——盡管熔體溫度對(duì)穩(wěn)定工藝和一致性制品至關(guān)重要，但注塑中真實(shí)的熔體溫度可能如同謎題。深入了解這七個(gè)參數(shù)，或許能助你找到答案。
作為一名工程師，我時(shí)常驚異于我們領(lǐng)域里一些最簡(jiǎn)單的問(wèn)題卻最難回答。例如，如果我走到一臺(tái)機(jī)器旁詢問(wèn)工藝工程師："這臺(tái)機(jī)器上塑料
的運(yùn)行溫度是多少？"或者更具體地問(wèn)："塑料離開(kāi)機(jī)器射嘴孔時(shí)的實(shí)際熔體溫度是多少？"
我得到的回答常常五花八門(mén)，從"我不確定"、"我不知道"，到有人引用材料供應(yīng)商加工指南中推薦的料筒溫度范圍。又或者，工藝工程師可能
會(huì)查看機(jī)器控制器上的料筒溫度設(shè)定點(diǎn)，然后給出一個(gè)猜測(cè)或估算。
我并不會(huì)因?yàn)楣に嚬こ處煹娜魏尾淮_定性而責(zé)備他們，因?yàn)槲覍?shí)際上問(wèn)的是一個(gè)困難且可能有點(diǎn)"陷阱"的熱力學(xué)問(wèn)題。在進(jìn)行公開(kāi)或私下的
注塑培訓(xùn)時(shí)，我喜歡問(wèn)一個(gè)假設(shè)性問(wèn)題：一臺(tái)水平臥式注塑機(jī)的料管溫度是 400°F（204.44℃）、50 psi 液壓背壓、75 rpm 螺桿轉(zhuǎn)速和 30 秒
循環(huán)時(shí)間的工藝，塑料的實(shí)際溫度是多少？是高于 400°F、等于 400°F、低于 400°F，還是以上任何一種情況都有可能？
大多數(shù)回答是高于 400°F，然而，正確答案是任何一種情況都有可能。原因在于，我并未提供足夠的信息來(lái)真正回答這個(gè)問(wèn)題。材料是非晶態(tài)
還是半結(jié)晶？材料的停留時(shí)間是多少？螺桿構(gòu)型是怎樣的？將液壓轉(zhuǎn)換為塑料壓力的機(jī)器增壓比是多少？這些僅僅是眾多未知數(shù)中的一部分，
使得這個(gè)問(wèn)題難以回答。
要真正回答這個(gè)問(wèn)題，需要在機(jī)器周期內(nèi)進(jìn)行一次空射，并使用針尖式高溫計(jì)或紅外設(shè)備（如紅外相機(jī)）進(jìn)行測(cè)量。使用這兩種方法并不像我
們期望的那樣具有可重復(fù)性或再現(xiàn)性，因?yàn)椴僮鞒绦驔](méi)有標(biāo)準(zhǔn)化。測(cè)量設(shè)備可能未校準(zhǔn)；我們用紅外設(shè)備測(cè)量的物體發(fā)射率并非精確已知；可
能存在人為誤差；而且通常需要兩個(gè)人來(lái)進(jìn)行此測(cè)量。考慮到這一點(diǎn)，我們能在多大程度上確定所測(cè)溫度是合理、可重復(fù)或可再現(xiàn)的呢？
正如我們?cè)?2024 年 3 月的文章《理解壓力損失對(duì)注塑件的影響》中提到的，我們可以通過(guò)關(guān)注塑料在流經(jīng)機(jī)器并進(jìn)入模具過(guò)程中的"體驗(yàn)"來(lái)
簡(jiǎn)化注塑過(guò)程。這種視角可稱為"從塑料的角度看注塑"或科學(xué)注塑。
有許多參數(shù)可以調(diào)整，但必須認(rèn)識(shí)到，調(diào)整將影響四個(gè)主要塑料工藝條件中的一個(gè)或多個(gè)，它們是：
~ 塑料溫度
~ 塑料流速
~ 塑料壓力
~ 塑料冷卻速率與時(shí)間
當(dāng)機(jī)器或循環(huán)時(shí)間發(fā)生變化時(shí)，有七個(gè)參數(shù)對(duì)實(shí)際塑料溫度有重大影響：
~ 停留時(shí)間
~ 塑料流速
~ 螺桿構(gòu)型
~ 料筒與射嘴加熱
~ 螺桿轉(zhuǎn)速
~ 背壓
~ 喂料喉狀況
1. 停留時(shí)間
停留時(shí)間可能因機(jī)器每小時(shí)加工物料量的增減而受影響，或者當(dāng)注射單元規(guī)格發(fā)生變化時(shí)（這在模具在不同機(jī)器間轉(zhuǎn)移時(shí)很常見(jiàn)）也會(huì)受影響。
停留時(shí)間定義為樹(shù)脂顆粒物理上存在于料筒內(nèi)并經(jīng)受剪切或傳導(dǎo)加熱的時(shí)間。改變?nèi)魏闻c時(shí)間相關(guān)的機(jī)器參數(shù)——冷卻時(shí)間、注料時(shí)間、保壓
