1、医疗产品的成型技术突破点The breakthrough point of medical molding technology文/天津哈娜好医材有限公司 姚建增成型条件的设定基准与影响所谓成型条件就是应该考虑如何满足商品（成型件）要求的质量，并且把生产效率提高上去。为了这个目的，要对树脂，模具，成型机进行综合的统一管理，把这些重要因素与“温度” ， “压力” ， “时间”三要素有效地结合起来。即便确定了成型条件，由于各种因素在复杂地相互作用，所以可以采取各种方法。但是，从整体的成型件来看，可以发现其中还是有一定的基准的。按照这些基准，来考虑一下成型条件的选定及影响。商品要求的三要素不论任何一
2、种成型件都希望达到相当高的质量。但是，注射成型法又具有一定的限度。所以，同时满足全部的要求条件时很困难的。把这些要求的各种条件集中到一起，大体分为 3 种情况。如图 0-146 所示，可以认为，重视外观，重视物性（强度，耐热等等塑料本来的物性特征） ，以及把尺寸精度放在首位。一般认为，重视外观的属于杂货类，要求物性以及尺寸精度的是工业部件。选定成型条件之前，需要掌握这些要求条件。即根据这种要求条件不同，成型条件的组合方式也不一样，这是很重要的。外观尺寸精度 物性商品要求的 3 要素 生产的 3 要素更快图 0-146 商品要求与生产的 3 要素更优质更廉价成型基本方式一般称为成型条件，操作人员
3、可以直接操作的却极少。所谓成型条件基本是指“温度”， “压力” ， “时间” ，把它称为成型条件的三要素。在实际的操作中，仔细划分时间，成为进一步增加产量的温度，压力，时间，速度，量（冲程） 。温度 树脂，模具，油，干燥，退火等等。压力 注射，保持，合模力，背压，回转，顶出，开模等等。时间 注射，保持，冷却，中间，计量，干燥，冲程等等。速度 注射，回转，合模，开模，顶出等等。量 计量，预备后退，喷嘴往复，顶出，开模等等。这些条件时相互有关的，绝不能单纯地说“只要这样设定即可” 。但是，根据树脂特性，成型基本原理以及用途特性等等，可以考虑以下两套基本方式。所谓“温度”是指树脂温度（加热汽缸） ，
4、所谓“压力”是指注射压力。A 方式： 高温低压式 流动性好 外观好 尺寸精度差 周期快 （强度强） （低粘度，良热稳定性树脂） 适于杂品类B 方式： 低温高压式 流动性差 外观差 尺寸精度好 周期慢 （强度弱） （高粘度，不良热稳定性树脂） 适于工业部件所谓成型是：“在最容易流动的状态下，把可塑的树脂立即注射到模具内，需要量压缩密封之后冷却取出” 。其根本在于流动性。为要增加流动性，就需要提高熔融树脂的温度，使其粘度下降。达到这种状态的话，当然注射压力降低为好。但是从树脂特性来看，有的不怕温度升高，有的如果温度上升则出现分解。另外，对于温度变化有的粘度变化激烈，有的变化很小。因而，从温度与粘度
5、的树脂特性方面来考虑，成型存在 A、B 两种方式。A 种方式合模力，背压，模具温度低，另外，可以加快旋转速度，注射速度。B 种方式与此相反。下面把产品要求分为三要素进行思考的话，首先是外观方面的问题，一般来讲，树脂温度越高外观不良的因素越小，另外表面光泽也好。当然，背压以及模具温度也存在影响，但是这些是受树脂温度控制，属于次要的设定条件，因而 A 种方式更好些。在物性方面，歪以及残留应力之中很高的注射压力对于物性最能带来不良影响。压力歪的多数情况是由于过度的注射压力而引起的。从这种情况来看，注射压力最好还是低一些。另外，对于冷却收缩歪，分子配向歪，结论性的解决方法是高速注射最为合理。在进行高速
6、注射时仍然可以提高树脂温度，并且通过高速注射不会产生分解的树脂。另外，粘度软的更为有利。因而 A 种方式更好些。B 种方式不论怎样处理流动性都很差，所以只要稍微增加点流动性就需要增加压力。但是，尽管这样流动性往往仍然很差，因此，从辅助的意义来看就需要提高模具温度。提高模具温度的话，周期变长。所以，低温高温一点一点地提高。接着是尺寸精度的问题。从成型原则方面来考虑的话，要增加尺寸精度就要增加充填量，并且在高压下进行长时间压缩补充。即用过分充填来极力控制体积收缩的影响。因而，从与模具温度（与树脂温度差越小，收缩越小）的关系看，B 种方式较好。周期，树脂温度高，模具温度低，另外，以高速注射为特点的
