Korte skudd i sprøytestøping: Årsaksanalyse, løsninger og praktiske tilfeller
Innen produksjon av sprøytestøping av plast er korte støpeformer blant de vanligste og mest destruktive kvalitetsfeilene. En korte støpeform refererer til en situasjon der smeltet plast ikke klarer å fylle formhulrommet fullstendig under fyllingsprosessen, noe som resulterer i problemer som materialmangel, ufullstendige kanter og fylling av hull i tynnveggede områder av det støpte produktet. Disse problemene påvirker direkte produktets strukturelle integritet, monteringsnøyaktighet og utseendekvalitet.
Et tilfelle fra en produsent av nye energikjøretøyer viser at et kortsiktig problem med tynnveggede støtfangere alene førte til at kundens produksjonslinje stengte ned i 8 timer, noe som resulterte i direkte økonomiske tap på over 500 000 yuan (Merk: Hvis det er mer kontekstuelt passende å konvertere til en utenlandsk valuta, kan "over 70 000 amerikanske dollar" brukes, med konverteringskursen basert på gjennomsnittlig markedskurs rundt 2024).
Med utgangspunkt i den essensielle mekanismen bak korte skudd, vil denne artikkelen systematisk bryte ned de fire kjerneårsakene, gi omfattende løsninger som dekker materialer, former, prosesser og utstyr, og illustrere implementeringsveiene med praktiske tilfeller.
I. Korte skudds natur: Dynamisk forstyrrelse av flytbalanse
Dannelsen av korte skudd er ikke forårsaket av én enkelt faktor; kjernen ligger i forstyrrelsen av den dynamiske balansen mellom "fremdriftsenergien" og "strømningsmotstanden" til den smeltede plasten under fyllingsprosessen. Fra et mikroskopisk mekanismeperspektiv må smeltefronten overvinne tre kjernetyper av motstand for at hulrommet skal kunne fylles fullstendig:
1. Viskositetsmotstand i selve smelten: Generert av materialets viskositet og friksjon i løperen;
2. Trykkfall: Trykktapet i smelten fra slusen til enden av hulrommet øker eksponentielt med lengden på strømningsbanen;
3. Temperaturgradient: Avkjøling av smelten fører til en kraftig økning i viskositeten – for hver 10 °C temperaturfall kan viskositeten øke med 2,3 ganger (i henhold til Arrhenius-ligningen).
Når summen av disse motstandene overstiger fremdriftskraften som injeksjonssystemet gir, størkner smeltefronten før hulrommet fylles helt, noe som resulterer i kortskuddsdefekten.
Typiske manifestasjoner av korte skudd inkluderer:
● Progressiv materialmangel (gradvis tynning fra porten til enden av delen);
● Periodisk strømningsavbrudd (utseende av "bambusfugelignende linjer" på overflaten);
● Generell underfylling (utilstrekkelig fylling av hele hulrommet);
● Lokal materialmangel (ufylte komplekse strukturer eller nettingområder).
Ulike manifestasjoner korresponderer med ulike kombinasjoner av årsaker.
II. Fire kjerneårsaker: Sporing av hele kjeden fra materialer til utstyr
(1) Materialegenskaper: Medfødte begrensninger på strømningskapasitet
Materialer er den grunnleggende faktoren som påvirker korte shots, med kjerneproblemer som fokuserer på to aspekter: flytbarhet og renhet.
Høyviskøse materialer (f.eks. PC, PPO, PC + 20 % mineralfyllstoff) viser høy smelteflytmotstand. Spesielt i tynnveggede produkter (≤2 mm) eller produkter med lang strømningsbane (strømningsforhold > 100:1) er det stor sannsynlighet for korte skudd på grunn av utilstrekkelig strømning. Urenheter, usmeltede partikler eller for mye smøremidler i råmaterialene forverrer problemet ytterligere: urenheter kan blokkere løpere og danne "strømningshindringer", mens for mye smøremidler kan forårsake smelteglidning, noe som reduserer det effektive fylletrykket.
