縮短注塑件的生產(chǎn)周期時(shí)間是一項(xiàng)復(fù)雜的挑戰(zhàn)。模具技術(shù)和機(jī)器設(shè)備的進(jìn)步在其中起著至關(guān)重要的作用。另一個(gè)可優(yōu)化的限制因素是所用的塑料化合物，因?yàn)樗鼪Q定了“彈出”一個(gè)堅(jiān)固的高質(zhì)量部件所需的時(shí)間。

TE Connectivity是一家連接器和傳感器制造商，它一直致力于優(yōu)化其生產(chǎn)流程，尤其是連接器的生產(chǎn)流程。盡可能短的周期時(shí)間對(duì)于提高生產(chǎn)率有著重大影響。所用塑料化合物是整個(gè)周期時(shí)間的決定性因素，因此進(jìn)一步開(kāi)發(fā)材料對(duì)于優(yōu)化周期時(shí)間至關(guān)重要。在一個(gè)聯(lián)合開(kāi)發(fā)項(xiàng)目中，TE和BASF對(duì)所需的材料優(yōu)化進(jìn)行了研究。這兩家公司多年來(lái)一直保持密切合作。BASF為T(mén)E提供聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯（PBT）、聚酰胺（PA）和聚鄰苯二甲酰胺（PPA）等技術(shù)塑料。

十幾年前，BASF開(kāi)發(fā)出了“高速”產(chǎn)品線并成功在市場(chǎng)上站穩(wěn)了腳跟。這些化合物以其出色的流動(dòng)特性而聞名，尤其是對(duì)于薄壁部件而言，它們能夠以更短的注射時(shí)間和更低的注射壓力進(jìn)行加工。

圖1 ：螺旋流動(dòng)的研究表明，PA6-GF30 HPP具有出色的流動(dòng)性。即使在高達(dá)230°C的低熔體溫度條件下，流道長(zhǎng)度也超過(guò)了未改性PA6-GF30在270°C時(shí)的流道長(zhǎng)度（來(lái)源：BASF；圖：© Hanser）

圖2：測(cè)量結(jié)果顯示優(yōu)化的PBT HPP的熱變形溫度明顯更高。該特性使部件能夠在更高的溫度條件下脫模，因此冷卻時(shí)間更短（來(lái)源：BASF；圖：© Hanser）

另一種方法是降低相對(duì)于傳統(tǒng)產(chǎn)品而言的熔體溫度，同時(shí)保持相同的流動(dòng)性（圖1）。

這種方法可以縮短冷卻時(shí)間，從而進(jìn)一步縮短周期時(shí)間。因此，高速化合物的應(yīng)用為優(yōu)化周期時(shí)間和提高注塑工藝效率提供了巨大的潛力。這些化合物是該聯(lián)合開(kāi)發(fā)項(xiàng)目的基礎(chǔ)。

通過(guò)加速結(jié)晶以及在某些情況下提高熱變形溫度來(lái)改進(jìn)高速化合物能夠更早地將其從注塑模具中取出（圖2）。

首先，他們?cè)赥E位于德國(guó)丁克爾斯比爾的工廠的生產(chǎn)環(huán)境中進(jìn)行了比較測(cè)試。針對(duì)初步模具試驗(yàn)，一種特殊復(fù)合的PBT-GF15被加工出來(lái)。根據(jù)所得的經(jīng)驗(yàn)，BASF開(kāi)發(fā)了一條專(zhuān)用產(chǎn)品線，稱為High Productivity Plus（HPP）。測(cè)試所選用的部件，是采用傳統(tǒng)優(yōu)化方法在最短周期時(shí)間中生產(chǎn)而來(lái)。

保持相同質(zhì)量

即使在第一次測(cè)試設(shè)置中，也可以清楚地看到，在保持相同質(zhì)量的情況下，部件彈出所需的時(shí)間顯著減少。但是，我們發(fā)現(xiàn)注塑機(jī)和計(jì)量過(guò)程阻礙了周期時(shí)間的進(jìn)一步縮短。這一限制因素可以通過(guò)增加螺桿速度進(jìn)行補(bǔ)償，但這又會(huì)導(dǎo)致加工建議無(wú)法遵守，而增加的剪切也會(huì)將額外的熱量引入化合物。