7、A 种方式最终还是快的。把这种情况综合起来加以判断的话，A 种方式的高温低压法可以使用的树脂一般适宜低粘度热稳定性好的树脂成组成型。一般认为，B 种方式适宜相反的树脂成组成型。因而从应用方面来考虑，A 种方式应用于尺寸精度没有要求的杂品类，B 种方式应用于工业零部件之类。从另一个角度来看，A 种方式可以得到强度很强的成型件，B 种方式即便利用相同的树脂，强度也差。但是，尺寸方面精度很好。由此得出这种结论：如果采用 A 种方式的成型法的话，对于杂品类来讲“可以采用强度很低的树脂” 。另一方面来看，工业零件把尺寸精度放在首要位置，成型法（B 种方式）反而使强度下降。因此，可以认为“根据成型法即使强
8、度下降也耐用（高物性） ，使用原先强度很强的树脂。这个问题只要讲究一下实际的成型件与使用树脂就可明确。另外，也可成为树脂选定的一个标准。进而可以根据这些成型法判断成型件的的设计，模具设计，成型机的选择等等注意事项。把上述内容取名为“成型基本方式“，但这永远是以标准的成型件为前提条件的，由于形状，壁厚，使用树脂以及产品要求程度不同，多少存在差异，这是不言而喻的。但是，理解了这些只是成型条件设定的第一步。另外，有关物性（尤其是强度）与成型条件的关系，请参照后述的第 4 部分成型件的强度与成型条件这个项目。各个主要项目成型条件的设定螺杆式注射机构的可塑化熔融理论与本试验已经在前面阐述过，所以，让我们
9、取几个实际成型条件设定时各项目的情况来看看。这些都是在相互有关的基础上成立的。所以，单独取出某一项来看，也许有些不合理，但是对于理解各设定项目的基本思路也许是必要的。加热料筒温度的设定加热料筒大体可以分为喷嘴，前部，中部，后部。喷嘴可以根据周期，其他的树脂温度以及喷嘴成型或自动往复来确定。因此，与直接可塑化无关。比前半部分高还是低要根据上述条件来确定，一般情况热稳定性好，熔化粘度低的树脂低，高粘度树脂高。后半部分温度承担螺杆的供给部分，它有软化树脂使之半熔化的作用。设定如果过高的话，摩擦就没有了，咬合变坏。因而最需要降温。但是，在必要的情况下可以立即供给，通常使用加热器最大的瓦数。中间部分承担
10、压缩部分，由于机械性的剪切作用而发热，所以是可塑化最重要的部分，使用中等程度的温度就足够了。前半部分的温度担当计量部分，这里的目的如其说是可塑化倒不如说是为了搅拌与均匀化，尽管内部发热量少，还是从保温的意义来讲，都是最高温的。热稳定性差，粘度高的树脂热稳定性好，粘度低的树脂喷嘴前半部分 中间部分 后半部分图 0-147 原则性的温度坡度例子计量部分 压缩部分 供给部分度坡度成为这种情况，但是该坡度的大小也根据树脂不同而有差异，最大可达4050。一般的情况，如图 0-147 所示。这种差对于热稳定性差的树脂来讲温度差小，因为它不能取得很大的差。从另一方面来看，还存在粘度温度特性的问题。原先，提高
11、树脂温度的目的就是“使其处于最容易流动的状态” ，即使粘度下降。但是，是不是什么都设定得越高越好呢？并不是这样的。提高树脂温度，降低粘度的比例不同（温度效率，温度依存性）而有差异。另外还需要考虑动率（周期） 。BDSpCA粘度图 0-148 粘度温度特性的一组化图形，为了便于说明，更容易理解其比较倾向B:PC,HPVC,PMMA,PPC 等等A:PS,PE,SAN,EVA 等等D:PA,PP 等等C:POM,ABS 等等温 度如图 0-148 所示，可以采取一组化的形式，但是粘度温度特性的说明与温度设定（主要是前半部分）的标准可以如下考虑。A：一般情况，温度依赖性不算高。因为温度设定要考虑与注