I tillegg øker reorienteringen av glassfibrene strømningsmotstanden for glassfiberforsterkede materialer (f.eks. PP + 30 % GF). Områder med konsentrerte lange fibre kan til og med danne en nettverksstruktur, noe som hindrer smeltefremdrift.
(2) Formdesign: Strukturelle defekter i strømningsveier
Rasjonaliteten i formdesignet bestemmer direkte hvor jevn smelteflyten er. Vanlige designproblemer inkluderer:
● Feil utforming av løpere og porter (for tynne løpere, forskjøvede portposisjoner eller for små porter), noe som fører til for stort trykktap;
● Dårlig ventilasjon i hulrommet: Innestengt luft kan ikke slippe ut, noe som danner mottrykk som hindrer fylling av smelten;
● Urimelig oppsett av kjølesystemet: Lokal overkjøling fører til at smelten størkner for tidlig;
● Kompleks produktgeometri (f.eks. tette nett, smale ribber): Øker strømningsmotstanden og danner lett soner for strømningsstagnasjon.
For eksempel har nettingområdet på bunndekselet til en bærbar PC (NB) et stort kontaktområde og rask varmespredning – det er ikke bare et høyrisikoområde for korte bilder, men også utsatt for blitsdefekter på grunn av det høye trykket som kreves for fylling.
(3) Prosessparametere: Ubalansert samsvar mellom støpeforhold
Prosessparametere er den mest direkte årsaken til korte skudd, der kjernen ligger i den trekantede samsvaringen av temperatur, trykk og hastighet.
● Utilstrekkelig injeksjonstrykk eller hastighet resulterer i utilstrekkelig fremdriftskraft for smelten; omvendt kan for høy hastighet fange luft, mens for lav hastighet fører til at smelten størkner for tidlig.
● Lav smeltetemperatur eller formtemperatur øker smelteviskositeten betydelig. For eksempel er flyteevnen til PP-materiale ved 200 °C mye lavere enn i det optimale temperaturområdet (220–240 °C).
● Feil innstillinger for holdetrykk (f.eks. forsinket omkoblingstidspunkt, utilstrekkelig trykk) kompenserer ikke for smeltekrymping, noe som fører til materialmangel ved delens ende.
"One-size-fits-all"-injeksjonsstrategien med konstant hastighet i tradisjonelle prosesser kan ikke tilpasses trykkforfallsloven for produkter med lang strømningsbane, noe som også er en viktig årsak til progressive korte sprøyter.
(4) Utstyrsytelse: Utilstrekkelig presisjon i energioverføring
Ytelsen til sprøytestøpemaskiner påvirker direkte stabiliteten til "energiforsyningen", og forekomsten av korte støt varierer betydelig mellom maskiner fra forskjellige merker. For elektriske sprøytestøpemaskiner inkluderer viktige påvirkningsfaktorer trykkoverføringsnøyaktighet, strømningshastighetsstabilitet og temperaturfeltuniformitet:
● Fanuc-maskiner har en høy strømningshastighet (opptil 60 %), noe som lett fører til progressiv materialmangel;
● Forsinkede responser i holdetrykkbryterventilen på Sumitomo-maskiner kan forårsake periodisk strømningsavbrudd;
● Hastighetssvingninger i haitiske maskiner fører til ustabilitet i trykket, noe som fører til generell underfylling.
I tillegg kan utstyrsfeil som tomme beholdere, blokkerte mateinntak og slitte tilbakeslagsventiler føre til et fall i faktisk injeksjonstrykk eller trykklekkasje, noe som ytterligere forverrer problemene med korte åpninger.
III. Omfattende løsninger: En systematisk strategi fra forebygging til utryddelse
(1) Materialoptimalisering: Forbedring av strømningskapasitet ved kilden
Kjernen i materialjustering er å redusere strømningsmotstanden, noe som kan oppnås gjennom tre tilnærminger:
1. Bytt ut med harpikskvaliteter med bedre flyteevne: Velg materialer med høyere smeltestrømningshastighet (MFR) for å redusere injeksjonstrykket som kreves for fylling;
2. Modifisering av råmaterialer: Forbedre smelteflyten ved å tilsette myknere, redusere andelen fyllstoffer eller optimalisere lengdefordelingen av glassfibre;
3. Forbehandling av råmaterialer: Kontroller urenhetsinnholdet strengt og tørk hygroskopiske materialer helt for å unngå viskositetssvingninger forårsaket av fuktighet.
