【T0 量产之科学化试模】
(转载自繁体版ACMT电子技术月刊No.030)
注塑成型加工制程面临的问题
注塑成型加工制程是一种大规模大量制造的生产机制，因此生产过程中的任何缺失或制程加工参数变异，都将会导致产品品质损害与破坏，以及造成大量的时间与制造成本损失，更严重者也会使整个生产过程是无效浪费的，产生过多需进行后续处理的不良品，最终也将导致生产制程停止。如果企业花费了时间、人力、财力来进行一项无效性生产，结果将造成企业资源浪费和资金损失，最终也将成为一个完全亏损的企业。
除了不可预见的生产设备故障外，注塑成型制程中出现的生产问题和产品缺陷主要原因是由于生产加工条件中的成型压力、塑料粘度或加工温度的不稳定变异所引起。这些不稳定性将导致生产制程条件的变动和最终产品发生不良现象与缺陷。一些主要产品不良缺陷现象，如起泡，空孔，流痕，短射缺料等，都是由于加工过程中温度和压力的波动变异性所引起。产品缺陷与问题有很大的部分是由于温度波动和缺乏精确的温度控制而导致的，例如过热或低温。当加工温度过热或低温时都将造成产品品质的变异。一方面材料的流动性随着温度的升高将更好流动，但另一方面极高的温度会加速塑料热降解，导致模塑制品的物理性劣化。因此温度管理是确保产品质量一致性并防止熔胶热降解，而且可以让成型加工操作者减少调机时间，提高生产效率的重要控制议题。注塑压力是另一个需要探究的重要加工参数，两阶段的成型加工压力 - 充填压力和保压压力。通常充填压力设定得比保压压力较高。在低压的情况下可能发生诸如空孔、收缩、短射等缺陷；而在高压情况下可能导致毛边、破裂等不良现象。另外是由于注塑速度差异所引起的缺陷，注射速度的控制，对于解决喷流痕和外观流痕等问题至关重要。
模具试模验证过程
注塑成型加工制程中试模工作是模具制作完成后与开始注塑成型生产前的一项十分重要的验证工作。模具试模验证程序是优化新制模具以较适化成型加工条件来有效地生产所需塑件产品的过程。此工序成为注塑成型加工制程中稳定与效率生产最重要的生产步骤。在将注塑模具移交给注塑成型现场单位进行生产之前，模具试模试验工作必须被确实执行完毕，必须确保在任何地方以完全相同的一套标准试模方式来进行试模过程是非常重要。
图 1: 注塑速度设定值的优化评估
在模具试验过程开始之前，产品加工制程开发阶段将致力于产品与模具设计。设计单位与模具制造单位一起讨论模具结构和技术解决方案。结合设计参数资料库与注塑成型大数据，利用智慧制造设计工具来解决先期设计阶段的技术问题，以避免模具中出现不必要的错误设计，并确保模具试验的第一阶段 ( 首次模具试打产品 T0 试模 ) 已经可以为我们提供了良好的产品。大多数情况下标准模具试验过程包括三个测试阶段。有时在一个阶段内就会进行进行几次模具试验。如有必要将会继续进行成型测试和模具优化，直到产品符合客户的确切要求为止。
模具试模验证可以分为三个阶段
第一阶段：模具首次出料，T0 试模 ”First Out ofTool(FOT)”，这是第一次将熔融塑料注入模具中进行注塑成型加工生产成品。在此第一次加工成型时将测试模具在注塑加工周期动作下确认是否可以完美完成模具关闭，是否模具能提供足够的冷却效果与产品顺利顶出离模，成型产品外观是否合于要求，部品是否有毛边、气体包封、气孔或变形等不良现象。最后根据试模验证调查结果编制一份 T0 试模报告，报告中应指出模具是否需要进行优化修改。后续模具制造单位将评估继续优化模具，并将 T0 样品发送给客户进行确认。
