注塑是 6 个工程

OEM 对接会上说”注塑”时,双方脑子里一个循环的内容其实不一样。标准组织的定义里,注塑被拆成下面 6 个工程 [1]。

1. 计量(plastication / metering)     把熔融树脂送到螺杆前端
2. 注射(injection)                  把熔融树脂填入模具型腔
3. 保压(packing / holding)           压缩型腔内树脂,补足收缩
4. 冷却(cooling)                    在模具内固化树脂
5. 取出(ejection)                   取出成型品
6. 下个循环准备                     螺杆后退、模具开合等

这 6 个工程的温度、压力、时间、速度怎么按材料和模具设定,才是注塑的核心。

国际 4 大标准覆盖范围

汽车 OEM 合作里最烦的”标准不统一”问题,按 ISO / ASTM / JIS / GB 4 个体系整理如下。

标准正式名称适用范围备注
ISO 294-1热塑性试样注塑—第 1 部分:一般原则及多用途试样试样制备规定多用途 ISO 3167 A1/B1 型试样 [2]
ISO 294-2同 第 2 部分:小拉伸试样小试样C 型模具,ISO 20753 CW13 试样 [3]
ISO 294-3同 第 3 部分:小角板板状试样D1/D2 型模具,60×60 mm 板
ISO 294-4同 第 4 部分:成型收缩率收缩率测定规定平行/垂直方向
ISO 294-5同 第 5 部分:各向异性研究用各向异性F 型模具 80×120 mm [4]
ASTM D3641热塑性试样注塑标准实施规程试样制备NOTE 1 明确说明与 ISO 294-1～3 等效 [5]
JIS K 7100塑料—状态调节及试验用标准环境试验环境23℃/50% RH 为标准
GB/T 17037.1-2019热塑性塑料注塑试样的制备 第 1 部分试样制备修改采用 ISO 294-1:2017 [6]
GB/T 17037.2-2020同 第 2 部分小试样修改采用 ISO 294-2:2018
GB/T 17037.4-2003同 第 4 部分成型收缩率等同采用 ISO 294-4:2001
GB/T 17037.5-2020同 第 5 部分各向异性修改采用 ISO 294-5:2017

实际上 ASTM D3641 = ISO 294-1～3 + JIS K 7100(状态调节) + ISO 20753(试样尺寸)的组合。GB/T 17037 在 2017–2020 年完成了与 ISO 的整合,绝大部分试验数据在 4 个体系间可互换 [7]。

6 工程与各标准要求

按工程整理”标准要求的检测项目”。

计量工程(plastication)

  • 计量精度:注塑量的 0.1 g 单位
  • 树脂温度(熔体温度):±3℃ 以内(ASTM D3641 §6.1.1)
  • 背压:0.5–2.0 MPa(PA66 等高粘度树脂建议 1.5 MPa)
  • 射出量:使用成型机最大能力的 20–80%(避免残料滞留) [5]

注射工程(injection)

  • 注射速度:由模具型腔容积和注塑量算出平均注射速度
  • 注射压:模具传感器压力 2% 精度内管理
  • V/P 切换点:从速度控制切换到压力控制的时点
  • 型腔压力曲线:不出峰,CPK ≥ 1.33 是量产合格门槛

ASTM D3641 §6.1.1 严格规定注射速度、注射压、计量时间的允差为 ±0.1 s / ±2% / ±5% [5]。

保压工程(holding/packing)

  • 保压压:降到注射压的 50–80%
  • 保压时间:浇口凝固时间 + 1 s 为准
  • 型腔内压力推移:不出峰,CPK 1.33 以上

ISO 294-4 规定保压压从 20 / 40 / 60 / 80 / 100 MPa 5 个阶段中选 [8]。

冷却工程(cooling)

  • 模具温度:按材料推荐温度区间(JIS K 7100 规定 23℃/50% RH 状态调节为前提)
  • 冷却时间:壁厚每 1 mm 5–8 s
  • 冷却不均导致的变形:靠各向异性试验(ISO 294-5)检测

取出工程(ejection)

  • 顶杆直径:成型品外形 × 0.6–0.8%
  • 顶出痕:模具 SPI-SPE A-3 以上(ASTM D3641 §6.2.4)
  • 脱模斜度:1° 以下(多用途试样中央肩部 2° 以下)

下个循环准备

  • 成型循环时间:从浇口凝固到下次浇口凝固
  • 标准组织不直接规定,但 IATF 16949(汽车 QMS)要求 CPK 和能力指数

汽车 OEM 要求的成形条件报告

丰田、本田、大众的 Tier 1 供应商在量产开始时要求提交成形条件报告(IM Report: Injection Molding Report)。下面 13 项是共通项,实际格式和 PPAP(生产件批准程序)一致 [9]。