For glassfiberforsterkede materialer som PP + 30 % GF, kan skruekompresjonsforholdet og lengden på blandeseksjonen justeres for å redusere glassfiberbrudd og senke strømningsmotstanden.
(2) Formoptimalisering: Bygge et system med jevn flyt
Formforbedring krever presis optimalisering kombinert med CAE-formstrømningsanalyse:
● Løpe- og portdesign: Utvid løpehjulets størrelse, optimaliser portposisjonen (f.eks. endring fra sideport til senterport) og balanser fyllingstiden for hvert hulrom. En viss bilkomponent oppnådde en 20 % økning i fyllingshastigheten gjennom denne metoden;
● Ventilasjonssystem: Legg til ventilasjonsspor (dybde ≤ 0,02 mm, bredde 5–10 mm) på enden av hulrommet og luftopphopningsområdene, eller bruk porøse stålinnsatser for å eliminere mottrykket;
● Kjølesystem: Unngå lokal overkjøling. For produkter med lang strømningsbane kan ekstra varmestaver installeres på enden for å opprettholde smeltetemperaturen.
● Produkter med kompleks struktur: Optimaliser produktgeometrien gjennom CAE-simulering, for eksempel fortykning av tynnveggede områder eller forenkling av strømningsbaner, for å redusere strømningsmotstanden.
(3) Prosessoptimalisering: Oppnå presis prosesskontroll
Nøkkelen til prosessjustering er å etablere et dynamisk samsvarsforhold mellom "temperatur, trykk og hastighet":
● Temperaturkontroll: Øk smeltetemperaturen på en passende måte (f.eks. hev PP-temperaturen fra 200 °C til 220–240 °C) og formtemperaturen for å redusere smelteviskositeten, samtidig som materialforringelse forårsaket av for høye temperaturer unngås;
● Trykk- og hastighetskontroll: Bruk en segmentert injeksjonsstrategi og juster parametere dynamisk basert på strømningsbanelengde. Bruk for eksempel høyt trykk og høy hastighet i startfasen for raskt å etablere en trykkgradient, opprettholde trykket i mellomfasen for å kompensere for trykkfall, og reduser hastigheten i sluttfasen for å unngå flash. Samtidig brukes et gradvis avtagende holdetrykk for å forhindre plutselige trykkendringer.
● Prinsipp for parameterjustering: Følg prinsippet «lite og gradvis» – juster injeksjonstrykket med 5–10 % hver gang for å unngå nye feil forårsaket av drastiske parameterendringer.
(4) Utstyrsoptimalisering: Sikring av stabil energioverføring
Optimalisering på utstyrsnivå inkluderer:
● Kalibrer injeksjonstrykk og strømningshastighetsnøyaktighet regelmessig for å sikre nøyaktigheten av trykkoverføringen;
● Inspiser og skift ut slitte tilbakeslagsventiler for å forhindre trykklekkasje;
Utvikle differensierte parametere basert på egenskapene til maskiner fra forskjellige merker. For eksempel må Fanuc-maskiner fokusere på å kompensere for reduksjon i strømningshastighet, Sumitomo-maskiner krever optimalisering av brytertidspunktet for holdetrykk, og haitiske maskiner må kontrollere hastighetssvingninger;
● For produkter med lange strømningsbaner og tynnveggede produkter, velg utstyr med høyere stabilitet i injeksjonsvolum, trykk og hastighet for å unngå korte skudd forårsaket av utilstrekkelig utstyrskapasitet.
