1)从注塑成型问题诊断探讨产品、模具与工艺设计的优化.广州.051611

从注塑成型问题诊断探讨产品、模具与工艺设计的优化ReviewingPart,MoldandProcessDesignOptimizationfromthePointofViewofTroubleshooting徐昌煜CharlesHsu2011年5月15和16日于广州骏星酒店,试模及量产时，经常遭遇的问题包括银纹、波纹、虎皮纹、流痕、气痕、缩痕、熔接痕、应力痕、黄化、脆裂、变形、周期时间长等，使得材料、能源、机器、设备、时间、人力及金钱浪费、良率偏低、甚至无法交货。若无正本清源之道，只有走上败亡之途。试模和量产中80%的问题源自设计不当，产品、模具与工艺设计是救亡图存、反败为胜的关键。,强度、应力、降解与污染(60分钟),对材料施加外力时，材料产生阻力而变形。换言之，材料受外力而在内部积蓄应变能。在变形的初期，以分子内原子间的距离变化或分子间距离的变化来应对，之后逐渐无法应对而发生各种构造变化，如部分分子向外力方向，或分子链从结晶中拉出等。这时，部分能量则因材料的粘性效应而变为热能逃出。若继续对材料做功，材料则形成新表面以便放掉能量，这就是破坏，而这时的材料的限界阻力就是强度。,强度Strength,外力有:(1)拉伸、(2)压缩、(3)剪、(4)弯曲和(5)扭转，这些是由外力的方向差产生的。,外力ExternalForce,拉伸,剪,弯曲,扭转,当外力施加于材料时，材料内部产生一种阻挡这外力的内力。每单位面积的内力叫做应力。外力F，应力时：A是内力作用面的截面积。材料的强度系以每单位面积可以承受的内力即应力表示。,应力和强度StressandStrength,拉伸应力、拉伸应变和弹性模量,whereF:tensileforce拉伸力A:areawhereFapplies拉伸力所施之面积(紅色):tensilestress拉伸应力:tensilestrain拉伸应变E:modulusofelasticity弹性模量:Poissonsratio泊松比,=(unitlateralcontraction)/(unitaxialelongation),whereF:shearforce剪力Aacmn:areawhereFapplies剪力所施之面积:shearstress剪切应力:shearstrain剪切应变G:shearmodulus剪切模量,剪切应力、剪切应变和剪切模量,wherex:bendingstressinthexdirectionx方向弯曲应力M:bendingmoment弯曲力矩I:momentofinertiaofAwithrespecttozaxis惯性力矩A:cross-sectionalarea断面积(断面线处),whereE:modulusofelasticity弹性模量EI:flexuralrigidityofthebeam梁之弯曲刚性,弯曲应力,TorsionandTorque扭力与转矩,WhereG:shearmodulus剪切模量:shearstrain剪切应变r0:outsidediameteroftheshaft轴外径r:dA形心至轴之中心线之距离:theangleoftwistwhichisproportionaltothedistancexofthecross-sectionfromthefixedend扭转角(与断面和固定端的距离x成正比):=d/dx,theangleoftwistperunitlengthoftheshaft单位轴长之扭转角T:torque(appliedcouple)转矩(所施之力偶):shearstressondAdA上的剪切应力:shearstressattheoutersurfaceoftheshaft轴外径表面之剪切应力J:polarmomentofinertia极惯性力矩,TorsionandTorque扭力与转矩,Residualstressisaprocess-inducedstress,frozeninamoldedpart.Itcanbeeitherflow-inducedorthermal-induced.Residualstressesaffectapartsimilarlytoexternallyappliedstresses.Iftheyarestrongenoughtoovercomethestructuralintegrityofthepart,thepartwillwarpuponejection,orlatercrack,whenexternalserviceloadisapplied.Residualstressesarethemaincauseofpartshrinkageandwarpage.残余应力是制程中凝固在成型品中的应力。它可能是流动引起的或热引起的。残余应力对产品的影响与外力产生的应力相似。如果它们大到足以克服产品结构的完整性，产品在脱模时就会变形，而在之后受到外力时开裂。残余应力是收缩翘曲的主因。