第二阶段：来自客户的反馈，一旦第一阶段试模发现的产品或模具的任何缺失被解决了，接下来将使用优化的模具来进行修改后的模具成型试验。再将第二阶段试模最终产品提供给客户。并与客户一起讨论产品尺寸外观方面和成型加工周期时间。试模结果评估是否生产出具有吸引力和功能性的产品，尺寸是否正确，是否能在计算的周期时间内制造并满足客户的其他要求和愿望？然后将该注塑产品提供给相关产品测试，并为客户提供充分的机会来测试产品。再向模具制造单位发送另一份试模报告，其中包括此次客户的反馈以及接下来是第二轮的模具优化设计修改建议。
第三阶段：模具最后的加工润饰，最后使用完全优化的模具来进行第三阶段的模具试模验证。在这个最后阶段一切都是关于模具最终的加工润饰。例如在模具表面纹理选择消光或高光泽效果。一旦注塑产品完善并且每个细节都检查完毕，模具就会进行长时间的连续注塑成型试验。在此之后模具将被运送移交给生产单位。在注塑成型生产单位模具最终将依照实际生产环境再进行最终的生产试模验证，因为某些条件，例如每个生产环境的冷却水温度可能都会不同。一旦我们确信没有其他的模具问题点时，并且客户已经确认产品订单，那模具就可以开始进行批量生产！
何谓科学化试模
当进行模具 T0 注塑成型加工验证时，站在客户立场可能会询问注塑现场调机人员，为什么试模是用当下所设定的成型条件来成型产品 ? 所设定的试模成型加工条件是依据甚么标准被决定出来的 ? 难道没有更好的成型加工条件吗 ? 现场注塑机调机人员有可能会回答，成型条件的决定是凭着多年的经验，这种答案有可能客户是无法接受的。对注塑成型加工制程有认识的客户，都会希望产品的成型加工参数设定是有科学的理论依据与实验数据来支持的，这样才能排除人为的不确定因素，也才能有效控制生产稳定性与产品品质。所以科学注塑成型加工试模，首先需了解注塑成型各个步骤工序的科学物理意义，注塑成型条件的设定与调整，都需依据科学化实验来设定，条件参数设定不可以只凭感觉；依照科学化步骤实验逐步进行成型参数调整，试模中每项参数的修改设定都有其背后的科学数据来支持。
图 2: 注塑成型机台响应曲线判读
科学注塑成型加工的运用对于注塑成型加工产业并不陌生，有许多 OEM 代工厂商可能都被客户要求需提供科学注塑的试模报告，或是要求以科学注塑方法来决定成型加工参数。科学注塑这是一种经过科学理论验证的成形方法，可以让注塑成型加工者在注塑成型中获得完全可控制的注塑加工工艺，并可建立精准控制且可重复性的加工流程，同时也可以确保产品品质具有高质量与一致性。为了可以掌控最终成型结果，科学注塑加工人员必须关注在成型加工中所使用的塑料的性质变化 ( 例如流动黏度对于温度与剪切速率的变化 )，而不是只关注注塑产品所使用的注塑机台。对于试模成型加工需要关注实际注塑机台的响应数据，而不是只观察所设定的加工条件。具有科学注塑加工能力的厂商能够向客户保证，在成型过程的每个阶段都能应用科学化的成型规范，并且可以致力于使用一套既定的试模与成型加工原则来指导他们的工作流程。
科学注塑成型有助于通过避免错误成型和优化开发周期前端的成型过程，来减少成本浪费。此外成型团队可以藉由科学注塑主动找出问题原因，可降低实际加工生产时处理不良产品的机会和缩短处理问题的时间。科学注塑对每种产品和加工流程进行科学理论思考，收集所有可用信息以进行持续分析评判。这与依赖程序化设定并仅在问题出现后才开始解决问题的传统注塑加工方式形成鲜明对比。在这种情况下，传统注塑成型加工厂商将会花费时间在事后确定问题的原因，而不是从一开始就预防问题。与科学注塑加工厂商可以藉由科学注塑实验确认与优化成型条件，也可以达成产品一致性和产品品质优良的优点。科学成型的加工原则可以满足操作认证 (OQ) 和生产资格 (PQ) 的验证要求。