IV. Praktiske tilfeller: Veien fra massesmåskudd til 95 % utbytte
Tilfelle 1: Løsning på korte skudd i tynnveggede støtfangere for nye energikjøretøyer
En viss bilprodusent produserte tynnveggede støtfangere laget av PP + 30 % GF (veggtykkelse: 1,8 mm, strømningsforhold: 120:1). Alle de tre elektriske sprøytestøpemaskinene opplevde massesmåteforandringer, med en materialmangel på 2–5 mm på enden av delene. Den tradisjonelle metoden med å øke injeksjonstrykket forbedret bare problemet med 15 % og forårsaket alvorlig flammdannelse.
Løsning: En koblet optimaliseringsstrategi for "utstyrsegenskaper - materialoppførsel - prosessparametere" ble tatt i bruk:
● For Fanuc-maskiner: Segmentert injeksjon ble implementert (starttrinn: 140 MPa/200 mm/s → mellomtrinn: 120 MPa/150 mm/s → sluttrinn: 100 MPa/100 mm/s). Ekstra varmestaver ble installert på enden av løpeskinnene for å øke temperaturen på enden fra 185 °C til 220 °C, noe som reduserte viskositeten med 48 %;
● For Sumitomo-maskiner: Tidspunktet for holdetrykkskobling ble optimalisert for å forkorte responsforsinkelsen til 0,05 sekunder, og R-vinkelen ved løperbøyene ble utvidet til 1,5 mm;
● For haitiske maskiner: Lengden på skrueblandeseksjonen ble justert for å redusere ujevn spredning av glassfibre, og hastighetsfluktuasjonene ble kontrollert innenfor ±1 o/min.
Til slutt ble korttidsfeilen fullstendig løst, utbyttet økte fra 70 % til 95 %, og blitsvolumet ble redusert med 80 %.
Tilfelle 2: Samarbeidsløsning for korte bilder og blits i nettingområdet til NB-bunndekslene
Et bunndeksel på en bestemt bærbar PC (NB) (veggtykkelse: 1,2 mm, PC + 20 % mineralfyllstoff) hadde samtidig korte skudd og blits på grunn av tette nettingmasker. Tre justeringer av porten viste ingen signifikant forbedring. CAE-formstrømningsanalyse viste at nettingområdet hadde høy strømningsmotstand og konsentrert trykk.
Løsning:
● Nettingen ble optimalisert ved hjelp av en ekvivalent korrigeringsmodell for veggtykkelse, der veggtykkelsen i nettområdet ble justert til 1,05 mm;
● Portsystemet ble redesignet: endring fra firepunkts porter til topunkts symmetrisk porter, og diameteren på tverrløperen ble utvidet til 8 mm;
● Mikroventilasjonsriller (dybde: 0,015 mm) ble lagt til i området med tett netting;
● Prosessparametrene ble justert: smeltetemperaturen ble økt fra 260 °C til 275 °C, og strategien «lavhastighetsfylling – høytrykksholding» ble tatt i bruk.
Etter optimalisering ble korttidsdefekten eliminert, og andelen blitsdefekter falt fra 35 % til 2 %.
V. Konklusjon: Kjernelogikken bak forebygging og kontroll av korte skudd
Korttidsstøpeproblemet i sprøytestøping er i hovedsak en uoverensstemmelse mellom strømningssystemet, energioverføringen og materialegenskapene. Forebygging og kontroll av korttidsstøping krever etablering av et lukket system med "forebygging - diagnose - optimalisering":
● Potensielle risikoer forebygges i designfasen gjennom CAE-formstrømningsanalyse;
● Årsakene diagnostiseres nøyaktig basert på defektmanifestasjoner;
● En radikal løsning oppnås gjennom samarbeidende optimalisering av materialer, former, prosesser og utstyr.
Med den økende populariteten til presisjonssprøytestøping i dag, har forebygging og kontroll av korte sprøyter utviklet seg fra enkel parameterjustering til flerdimensjonal systemteknikk. Bare ved å mestre kjernemekanismen og kombinere den med praktisk erfaring kan vi effektivt forbedre produktutbyttet og redusere produksjonskostnadene.