p.145,“C-MOLDDesignGuide”,残余应力ResidualStress,Theprocessconditionsanddesignelementsthatreduceshearstressduringcavityfillingwillhelptoreduceflow-inducedresidualstress.Likewise,thosethatpromotesufficientpackinganduniformmoldcoolingwillreducethermal-inducedresidualstress.Forfiber-filledmaterials,thoseprocessconditionsthatpromoteuniformmechanicalpropertieswillreducethermal-inducedresidualstress.在型腔充填期间能够减少剪切应力的工艺条件和设计要素可以减少流动引起的残余应力。同样地，举凡促进充分保压和均匀冷却者可以减少热引起的残余应力。至于添加纤维的材料，举凡增进机械性均布者可以减少热引起的残余应力。p.145,“C-MOLDDesignGuide”,残余应力ResidualStress,流动引起的残余应力Flow-inducedResidualStress,Unstressedlong-chainpolymermoleculestendtoconformtoarandom-coilstateofequilibriumattemperatureshigherthanthemelttemperature(i.e.,inamoltenstate).Duringprocessingthemoleculesorientinthedirectionofflow,asthepolymerisshearedandelongated.Ifsolidificationoccursbeforethepolymermoleculesarefullyrelaxedtotheirstateofequilibrium,molecularorientationislockedwithinthemoldedpart.Thistypeoffrozen-instressedstateisoftenreferredtoasflow-inducedresidualstress.无应力的长链高分子在熔点以上倾向于任意卷曲的平衡状态。制程中被剪切和拉伸的高分子依流向排列，如果高分子在充分松弛前被凝固，分子排列便被锁在成型品中，此一凝入的应力就是流动引起的残余应力。p.145,“C-MOLDDesignGuide”,Becauseofthestretchedmolecularorientationinthedirectionofflow,itintroducesanisotropic,non-uniformshrinkageandmechanicalpropertiesinthedirectionsparallelandperpendiculartothedirectionofflow.因为伸张的高分子沿流向排列，所以流向和垂直流向的机械性质不同而收缩率也不同。p.145,“C-MOLDDesignGuide”,流动引起的残余应力Flow-inducedResidualStress,热引起的残余应力Thermal-inducedResidualStress,Thermal-inducedresidualstressoccursduetothefollowingreasons:Materialshrinksasthetemperaturedropsfromtheprocesssettingstotheambientconditionsreachedwhentheprocessiscomplete.Thematerialelementsexperiencedifferentthermal-mechanicalhistories(e.g.,differentcoolingratesandpackingpressures)asthematerialsolidifiesfromthemoldwalltothecenter.热引起的残余应力的起因如下：制程从设定温度降到室温时材料收缩。当材料从模壁向型腔中心固化时，材料单元经历了不同的热力过程(如不同的冷却率和保压)。p.147,“C-MOLDDesignGuide”,Changingpressure,temperature,andmolecularandfiberorientationresultinvariabledensityandmechanicalproperties.Certainmoldconstraintspreventthemoldedpartfromshrinkingintheplanardirections.改变压力、温度和分子/纤维排列产生不同的密度和机械性质。某些模具的拘束阻止了成型品在面向的收缩p.147,“C-MOLDDesignGuide”,热引起的残余应力Thermal-inducedResidualStress,Thesinglebiggestcontributortothepoorperformanceofthemoldedpartisanexcessivelossofmolecularweight.-Thesecondlargestcontributoriscontamination.成型品功能不足的单一最大原因是分子量过度减损。-第二大原因是污染。