第2章：成型条件与注射压力
- 注射压力概述
- 影响注射压力需求的因素
- 方程
- 成型条件的影响
- 使用 Moldflow 确定最佳加工条件
2.1 注射压力概述
压力推动聚合物充满并保压型腔，是克服聚合物熔体流动阻力的驱动力。若在熔体流动路径上布置多个压力传感器，便可得到熔体内部的压力分布。
图 2.1：压力沿供料系统和型腔下降。
2.1.1 压力驱动流动前沿
聚合物流动前沿从高压区移动到低压区，类似水从高处流向低处。注射阶段在喷嘴处建立高压以克服熔体流动阻力；压力沿流动长度向熔体前沿递减，若型腔排气良好，前沿处压力达到大气压。
总体而言，压降会随熔体流动阻力增加而增加，而流动阻力又取决于几何形状和熔体黏度。聚合物黏度常以熔体流动指数表示，但它并不能很好地衡量充填阶段的材料行为。流动长度增加时，为维持期望的注射流速，聚合物入口压力必须提高。
2.2 影响注射压力需求的因素
下表概括影响注射压力的设计与工艺因素。
| 因素 | 变量 | 需要较高注射压力 | 需要较低注射压力 |
|---|---|---|---|
| 塑件设计 | 塑件厚度 | 薄壁塑件 | 厚壁塑件 |
| 塑件设计 | 塑件表面积 | 模壁冷却和阻力更大 | 模壁冷却和阻力更小 |
| 塑件设计 | 流动长度 | 流动长度长 | 流动长度短 |
| 供料系统设计 | 浇口尺寸 | 受限浇口 | 较大的浇口 |
| 供料系统设计 | 流道直径 | 直径过小或过大 | 直径已优化 |
| 工艺条件 | 模具温度 | 冷却介质温度较低 | 冷却介质温度较高 |
| 工艺条件 | 熔体温度 | 熔体温度较低 | 熔体温度较高 |
| 工艺条件 | 柱塞速度（注射时间） | 柱塞速度不合适 | 柱塞速度已优化 |
| 材料选择 | 熔体流动指数 | 低指数材料 | 高指数材料 |
2.3 方程
依据经典流体力学理论的简化，充满供料系统（主流道、分流道、浇口）和型腔所需的注射压力，可与材料、设计和工艺参数关联。以下方程中，
2.3.1 圆形通道流动
圆形通道流动描述熔体在主流道、分流道和圆柱形浇口内的流动：
2.3.2 条带通道流动
条带通道流动描述熔体在薄型腔内的流动：
图 2.2：注射压力与熔体黏度、流动长度、体积流量及塑件厚度的关系。
2.4 成型条件的影响
下面考察模具温度、熔体温度和充填时间等关键成型设置对塑件质量的影响。
2.4.1 塑件质量
首先必须定义塑件质量：主要目标是将残余应力降至最低，并避免翘曲和缩痕。残余应力可用两种方式检查。透明塑件可置于偏振片之间观察，如同读取等高线图；颜色变化越密集，残余应力越高。对于不透明塑件，则采用回缩试验：在零件上绘制圆形，将其置于规定温度的烘箱中规定时间，测量圆形变形后椭圆的长、短轴，其比值可反映残余应力或取向水平。
图 2.3：透过偏振片观察的透明胶带分配器，密集的颜色变化表示较高残余应力。
图 2.4：用于确定取向水平的回缩试验。
2.4.2 熔体温度
低熔体温度时，填充模具所需压力和型腔内剪切应力均较高。熔体温度上升后，曲线趋于平缓，即同样的升温带来的剪切应力降低幅度变小。但温度过高会加速材料降解，从而降低塑件质量。
提高熔体温度虽然可用更高压力保压，却会因体积收缩显著增加而降低塑件重量；压力需求的变化不足以补偿该收缩，因此缩痕会增加。塑件重量随温度变化，可作为缩痕的有用指标。
图 2.5：剪切应力和塑件重量随熔体温度的变化。
2.4.3 模具温度
提高模具温度与提高熔体温度的作用相似，但在非常接近转变温度之前，对压力和应力水平的影响较小。模具温度对冷却时间的影响却可能远大于相同幅度的熔体温度变化。提高模具温度的一个重要好处是：在不使塑料过冷的条件下，可以采用更慢的注射速率。
2.4.4 充填时间
充填压力与流动前沿温度对注射时间的要求彼此冲突。极短注射时间会导致很高的剪切速率，因此填充型腔所需压力很高；延长注射时间会降低剪切速率，但散热更多，流动前沿温度降低、黏度上升，压力又会提高。因此会得到经典的 U 形曲线：短时间因流速高而压力高，长时间因前沿过冷而压力高，二者之间存在可接受充填压力的注射时间。
图 2.6：压力和温度随时间的变化。
2.4.5 剪切应力变化
剪切应力分布取决于流动开始还是结束。开始时没有足够时间散热，应力主要由剪切速率决定，故减慢流动会持续降低应力。流动结束时，短注射时间的高剪切速率与长注射时间的低温又形成冲突；许多情形下应力随时间呈 U 形，也可能随充填时间增加而持续上升。
图 2.7：剪切应力与时间的关系。