后續(xù)測(cè)試選用了具有更大塑化單元的機(jī)器和帶有針閥關(guān)閉系統(tǒng)的模具。它們使周期時(shí)間節(jié)省了高達(dá)30%。這些結(jié)果表明，周期時(shí)間具有顯著改善的潛力，實(shí)現(xiàn)這些節(jié)省需要對(duì)機(jī)器和模具進(jìn)行調(diào)整。研究結(jié)果有助于進(jìn)一步提高注塑成型工藝的效率和生產(chǎn)力。

制造的部件在TE按規(guī)定的條件進(jìn)行了內(nèi)部釋放和系列測(cè)試。為了識(shí)別與系列材料的偏差，他們進(jìn)行了濕化學(xué)、熱學(xué)和物理材料分析以及特定部件的測(cè)試系列。所開(kāi)發(fā)材料和系列材料之間未發(fā)現(xiàn)應(yīng)用相關(guān)的差異。

在更高溫度下脫模

在DSC分析過(guò)程中，所開(kāi)發(fā)材料表現(xiàn)出了比流動(dòng)改性變體（中位數(shù)195°C）更高的結(jié)晶峰（中位數(shù)202°C）。起始溫度和終止溫度（標(biāo)志著結(jié)晶過(guò)程的開(kāi)始和結(jié)束）之間的差異具有可比性，因此部件能夠在更高的溫度下脫模（圖3），從而縮短周期時(shí)間。

圖3：脫模后部件的熱成像圖（左：標(biāo)準(zhǔn) PBT，右：優(yōu)化的PBT HPP）：HPP部件能夠在更高的溫度下脫模而不受損壞© TE Connectivity

無(wú)尺寸偏差

計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）掃描顯示，用實(shí)驗(yàn)材料在縮短的周期時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)的部件與批量生產(chǎn)的部件之間未存在尺寸偏差（圖4）。整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程和開(kāi)展的研究都記錄在學(xué)士論文中。該項(xiàng)目詳細(xì)介紹了縮短周期時(shí)間的過(guò)程，并展示了所開(kāi)發(fā)材料在實(shí)踐中的成功實(shí)施。

該共創(chuàng)項(xiàng)目的研究最初在BASF技術(shù)中心和TE的生產(chǎn)工廠進(jìn)行。此時(shí)最重要的是在一個(gè)中立的測(cè)試環(huán)境中在最新一代的機(jī)器上生成具有代表性的結(jié)果。為了確保最佳測(cè)試條件，注塑機(jī)制造商恩格爾公司（ENGEL Austria）被引入成為可靠的合作伙伴之一。借助ENGEL的專(zhuān)業(yè)知識(shí)和技術(shù)技能，此次研究達(dá)到了最高水平并取得了預(yù)期結(jié)果。此外，該合作也確保了項(xiàng)目結(jié)果切實(shí)可行并具有應(yīng)用價(jià)值。

ENGEL提供的其他專(zhuān)業(yè)知識(shí)

ENGEL客戶技術(shù)中心有20臺(tái)不同型號(hào)的注塑機(jī)可供持續(xù)進(jìn)行材料試驗(yàn)以及模具和機(jī)器測(cè)試。這些機(jī)器的鎖模力范圍為500至55,000kN，因此能夠適應(yīng)非常廣泛的材料和注塑量。40多名經(jīng)驗(yàn)豐富的應(yīng)用工程師隨時(shí)為測(cè)試提供技術(shù)支持以及流程管理和優(yōu)化方面的日?？蛻糁С?。

圖4：對(duì)零件的CT掃描評(píng)估顯示，盡管周期時(shí)間顯著縮短，標(biāo)準(zhǔn)PBT與HPP材料并未出現(xiàn)尺寸偏差© TE Connectivity

圖5 ：針對(duì)測(cè)試，標(biāo)準(zhǔn)充電插座（左）和連接器（右）在兩臺(tái)不同的注塑機(jī)上生產(chǎn)© TE，BASF