TheMaterialsAnalyst,Part27:ContaminationspringsfromcostpressuresIMMDecember1999,成型品功能不足的原因ContributorstothePoorPerformanceofTheMoldedPart,Longerpolymerchainsmeanhighermolecularweight,increasedchainentanglement,andimprovedproperties.Thepropertythatbenefitsthemostfromhighermolecularweightisimpactstrength.Anytimeapolymerisheatedorsubjectedtothestressesofmeltprocessing,thereisthepotentialforthesepolymerchainstobreak.-长的高分子链意味着高分子量、增加的高分子链纠缠和改善的物性-受益最大者是冲击强度。无论何时，高分子在熔胶过程中受热或遭到应力，都有断链的倾向。-TheMaterialsAnalyst:Part1:Brittlepolycarbonate,IMMSeptember1997,分子量与熔融指数MolecularWeightandMFR,-Inaddition,somematerialsreactnegativelyandthepolymerchainsbreakupwhentheyareheatedtomeltprocessingtemperaturesinthepresenceofexcessmoisture.-Molecularweightisrelatedtothepropertyofviscosityormeltflowrate(MFR).-有些材料含水量过多而又加热到制程的熔胶温度时，会有逆反应，高分子链会被打断。-分子量是与黏度或熔融指数(MFR)相关的。-TheMaterialsAnalyst:Part1:Brittlepolycarbonate,IMMSeptember1997,分子量MolecularWeight,以熔融指数帮助诊断降解问题,熔融指数仪(meltindexer)是一圆筒状装置，内置特定温度的熔胶，上置特定重量的配重(weight)，量测每10分钟自底部镶件小孔中流出的熔胶克数，即为熔融指数(meltindex或MFR)。,Meltindexisameasureoftheamountofmaterialthatisextrudedfromasmallorificein10minat300kPa.Themeltindexiscalculatedandgivenasgramsper10min.,-Formostmaterials,comparingtheMFR(melt-flowrate)ofmoldedpartstotherelatedrawmaterialprovidesagoodgaugeoftheeffectthatprocessinghasonthepolymer.-就大多数材料而言，比较成型产品的熔融指数(MFR)和该产品原材料的熔融指数，可以衡量整个制程对高分子材料的影响。TheMaterialsAnalyst:Part64:Trackingdownthesourceofdegradationduringprocessing,IMMFebruary2005,熔融指数与降解MFRandDegradation,-Thereareseveralstepsintheprocessthatcancontributetodegradation,andbymonitoringtheMFRofthematerialasitpassesthroughthese,itispossibletoidentifythesourceoftheproblem.-在整个制程中有几个阶段是可能造成降解的，在这几个阶段监测材料的熔融指数，就可能认明问题的根源。TheMaterialsAnalyst:Part64:Trackingdownthesourceofdegradationduringprocessing,IMMFebruary2005,熔融指数与降解MFRandDegradation,Thefirststepisdryingthematerial-Therearenowell-interpreteddatatoshowthatdryingtoaverylowmoistureleveldoesanyharmtoamaterial.-However,itistruethatdryingamaterialforaprolongedperiodoftimeatanelevatedtemperaturecancauseoxidation,whichinturnresultsindegradation.-第一阶段是干燥材料-没有数据解释干燥致使材料含水量非常低时对材料会有损害。-然而，在高温下长期干燥，会使得材料氧化，而氧化造成降解。TheMaterialsAnalyst:Part64:Trackingdownthesourceofdegradationduringprocessing,IMMFebruary2005,干燥器Dryer,Thenextstepistheheatingcylinder.Alothappenshereandtheconcerncommontoallpolymersistimeandtemperature.Theseworktogetherandmustbeconsideredtogether.Amelttemperaturethatmaybeappropriateforaresidencetimeof5minutesmaybedisastrousfor10minutesakeyconsiderationifajobismovedbetweenpresseswithdifferentbarrelcapacities.