  1. 成型机厂家、型号、最大锁模力
  2. 射出量(产品 + 流道 + 浇口)
  3. 树脂厂家、牌号、批号
  4. 树脂干燥条件(温度、时间、露点)
  5. 料斗温度
  6. 料筒各段温度(后 / 中 / 前 / 喷嘴)
  7. 熔体温度(实测值)
  8. 模具温度(实测,型腔 / 型芯分别)
  9. 注射时间 / 保压时间 / 冷却时间 / 循环时间
  10. 注射压 / 保压压(含段数)
  11. 注射速度(V/P 切换位置或时间)
  12. 模具型腔压力(按传感器通道)
  13. 成型品重量 / 尺寸(代表 5 件)

OEM 审核会看”成形条件报告和量产中的 CPK 是否联动”,所以**13 项里至少 8 项要纳入 SPC(统计过程控制)**才是产线现实 [10]。

常见问题与标准解读

”缺料”频发

先看 ISO 294-1 §6.2 的”型腔设计”重新校核。浇口径为型腔厚度的 2/3 以上、浇口长度 3 mm 以下是 ASTM D3641 §6.2.3 的指引 [5]。要分清是模具问题还是材料问题,用含筋试样(ISO 294-5 F 型)测流动长度是定式。

“翘曲”压不下来

大多源自各向异性。用 ISO 294-5 的板状试样(80×120×2 mm)在 MD(流动方向)和 TD(垂直方向)分别测力学性能,差值超过 30% 时,玻纤含量、取向、残余应力三者是主导因素。玻纤增强品的成型收缩率按 0.1% 步进测量(GB/T 17037.4)[6]。

“银纹”出现

从 ASTM D3641 §6.1.1 的熔体温度管理(±3℃)是否偏离、干燥不足、排气不良这 3 个方向排查。首要切分点是看是否偏离材料厂家推荐干燥条件(如 PA66 是 85℃ × 4 小时)。

量产时规格公开

拿到 OEM 量产许可前,按 ISO 标准试样出具物性表是行业惯例。流程是:

  1. 按 ISO 3167 多用途试样(A1 型)制备(ISO 294-1)
  2. 23℃ / 50% RH 状态调节 88 小时(JIS K 7100)
  3. 实施 ASTM D638(拉伸)、D790(弯曲)、D256(Izod 冲击)、D648(HDT)、D955(成型收缩率)5 项试验
  4. 用 5 批次 × 5 个体的数据做 SPC 评估,确认 CPK 1.33 以上
  5. 作为 PPAP 等级 3 提交给 OEM

有了这套数据,量产中 CPK 下降时可以直接对照”材料厂家公布值”快速切分原因 [11]。

小结

  • 注塑可拆为计量、注射、保压、冷却、取出、下循环准备 6 个工程
  • 国际 4 标准(ISO 294 / ASTM D3641 / JIS / GB/T 17037)已基本一致,ASTM D3641 = ISO 294-1～3 + 状态调节标准
  • 汽车 OEM 审核以 13 项成形条件报告为标准,量产中要求维持其 SPC
  • 出问题时按标准对应条款切分原因,防止复发靠 PPAP 数据固化

标准是”懂不懂”就能拉开品质差的领域。东莞工厂新开模具时,社内规矩是先把 ISO 294-1 和 ASTM D3641 两份 PDF 打开,再开始定条件。

参考文献

  1. ISO 294-1:2017, Plastics — Injection moulding of test specimens of thermoplastic materials — Part 1: General principles, and moulding of multipurpose and bar test specimens, ISO
  2. ISO 3167:2014, Plastics — Preparation and use of multipurpose test specimens, ISO
  3. ISO 294-2:2018, Plastics — Injection moulding of test specimens of thermoplastic materials — Part 2: Small tensile bars, ISO
  4. ISO 294-5:2017, Plastics — Injection moulding of test specimens of thermoplastic materials — Part 5: Preparation of standard specimens for investigating anisotropy, ISO
  5. ASTM D3641-15, Standard Practice for Injection Molding Test Specimens of Thermoplastic Molding and Extrusion Materials, ASTM International
  6. GB/T 17037.1-2019, 塑料 热塑性塑料材料注塑试样的制备 第 1 部分:一般原理, 国家标准化管理委員会
  7. ISO 1043-1:2011, Plastics — Symbols and abbreviated terms, ISO
  8. ISO 294-4:2001, Plastics — Injection moulding of test specimens of thermoplastic materials — Part 4: Determination of moulding shrinkage, ISO
  9. IATF 16949:2016, Quality management system requirements for automotive production and relevant service parts organisations, IATF
  10. AIAG PPAP 4th Edition (2006), Production Part Approval Process, Automotive Industry Action Group
  11. JIS K 7100:1999, プラスチック—状態調節及び試験用標準ふん囲気, 日本工業標準調査会
  12. GB/T 17037.5-2020, 塑料 热塑性塑料材料注塑试样的制备 第 5 部分:各向异性研究用标准试样的制备, 国家标准化管理委員会