時(shí)間、 開(kāi)合模時(shí)間、模具保護(hù)時(shí)間、頂出時(shí)間以及機(jī)械手的增加或移除——都會(huì)改變停留時(shí)間。
還有其他一些參數(shù)或條件對(duì)塑料溫度影響較小，但仍然重要，例如：射嘴孔大小；使用的是通用射嘴頭還是反錐度射嘴頭；樹(shù)脂含水量的變化；
樹(shù)脂批次間的差異；色母的使用；色母的稀釋比；回料的使用（包括其用量、尺寸和含水量）；樹(shù)脂顆粒的尺寸和形狀；是否使用靜態(tài)或動(dòng)態(tài)混
煉段；螺桿旋轉(zhuǎn)延遲時(shí)間；以及螺桿駐留時(shí)間（即塑化完成到冷卻時(shí)間結(jié)束之間的時(shí)間）。
2. 塑料流速
值得注意的是，塑料流速是四個(gè)主要塑料工藝條件之一，如果我們要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（DOE），我們會(huì)發(fā)現(xiàn)塑料流速和塑料溫度之間存在強(qiáng)相關(guān)
性。隨著塑料流速增加，內(nèi)部的生成熱或剪切熱會(huì)增加。這種現(xiàn)象稱為拖曳流，是由于模具鋼與流動(dòng)的聚合物鏈之間的摩擦造成的。由于摩擦，
沿塑料橫截面會(huì)形成速度分布或流速差異，靠近壁面的塑料流動(dòng)較慢，流向流動(dòng)前沿中心的塑料流動(dòng)較快。
速度分布導(dǎo)致聚合物鏈沿流動(dòng)方向取向，這些流速差異在流動(dòng)較快的鏈平面與流動(dòng)較慢的鏈平面之間產(chǎn)生摩擦或剪切熱。無(wú)論模具鋼與熔體溫
度之間的溫差如何，這種現(xiàn)象都存在。事實(shí)上，當(dāng)水流經(jīng)管道時(shí)也會(huì)產(chǎn)生速度分布或流速差異，然而，對(duì)于塑料這樣的非牛頓介質(zhì)，并未觀察
到剪切生熱，也沒(méi)有觀察到粘度降低。
3. 螺桿構(gòu)型
螺桿構(gòu)型相當(dāng)復(fù)雜，但就本文而言，我們將重點(diǎn)關(guān)注無(wú)混煉段的通用螺桿的長(zhǎng)徑比（L/D）和壓縮比。通用螺桿被廣泛使用，因?yàn)樗鼈兡軌蚣庸?/span>
范圍廣泛的熱塑性塑料。然而，也有許多針對(duì)特定材料或注塑特定類型部件（如薄壁包裝和 PET 瓶坯）設(shè)計(jì)的螺桿構(gòu)型和螺桿。
盡管如此，讓注塑商根據(jù)材料變化來(lái)更換螺桿甚至可能更換料筒，將是繁瑣且耗時(shí)的。如果一個(gè)注塑工廠專門(mén)生產(chǎn)薄壁包裝或 PET 瓶坯，那么
很可能會(huì)使用特定的螺桿設(shè)計(jì)，因?yàn)檫@些設(shè)計(jì)能優(yōu)化熔體均勻性、塑料溫度、塑化能力和循環(huán)時(shí)間。
L/D 比在圖 1 中表示，并通過(guò)以下公式數(shù)學(xué)定義。
此處 L/D 是螺桿螺紋段長(zhǎng)度（忽略螺桿柄部長(zhǎng)度和前段組件）除以螺桿直徑。對(duì)于熱塑性塑料，L/D 比范圍可以從 16:1 到 25:1，其中 20:1
對(duì)于通用螺桿最為常見(jiàn)。較大的 L/D 比會(huì)增加塑料停留時(shí)間、產(chǎn)生的剪切熱量，并最終提高塑料溫度。25:1 的比率常見(jiàn)于包裝應(yīng)用或 PET 瓶
坯成型，這些應(yīng)用需要大量的剪切熱將樹(shù)脂提升到其熔融或加工溫度。
壓縮比的圖示和簡(jiǎn)化公式定義為喂料段螺槽深度除以計(jì)量段螺槽深度（見(jiàn)圖 2）。對(duì)于熱塑性塑料，壓縮比可以從 1.5:1 到 4.5:1 不等，大多數(shù)
通用螺桿的范圍在 2.0 到 3.5:1 之間。較大的壓縮比會(huì)增加剪切熱、熔體溫度和熔體降解的風(fēng)險(xiǎn)。
不幸的是，根據(jù)我的經(jīng)驗(yàn)，注塑商很少了解他們現(xiàn)用機(jī)器的 L/D 比或壓縮比，而且我從未在機(jī)器制造商的設(shè)備規(guī)格書(shū)上看到過(guò)壓縮比，L/D 比