下一阶段是加热料筒。很多事在此发生，时间和温度对高分子材料的作用是要一并考虑的。停留时间5分钟对某一熔胶温度可能是合适的，10分钟的停留时间就可能造成灾难这是在不同射胶量的注射机上成型时的关键考虑。TheMaterialsAnalyst:Part64:Trackingdownthesourceofdegradationduringprocessing,IMMFebruary2005,料筒Cylinder,Theotherconcernduringmeltprocessingisthepossibilityofhydrolysis,ordegradationthroughachemicalreactionwithwater.-Ifyouareprocessingpolyesters,polycarbonates,nylons,polyurethanes,orblendscontaininganyofthesematerials,thenthecontributionsfromexcessivemoisturecontentmustbeconsidered.另一顾虑是水解(与水起化学反应而产生的降解)的可能性。-如果成型的是polyesters、聚碳酸酯、尼龙、polyurethanes(TPU)、或是包含任一上述高分子材料的复合材料，那么，含水量过多造成的水解问题就必须考虑。TheMaterialsAnalyst:Part64:Trackingdownthesourceofdegradationduringprocessing,IMMFebruary2005,料筒Cylinder,TPU是ThermoplasticUrethane的简称，中文名称为热塑性聚氨酯弹性体),Hotrunnerdemandspecialconsideration.-Wecanreadthetemperatureonthevariouszonecontrollers,butwedonottrulyknowthetemperatureofthemeltatallthepointsinthesystem.Well-designedsystemshaverelativelyuniformtemperaturewithinazone,arefreeofdeadspots,andstrikeagoodbalancebetweenresidencetime,pressuredrop,andshear.热流道要特别留意。-我们可以读取温控器上不同区域的温度，但是并不确知系统中各点的温度。设计好的系统的每一温控区温度均一、没有死角、在停留时间、压力降和剪切之间保持良好的均衡。TheMaterialsAnalyst:Part64:Trackingdownthesourceofdegradationduringprocessing,IMMFebruary2005,热流道HotRunner,Finally,wehavetheeffectsofthemold.-thegateusuallyrepresentsthepointofgreatestshearstress,itisbesttotesttherunnerandpartsseparately.最后，要看模具的影响.-浇口常常代表最大的剪切应力点，最好分别量测流道的熔融指数和产品的熔融指数。TheMaterialsAnalyst:Part64:Trackingdownthesourceofdegradationduringprocessing,IMMFebruary2005,浇口和型腔Gate仍不合格,虽无外观要求,中央熔接痕颇为显眼。问题：不平,医疗器械塑件A,PA6-GF30,采用MuCell和2浇口时,平面度略为改善;仍不合格,虽无外观要求,中央熔接痕颇为显眼。,:背后置浇口,医疗器械塑件不平,浇口1,浇口2,医疗器械塑件A,PA6-GF30,采用MuCell堵掉浇口2后,平面度OK,中央熔接痕消除。,医疗器械塑件不平,产品设计:模具设计:采单浇口从一端进胶，以符合单一方向流原则。工艺设计:采用超临界流体微发泡注射成型工艺。,医疗器械塑件变形,可以导致单一方向流的浇口设计，较能产出平直的产品。,产品：曲线锯外壳材料：PA6-GF30模具：采用2个针点浇口简述：上下机壳组装后，合缝明显，于是借助治具来减少合缝。问题：变形,曲线锯外壳变形,材料：PA6-GF30问题：变形,上下机壳组装后，合缝明显，于是借助治具来减少合缝。,曲线锯外壳变形,Case2：两个侧浇口,Case1：两个针点浇口,曲线锯外壳变形,2006年2月16日第一次试模软胶包覆硬胶后的上、下机壳在组装后显示的合缝大为减小未锁螺丝前，合缝仅0.8mm。,Case2,Case1,曲线锯外壳变形,产品设计:模具设计:从2个针点浇口的三板模改成2个侧浇口的二板模，以符合单一方向流的原则。