12、射压力的关系，尽量使其降低效果较好。B：温度依赖性强，由于提高温度而粘度急剧下降，这一组最好是尽量提高。C：达到某个温度（SP）之前，粘度下降，但是从 SP 点开始再提高温度的话，粘度下降极小，倒不如说是在热老化。因此，SP 点附近时最佳温度。D：与 C 正相反，在 SP 点之前粘度很不容易下降，但是越过 SP 点的话，粘度急剧下降。因而超越 SP 点的温度时有劲的。注射压力的设定注射压力是为了使在最容易流动的状态下熔化的树脂产生流动。有关这种流动与压力的关系，有的树脂对于压力敏感；有的树脂不敏感，如图 0-149 所示。根据图 0-149 所示，一般情况高粘度树脂比低粘度树脂更需要高压。 （
13、压力功率，压力依赖性）另外，尺寸精度要求很高时，为了提高密度需要高压。但是，着眼于物性（主要是机械物性）时，因为容易产生压力过充填歪，所以一般情况避免高压。模具温度的设定模具温度起到调整树脂温度与注射压力关系的作用。进而在结晶性树脂的情况，也可确定结晶化度与结晶的大小。一般来讲，从流动性来考虑，高粘度树脂比低粘度树脂温度高。换句话说，温度以及压力依赖性高的树脂模型温度也要提高。对于非结晶性树脂来讲，比热变形温度低 10为理想。结晶性树脂的情况，缓慢冷却能明显增加刚性，但是耐冲击强度差。另外，结晶性树脂比非结晶性树脂放热量多，所以需要大量的循环水。但是，要取得质量与生产性的平衡时很重要的。设定当
14、然也要由低开始进行才是有劲的。模具温度低的话，收缩量不平衡，取向大，容易变形，光泽也差。注射速度的设定注射速度起到控制熔化树脂流动“速度”的作用。从原有的成型原理来考虑， “尽快填充”为理想情况，所以只要在不惹来其他故障的范围内，越快越好。这种快速注射的效果不论从外观上，尺寸精度上还是物性上都有希望取得好的效果。这种快速注射（实质是射出率的问题）称为“高速注射” 。把其优点归纳如下： 减少冷却而造成的压力低下（可以降低注射压力） 。 成型件的各部分压力与温度分布一样，可以获得密度均匀的成型件。 （收缩小，保证尺寸精度） 。 浇口周围没有压缩以及过剩的充填（减少压力过充填歪） 。 可以把分子取向
15、而引起的歪控制在最小范围（减少各种取向歪） 。 树脂的熔化温度低也无妨，另外可以用比较低的模具温度成型。 模具内部的冷却速度加快，可以缩短周期。高速注射是基本目标，在这个过程中由于螺杆与加热汽缸，喷嘴部分，模具内部（浇口部分，气体烧毛）等等原因，依靠摩擦热需要使其容易变色和分解。因此，作为标准成型来讲，热稳定性好，熔化粘度低的树脂可以快速射出，与其相反的树脂就不得不低速度，这是通常的情况。注射时间的设定分析注射时间的话，如图 0-150 所示，可以分成充填时间与封口时间（保压） 。充填时间与注射速度，如 3-4 所述在不发生变色和分解的范围内尽量快一些较好。封口时间意味着浇口封住，直接根据浇口
16、断面的大小而定。这些均与成型件的设计以及商品要求有着密切的关系。有关浇口的详细内容，因为在3的模具进行阐述，所以这里省略，但是，不论多么小的浇口一定要有封口时间。所谓封口，在浇口还没有固化的过程中如果去掉注射压力的话，从模腔通过浇口在喷嘴一侧造成倒流，影响外观以及尺寸精度。因此，在浇口冷却之前必须给予注射压力。另一方面，对于成型收缩以及冷却速度差而引起的收缩孔，空洞等等，在对策方面也需要“补充” 。这种情况，使浇口不产生固化，当然要加大浇口，另外也需要使之积极补充充填的高注射压力和长的保压时间（由于充填之后不会立即收缩） 。充填时间与封口时间合在一起是注射时间，当然短了更好。注射时间（射出定时
17、器）充填时间（注射速度）尽量加快一次高压注射压力浇口封口时间（保压）二次高压二次低压浇口的大小大固化慢，但可进行收缩的补充小固化快，但不能充分进行收缩的补充浇口的位置 成型件的最大壁厚（可以补充）图 0-150 注射时间的分析与浇口的关系冷却时间（装置）的设定所谓冷却时间是使成型件在模具内在热变形温度以下冷却固化所需要的时间。浇口封口之后，为了冷却与收缩，压力慢慢地下降，直到树脂的温度下降到热变形以下，固化而开模为止。理想状态时连续把模穴内的残留压力降到 0，而实际上或多或少还剩下点残留压力。压力过高的话残留应力就强，脱模时引起裂纹以及脱模不好。冷却时间根据成型件的壁厚，温度传导率（热的扩散率
