五、注塑成型工艺窗口的应用

1、工艺窗口的大小显示了所选工艺在能生产出外观合格产品的前提下所允许的波动范围。工艺开发的目的是拥有一个大的工艺窗口。如果工艺窗口太小，就会存在产品出现缺陷的风险。例如，通过工艺窗口测试生成的图表显示，在狭小的工艺窗口内，即使工艺上的随机波动也会不时造成短射或飞边缺陷。稳健工艺应该是窗口宽泛的、能容纳系统内固有随机波动。

2、如果一套模具产生出的产品同时存在短射和飞边，这样的模具没有任何工艺窗口可言。因为生产不出合格产品，就应该进行修模。

3、工艺窗口极小的模具通常会引起产品尺寸问题。产品即使外观合格，也无法符合所有尺寸规格。如果满足尺寸规格后，产品的外观又不合格了。要用这样的模具实现稳定生产无疑难上加难，工艺人员必须不停地调整工艺。如果生产车间里有一批这样工艺窗口狭小的模具，很容易消耗掉大量的资源，使工厂无法高效运行。确定工艺窗口是所有工艺工程测试中最重要的一项测试，即使跳过其他测试，这项也不可或缺。

4、外观工艺窗口越大，满足尺寸要求的机会就越大。应尽一切努力建立一个宽泛的尺寸工艺窗口。

5、用图示工艺窗口以外的参数生产的产品会产生如缩痕、飞边或内应力等缺陷，都不合格。低于推荐熔体温度下限时，因熔体缺乏均匀性会引起短射或产品性能不足等问题。而当熔体温度高于推荐值上限时，材料的降解会使产品性能如力学性能丧失，产品也不合格。

6、模具温度过低时，塑料缺乏足够的能量形成晶核。而当模具温度高于结晶所需温度时，周期时间延长。故此应将工艺设置在窗口中心，这样即使工艺在窗口内出现波动，仍可生产出外观合格的产品。窗口越大，

7、在补缩阶段应该将产品重量填补至理论重量。塑料量偏少，产品保压不足，塑料量偏多，产品又会过保压。保压不足的产品会出现如缩痕和缩孔等缺陷，这些产品通常表现出较大的成型后收缩。而过保压的产品中可能存在内应力，它们一般在成型后才释放出来，导致产品翘曲或过早的力学性能失效等缺陷。

8、理想的补缩和保压压力可借助模具工艺窗口评估以及浇口封闭测试来确定。通过改变两个工艺变量便可建立工艺窗口。

9、对于无定形材料，保压压力和熔体温度是常常选用的两个变量。模具温度要么设为推荐值的中心，要么设为推荐范围内的期望值，温度的选择可以来自于类似产品的生成经验或基于其他原因，例如为了获得更好的外观质量。

10、对于结晶型材料，选择的两个变量是保压压力和模具温度，其中模具温度对晶粒的形成更为关键，而结晶度最终决定了产品的性能。同时，结晶型材料的熔体温度范围也很窄，因此改变温度得到的信息并不比在温度范围中心取值更多。