也很少標(biāo)注。這對(duì)大多數(shù)注塑商來(lái)說(shuō)是一個(gè)巨大的未知數(shù)，這種知識(shí)的缺乏在理解塑料溫度方面造成了巨大的認(rèn)知差距，并可能僅因螺桿構(gòu)型就產(chǎn)生加工問(wèn)題。
多年來(lái)我觀察到的由此知識(shí)差距引發(fā)的問(wèn)題包括材料降解、塑料出現(xiàn)大理石紋、顏色一致性變化和尺寸變化。其中一些問(wèn)題是由于不知道正在使用的是帶有動(dòng)態(tài)混煉段的屏障型螺桿設(shè)計(jì)所導(dǎo)致的。
4. 料筒與射嘴加熱器
這些加熱器環(huán)繞在料筒和射嘴體的圓周上。通過(guò)傳導(dǎo)，熱量被傳遞給塑料，使其熔融和軟化。改變加熱器設(shè)定點(diǎn)是改變塑料溫度最有效的方法
之一，尤其是在料筒前段，那里螺槽深度最淺，且是下一次注射的物料所在的位置。重要的是要注意，熱電偶測(cè)量的是料筒和射嘴的鋼體溫度，
而不是內(nèi)部實(shí)際的塑料溫度。這就是為什么僅僅查看料筒設(shè)定點(diǎn)無(wú)法提供實(shí)際塑料溫度的原因。
更換加熱器時(shí)，必須注意加熱圈的材質(zhì)、寬度、精確位置和額定功率。如果加熱圈更換不當(dāng)或定位不準(zhǔn)，將改變通過(guò)傳導(dǎo)產(chǎn)生的熱量，并最終
影響塑料溫度。我曾親身經(jīng)歷因加熱圈被錯(cuò)誤更換（在不知情的情況下），導(dǎo)致花費(fèi)數(shù)小時(shí)進(jìn)行故障排查，以確定為何未改變的料筒設(shè)定點(diǎn)卻
導(dǎo)致了工藝和塑料溫度的顯著變化。
根據(jù)注射量、材料類型、螺桿設(shè)計(jì)和停留時(shí)間，可以沿著料筒長(zhǎng)度采用平坦的、遞增的或遞減的溫度組合。也可以通過(guò)將料筒壓縮段或過(guò)渡段
的溫度設(shè)置得比后段和前段高 30 到 50°F 來(lái)使用"駝峰"溫度組合。在大多數(shù)情況下，將前段溫度設(shè)定為所需的塑料溫度是理想的做法。
5. 螺桿轉(zhuǎn)速與背壓
在塑化階段，螺桿轉(zhuǎn)速和背壓是可調(diào)的，增加這些參數(shù)會(huì)產(chǎn)生更多的剪切熱，從而提高塑料溫度。背壓是抵抗螺桿在旋轉(zhuǎn)時(shí)向后移動(dòng)的壓力。
必須使用最小量的背壓來(lái)沿著料筒長(zhǎng)度方向壓縮塑料，排除可能被塑化到熔體中的任何氣泡，并穩(wěn)定控制塑料熔融體的緩沖部分。由于塑料是
可壓縮的，增加背壓會(huì)導(dǎo)致注射料的密度增加。
6. 喂料喉設(shè)定點(diǎn)或狀況
喂料喉是將塑料顆粒引入旋轉(zhuǎn)螺桿和加熱料筒的區(qū)域。喂料喉必須冷卻，以防止熱量在該區(qū)域積聚，并確保塑料顆粒不會(huì)在喂料喉處或附近開(kāi)
始熔化或軟化。如果冷卻不足，塑料顆粒可能開(kāi)始粘附在螺桿或喂料喉上，導(dǎo)致料筒局部缺料。此外，該區(qū)域的軟化或熔融塑料可能導(dǎo)致完全
缺料的狀態(tài)，因?yàn)槲沽虾硖幇l(fā)生了"架橋"現(xiàn)象。
7. 邁向更精準(zhǔn)的控制
至此，我們可以公允地說(shuō)，以閉環(huán)方式控制實(shí)際的塑料溫度（例如恒定的 400°F）是不可能的。盡管如此，將塑料溫度控制在一個(gè)小范圍內(nèi)，
使工藝條件主要因素變化所帶來(lái)的負(fù)面影響最小化，這是可能實(shí)現(xiàn)的。
我認(rèn)為注塑是一門(mén)"微妙分寸的游戲"，無(wú)論我們是否知曉，微小的變化都會(huì)輕微地改變工藝。正如我們?cè)?2024 年 3 月的文章中提到，四個(gè)主
要塑料條件之一的任何變化，都會(huì)導(dǎo)致制品尺寸的變化，以及缺陷類型和嚴(yán)重程度的潛在改變。
因此，對(duì)于那些一味將尺寸變化和不一致性歸咎于工藝工程師的所有人來(lái)說(shuō)，這是導(dǎo)致塑料零件尺寸在每次生產(chǎn)批次之間以及每天之間發(fā)生變
化的根本原因之一。這是塑料的科學(xué)，因此，理解"恒定的機(jī)器設(shè)置 ≠ 恒定的制品性能"至關(guān)重要。
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