18、）料筒温度（注射时熔化树脂的温度） ，热变形温度，模具温度而定。冷却时间与往模具内注射的熔化树脂的准备时间一致的话，可以节省不必要的冷却时间，缩短周期。计量时间的设定计量时间主要是根据螺杆转数与背压来决定。在不引起热分解的范围内，螺杆转数快些为好。因而，螺杆转数优先确定，然后才是背压。根据 3-9 所述的理由，要考虑产品的光泽，均匀性，排除水分，气体，高一些较好。但是，如果过高的话，计量时间就变长。但是计量时间与冷却工程是重复的，只要冷却工程没有结束，尽管计量时间提前也提高不了周期。如图 0-50 所示，让螺杆处于停止状态的话，料筒内的热状态发生变化，有分解（料筒内壁部分）的可能性。螺杆旋转的
19、话，通常不可能分解。因此，计量时间在冷却时间范围内越长越好。即可以认为：背压在不影响周期的范围内越高越好。当然，不允许由于过份的背压而引起变色，分解以及周期降低。对于周期（冷却）有影响的话，进行干燥时有效的。这是干燥的一项意义。螺杆转数的设定所谓螺杆转数是依靠螺杆而产生的剪切作用的剪切速度。剪切速度越快，剪切作用而产生的机械性内部能量（剪切热）就越大。因此成型加工方面希望尽量高速运转。但是，剪切速度过快，剪切热过大的话，热稳定性差的树脂产生烧焦或分解。因而，螺杆的转数在不引起分解的情况下加快其速度即为设定条件。热稳定性好，粘度低的树脂可以把螺杆转数提高些；热稳定性差，粘度高的树脂螺杆转速要低些
20、，这是一般的处理方法。过分快的话，压陷时的摩擦减小，可塑性能力降低，所以需要注意。通常情况是由慢开始调节，如果变色的话稍微返回一点。螺杆背压的设定背压是阻止螺杆的后退而设置。其目的是给树脂适度的剪切作用提高其可塑性，在限制螺杆后退速度的同时充分搅拌，让卷入的空气以及挥发气体从料斗一侧跑掉。因而，背压的适宜值是根据树脂的种类，可塑化温度，螺杆转数等等而改变的，因此希望能在大范围内调整。充分利用机械性的背压也可以去除树脂的吸湿水分，但是，吸湿量大的树脂以及用少量的水分进行加水分解的树脂（聚碳酸酯，聚对苯=甲酸乙=酯） ，从与周期的关系来看，进行予备干燥效率更高些。成型条件与提高周期提高周期的因素，
21、因为牵涉到成型件设计至成型条件很多方面的复杂因素，所以这里只介绍成型条件如何达到该目的。但是，这里说明成型条件的组合方面提高周期的步骤。成型条件之中，最费时间的当然是冷却时间与注射时间。缩短这两方的时间是提高周期的途径，是最有效的。下面标识最短冷却时间以及注射时间的设定步骤例子。 首先从数据经验，以及本章阐述的理论，外加图 0-151 等等最重要的成型条件，一起进行设定。当然，需要根据商品要求满足成型件。 接着，问题的焦点集中到缩短注射时间的方面。这时，为了保持整体的热平衡，把缩短注射计时部分的时间延长到冷却时间上。其它条件一律暂时固定。注射计时器逐渐缩短，打 23 模观察其状态。通常情况下发
22、现凹痕的话需要进行注射压力的提高，模具温度的调节，树脂温度的调节等等，在商品要求的极限内尽量缩短。 然后缩短冷却时间。这时因为整个周期变动，所以要充分地在间隙方面慢慢地缩短。一般情况，2 分钟 20 模为一级（间隔） 。这时，对于冷却时间有很大影响的模具温度也要同时进行调节。 如果产生故障，冷却定时器保持不变，同时改一下其他方面的要素（但是，注射定时器要固定） 。 故障排除之后，一级继续进行。再次产生故障的话，废除一级而进行。反复进行两项，确定最终条件。a. 提高的有：尺寸精度，形状稳定（防止变形） ，外观（凹痕）等等。b. 下降的有：强度（尤其是容易进行热劣化的树脂的物性）一般为下降。成型作业如前面所述，是“以秒为单位”计算的工作。缩短 1 秒的利润按照一年来换算的话也可以达到几十万日元。需要进一步认识一秒钟的价值，在平时工作中要节省浪费，应在这方面下功夫。另外，与此同时也要考虑如何通过成型机本身的机械性调整提高周期。