所有BASF HPP產(chǎn)品均在ENGEL技術(shù)中心通過(guò)全電動(dòng)注塑機(jī)加工而成。測(cè)試系列選用了兩種不同尺寸的連接器：ENGEL E-mac 465/130全電動(dòng)注塑機(jī)（鎖模力為1300kN）用于生產(chǎn)注塑量為37g的較小部件，ENGEL E-motion 940/220 全電動(dòng)注塑機(jī)（鎖模力為2200kN）用于生產(chǎn)注塑量為 185g的較大連接器（圖 5）。TE 選用的注塑模具都是最新的。
為了獲得可比較的結(jié)果，所有材料-部件組合均遵循以下程序：

1、標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置：用標(biāo)準(zhǔn)材料實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的生產(chǎn)周期。
2、HPP基礎(chǔ)設(shè)置：材料切換為具有相同工藝參數(shù)的HPP材料。
3、優(yōu)化HPP：將周期時(shí)間縮短到最小值。
4、終止準(zhǔn)則：檢查翹曲、頂出痕跡、材料堆積、應(yīng)力發(fā)白、空隙等典型的成型缺陷。

圖6：在ENGEL技術(shù)中心關(guān)于確定最短周期時(shí)間的聯(lián)合研究結(jié)果：根據(jù)部件尺寸、玻璃纖維含量和聚合物類(lèi)型的不同，HPP優(yōu)化最多可節(jié)省36%的周期時(shí)間（來(lái)源：ENGEL；圖：© Hanser）

圖7 ：注塑機(jī)單位能耗與材料吞吐量的關(guān)系：使用 HPP 材料加上材料吞吐量的提高，注塑機(jī)單位能耗可平均降低15%左右（來(lái)源：ENGEL；圖：© Hanser）

周期時(shí)間縮短高達(dá) 36%

本研究證實(shí)了之前的結(jié)果并表明周期時(shí)間可顯著節(jié)省高達(dá)36%（圖6）。但必須注意的是，此設(shè)置應(yīng)被視為絕對(duì)極限情況。為確保生產(chǎn)工藝的穩(wěn)健性并排除潛在干擾，應(yīng)預(yù)留緩沖時(shí)間。這樣子能夠提供一定程度的靈活性并確保符合生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)和質(zhì)量。細(xì)致的規(guī)劃和權(quán)衡最佳周期時(shí)間對(duì)于確保順利生產(chǎn)來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。

在測(cè)試系列過(guò)程中，還對(duì)兩臺(tái)ENGEL注塑機(jī)的能耗進(jìn)行了測(cè)量。結(jié)果表明，材料吞吐量的顯著提高能夠大幅降低單位能耗。通過(guò)E-motion生產(chǎn)的大型連接器的能耗最多可降低19%，通過(guò)E-mac生產(chǎn)的小型連接器的能耗可降低22%以上。

結(jié)論

因此，HPP材料的開(kāi)發(fā)使加工公司能夠在保持相當(dāng)?shù)牟牧闲阅艿耐瑫r(shí)縮短周期時(shí)間。他們只需通過(guò)簡(jiǎn)單的材料切換即可實(shí)現(xiàn)顯著的節(jié)省。其機(jī)械性能與現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)材料相比僅有細(xì)微差異。但是，切換材料應(yīng)經(jīng)過(guò)仔細(xì)評(píng)估。

表1：BASF的 HPP產(chǎn)品組合（High Productivity Plus）©BASF

研究表明，通過(guò)縮短周期時(shí)間，材料產(chǎn)量可顯著提高，平均可提高30%。這對(duì)所需的機(jī)器和模具有直接的啟示意義?？s短周期時(shí)間的另一個(gè)好處是降低每個(gè)周期的功耗。與材料吞吐量相關(guān)的能耗平均可降低15%以上（圖7）?？紤]到單位能耗為500Wh/kg，雖然碳排放仍可減少，但經(jīng)濟(jì)方面并不是決定性因素。

由于測(cè)試結(jié)果良好，BASF的HPP技術(shù)已擴(kuò)展至其他玻璃纖維成分以及PA6（表1）。因此，HPP技術(shù)的應(yīng)用范圍變得更加廣泛，同時(shí)為各種應(yīng)用領(lǐng)域的周期縮短和效率提高開(kāi)辟了新空間。

本文翻譯自Plastics Insights雜志
作者：Christopher Preger，Oliver Geissler，Rainer Zerr，Christian Händel

來(lái)源：榮格-《國(guó)際塑料商情》

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