2.4.6 保压压力和时间
在充填阶段相同的实验中，仅改变保压压力与保压时间，可制得重量相同而条件组合不同的一组塑件。相较于低保压压力、长保压时间，高保压压力、短保压时间制得的塑件通常具有更低应力。
图 2.8：保压压力和保压时间与塑件重量的关系。
2.4.7 小结
静水压（全向压力）本身不产生应力；若将塑料置于压力容器中施压，单独的压力不会引起应力或失效。塑件应力来自塑料同时流动和冻结的组合条件，这种条件发生在保压或补偿阶段。
图 2.9：施加于聚合物的静水压。
图 2.10：流动和冻结同时发生所导致的残余应力。
2.4.8 回流
回流是一种可能无意发生的特殊情况。模具建立很高压力时，因可压缩性会额外压入约 15% 材料；若随后降低保压压力，塑料会从模具沿流道反流。反向流动和正向流动一样，会在与冻结同时发生时产生应力。理想成型应使模具建立压力，在达到可接受缩痕所需的最短时间内保压，随后让流道系统冻结，使塑料不能流入或流出模具。
2.5 使用 Moldflow 确定最佳成型条件
Moldflow 的成型窗口分析运行很快，可用于评估最佳成型条件、成型窗口大小、材料选择、充填压力、浇口位置和壁厚。它属于初步分析，但可快速回答重要问题，并缩小详细分析的关注范围。
2.5.1 塑件
示例中的格栅件在底边使用五个浇口，以获得单向且平衡的充填。该件采用 ABS，同一供应商的两种候选材料通过成型窗口分析进行比较。
图 2.11：具有五个浇口位置的格栅件。
2.5.2 成型窗口大小
两种材料在相同范围内评估：模具温度 40 至 80 ℃，熔体温度 200 至 280 ℃，注射时间 0.3 至 10.0 s。
2.5.2.1 区域图
区域图以熔体温度为横轴、注射时间为纵轴，可分为三个区域：
- 红色，不可行，充填压力超过机器能力的 80%。
- 黄色，可行，充填压力低于机器能力的 50%，但压力或另一参数可能超出限值。
- 绿色，优选，所有参数均在可接受限值内，包括压力低于机器能力的 50%，剪切应力低于材料剪切应力限值，剪切速率低于材料剪切速率限值，流动前沿温度在熔体温度的 +0 至 −20 ℃ 范围内，以及锁模力低于机器能力的 80%。
两种材料的优选窗口都不算很大，但足以使两种材料都能轻松成型。
定义区域的参数可以改变。仅在塑件上定义浇口位置而未建立供料系统时，将压力限值设为机器能力的 50% 是合理的，原因有二：分析中没有供料系统，较低的压力限值可确保仍有压力余量填充流道；即使考虑流道压降，整副模具的压力需求也应尽量不超过机器能力的约 75%。
图 2.12：比较两个 ABS 牌号的成型窗口区域图。
2.5.3 注射压力
窗口图说明优选区域内压力低于机器能力的 50%，但不显示具体余量。多数情况下，流动前沿温度是决定成型窗口大小的主要因素。对于示例格栅，在模具温度 40 ℃、熔体温度 240 ℃及 0.3 至 10.0 s 注射时间范围内，ABS2 的充填压力约为 ABS1 的两倍；但在典型 140 MPa 的机器能力下，ABS2 的最大压力仍远低于一半能力。两种材料都可用于成型该零件。若没有特殊理由选择 ABS2，ABS1 因所需充填压力更低而更合适。
图 2.13：比较两个 ABS 牌号的充填时间与充填所需注射压力。
2.5.4 流动前沿温度
在给定模具和熔体温度下，零件充填期间的最低流动前沿温度通常是确定注射时间的主要限制因素。两种 ABS 的熔体温度相同，但热性能不同，故曲线明显不同。ABS2 的可接受注射时间范围接近 3 s，ABS1 约为 2 s；两者都可成型，但生产中较宽的合格时间范围始终更优，因此按此信息 ABS2 更合适。
图 2.14：比较两个 ABS 牌号的最低流动前沿温度与时间，竖线表示基于流动前沿温度的成型窗口。
2.5.5 冷却时间
材料冷却至可顶出所需的时间对塑件盈利能力至关重要。在材料建议的模具温度范围内，ABS2 因热性能差异，在相同建议模具温度下比 ABS1 快约 12 s，即约快 40%；在模具寿命内这意味着显著的成本节约。
图 2.15：比较两个 ABS 牌号的模具温度与冷却时间，竖线表示选定的模具温度。
2.5.6 小结
从两种 ABS 的初始选择看，人们可能根据熔体流动指数或其他指标认为较易流动的 ABS1 最好。但一次不足 30 分钟的成型窗口分析已清楚表明：虽然 ABS2 充填需要更高压力，综合冷却时间和成型窗口大小，它才是更佳选择。进一步详细分析可验证浇口位置、确定浇口和流道尺寸、设计冷却系统，并确保塑件翘曲不过大。