工艺设计:,曲线锯外壳变形,2008MoldflowUserConferenceinTaiwan,May9,2008,Jananesecustomerscasestudies,在日本MoldflowCAESoftware的应用事例,整合性翘曲变形实际模具预测,不均匀收缩,不均匀冷却,真圆度评估，个案研究,根据分析判断纤维配向为翘曲的主要原因,材料：ABS-GF10(压力无法解决之问题),纤维配向性,C.Hsu:由左图可知，不均匀收缩的影响大于纤维配向的影响！,0.7991(Max.)-0.1570(Min.)=0.6421(differentialshrinkage),0.2942(Max.)-0.0046(Min.)=0.2896(orientationeffects),2.328E-07(Max.)-5.821E-08(Min.)=0.0000001746(DifferentialCooling),浇口点数(24)与浇口位置的优化,配向平衡改善,向4点,圆度改善,C.Hsu:较之2浇口，4浇口的流动较平衡，而最大流长也较短，所以不均匀收缩的情形有所改善。,真圆度评价个案研究,3次元测定机测量结果VS分析结果分析运用精度提升,汽车后视镜外壳变形,产品：汽车后视镜外壳材料：ABS模具：二型腔模，每一型腔单一潜伏式浇口进胶。浇口的动模侧附近钻了冷却水孔，定模侧则无。简述：即使提早脱模，乘外壳尚温软时将镜片嵌入，多数镜片居然被变形的外壳搅碎。问题：变形,汽车后视镜外壳,ABS,Indonesia,翘曲变形,199?,原始设计OriginalDesign,冷却孔道直径、深度和节距Diameter,Depth&PitchofCoolingChannel,D:直径为10至14mmDiameterofCoolingChannel,10to14mmd:深度为2D至3DDepth,2Dto3DP:节距为3D至5DPitch,3Dto5D,改善设计RevisedDesign,产品设计:模具设计:主流道衬套(spruebushing)外加冷却套管，将水引到定模侧浇口附近，使得浇口处来自动定模侧的冷却均衡。工艺设计:,汽车后视镜外壳变形,机座变形,产品：机座材料：PA66-GF25模具：四型腔模，每一型腔由2潜伏式浇口(0.9mm厚,加在厚1.35mm产品上)进胶。定模侧钻了冷却孔，动模侧则无。简述：合理冷却时间脱模变形，若要减少变形，冷却时间和周期时间太长。问题：变形,机座,公称壁厚2mm,PA66-GF25,四型腔模,注射时间5秒,周期时间3738秒太长,早出模变形,2009.11.30.,机座变形,2(0.9t)潜伏式浇口加在1.35t产品上,2mm,PAcycletime14s,冷却不均使得产品变形加上长的周期时间UnevenCoolingCausesWarpageandLongCycleTime,动、定(coreandcavity)模温差太大，往往使得产品变形，而且拖长了周期时间。可借CAE之助，合理化冷却孔的配置，调整冷却液的温度和流量，使得动、定模侧的散热与型腔的中心面对称，将扳转产品弯曲的不对称残余应力减到最少，不需借助模具为治具和延长冷却时间，成型的产品尺寸稳定。,产品设计:模具设计:1.在动模侧加冷却孔道，平衡定模侧的冷却。2.潜伏式浇口厚度0.9mm加到(1.35x0.9=)1.2mm。工艺设计:从U型曲线找出最适化注射时间并采用之。,机座变形,U型曲线(注射压力vs注射时间),DVD盒(PP)模温设定8C；料温设定260C,对应最小射压的注射时间为1.2秒。,盖,HDPE,浙江省瑞安市,warp,convexinward,2004.3.7.,成型盒形产品时，如果内部冷却不够，取出产品后，就会如左图般变形。,长方形盒的变形,成型盒形产品时，如果内部冷却过度，取出产品后，就会如左图般变形。,以焊接封止。,入子,改善基盘盒模冷却以减少变形,基盘盒材料：PBT-GF40,设置在约13mm厚入子的冷却孔道。,2008.5.9.MFTWUSERSCONF.,采用串接的障板管加强冷却长方型盒状制件的内角,UPSBezel,ABS,台湾省台北县,变形,2010.3.17.内角隅四顶针占据了可置障板管(baffle)的最佳位置。,潜伏+楔形浇口,2.5t,76,C先生：课堂上我讲过：变形预测是用来定性的，而非定量的。就定性而言，障板管移近四个角落，变形的确是减少了！以(变形.所有因素：)变形来看，最大位移从0.8806mm减少到0.7707mm，减少了12.5%。以(变形.所有因素：)Z方向位移来看，(最大Z位移-最小Z位移)从(0.2273-0.2437=)0.4710mm减少到(0.2054-0.1748=)0.3802mm，减少了19.3%。何况可以改善的空间还很大，例如目前母模侧的水孔距外角太近，可以将其移离外角远一些，以对应公模侧障板管和内角的距离。徐昌煜2010年3月25日于浙江省温州市,长方形盒内角冷却的加强,盒状物铍铜镶块,铍铜镶块,34”电视机气辅前框模具,产品：风扇外框材料：PBT+ABS+20%玻纤模具：日本设计制造。三板模；每一型腔三针点浇口。注射成型机：在日本试模、试量产时用日本机；在台湾量产时用台湾机简述：在日本以日本注射成型机试模、试量产都没有什么问题。但是把相同的模具移到台湾，以台湾的注射成型机生产，产出的风扇外框(见后图)经常断裂，良率只有30%。问题：支架于熔接痕处断裂,风扇外框支架于熔接痕处断裂,风扇外框,PBT+ABS+20%GF,熔接痕处断裂,2000.2.10,浇口1Gate#1,浇口3Gate#3,浇口2Gate#2,熔接痕裂纹,注射成型机或/和辅机不稳时，射压/保压或料温时而偏