科学化试模的主要内容
科学试模不是注塑行业的流行话语，而是一种加工生产趋势，正在改变着注塑成型产业的加工思维，如何依据及利用科学化数据，来正确成型加工并制作稳定及符合品质的产品，将是注塑成型加工产业未来的加工作业标准。产品开发生产过程中，要让模具制作完成后达到”T0 量产”的目标，先决条件就是要在设计初期就必须掌握到可以正确成行此设计模具的注塑加工条件，模具尚未上注塑机台实际注塑前，就需先利用科学方法估算评估合适的初始注塑成型条件，且估算的加工条件与最终量产的条件已经几乎相同。这样才能将成型时可能发生的问题点，在设计初期阶段就能体察到并且加以优化解决。科学试模的技术内容，主要包含注塑成型加工制程中的条件与参数的设定确认，其中重要加工参数包含 (1). 注塑机台选用；(2). 决定塑化条件；(3).决定注塑充填条件；(4).决定注塑保压条件；(5).决定冷却条件等，各项目的科学试模工作内容举例如下 :
注塑机台选用 - 科学理论锁模力估算，决定适合锁模力吨数；实际注塑验证合理锁模力设定值实验；注塑量估算，决定适合螺杆尺寸；注塑机台速度响应标定，确认注塑速度设定值与实际机台射速响应值的差异。
塑化计量条件 - 熔胶计量估算 ( 需考虑熔胶熔融态密度)；塑化螺杆转速(rpm)估算，熔胶料管内滞留时间估算；塑化背压设定值确认实验熔胶塑化行程的科学理论估算与实际短射实验验证。
注塑充填条件 - 适当注塑速度设定值的决定 (U 型曲线实验 )，注塑充填短射实验，VP 切换点位置决定，多段射速设定的射速大小与切换位置点决定；模具各区域压力损失实验；充填流动平衡性实验。
注塑保压条件 - 保压压力大小设定值与浇口封口时间点 ( 有效保压作用时间 ) 的实验验证；加工条件视窗决定。
冷却条件 - 冷却时间科学理论估算。
注塑成型加工周边参数条件 - 烘料干燥筒容积估算；模温机冷却流体流量估算。
另外在实际上机成型加工过程中，也需要搭配一些外部资源来取得实际的机台响应数据；例如 CAE 模流分析解析与验证，观察 CAE 充填分析的流动波前型式与实际注塑短射波前的比对与差异分析；注塑机台的速度压力响应曲线判读，比对设定条件与实际机台响应数据的差异性；注塑机台响应统计数据判读来观察注塑机在连续生产下的稳定性；同时也进行模内温度与压力数据的即时检测，利用红外线热显像仪器来量测模具表面温度分布，及模内压力感测器量测模内特定位置的压力变化情况。
注塑成型加工是一门科学而不是艺术，开发流程必须基于事实和相信科学化数据来解决产品与成型的问题，过多人为的主观因素都将影响正确的判断。传统上大多数模具制造单位都以模具为中心，专注于模具的机构设计及加工，而没有从塑料流动的角度来看待成型工艺；而成型现场都专注于成型机台的设定参数，然而注塑制程的四大控制因子 ( 实际的速度、温度、压力、时间 ) 的实际表现数据才是产品成功的关键。通过改变模具、塑料、成型加工参数…等来解决问题，但是成型六个关键因子 ( 产品 , 模具 , 塑料 , 设备 , 制程 , 品质 ) 对于任何成功的塑件开发而言都是不可或缺必须考量的影响因素。适当的企业内部技术培训及考核认证制度，可以让企业进行持续的专业人才养成计画，也能让企业的核心技术累积传承并内化成技术知识。■
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