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科學成型的思維：成型是科學不是藝術
導讀：射出成型簡單地說，是借由注塑機把塑料原料轉化為可流動的熔融，并注入到模穴中，冷卻固化后形成最終產品的過程。
前言：為何要介紹科學成型？
射出成型簡單地說，是借由注塑機把塑料原料轉化為可流動的熔融，并注入到模穴中，冷卻固化后形成最終產品的過程。塑料原料相較于金屬、木材、陶瓷等其他材料的取得成本較低，且便于大量生產復雜形狀的產品，讓人們不斷把塑料制品應用延伸到各類型的產品。但也因為塑料黏彈特性衍伸的復雜流動行為，讓注塑成型領域的使用者充滿許多似是而非的經驗，容易誤導解決問題的方向。
注塑成型是一種科學而不是藝術，成型條件設定也并不是憑感覺、經驗所建置的，應有一套系統化的知識，讓每個執行步驟都能有客觀依據，而非主觀認定，此系統化的知識即為科學成型。科學成型系統是以學習關鍵成型原理和理論為中心，涵蓋原料、零件與模具設計、設備規格與成型條件設置等對穩定成型的運行機制，此系統的戰略應用與管理就是所謂的系統性成型。透過系統性成型可以縮短構建穩定可重復的成型過程所需的時間，致使機器運行時間提升，產品生產時間、廢品率等下降。科學成型系統能化繁為簡，進而將復雜的事情簡單做，簡單的事情重復做(標準化)。
當成型者能掌握科學成型的系統，后續能以此系統建立成型確效的流程。成型確效是一個包含「建立計劃、獲取信息、記錄結果、解讀數據」的流程，此流程分為IQ、OQ與PQ三階段(稱為3Q*)，根據科學成型系統與成型確效流程，使用數據搜集系統，即可建立與落實高效、穩定的成型作業數據管理與確認，此為AI成型數據應用的基礎。
*注：3Q之IQ/OQ/PQ分別為Installation Qualification、Operation Qualification、Performance Qualification等英文之縮寫，各自意指安裝確認、操作確認，及性能確認。
注塑成型量產過程中，熔體黏度受到諸多可控與不可控因素干擾使其變化，導致成型質量發生變異，例如同廠商生產不同批次的同款塑料，黏度變異可能達到±10~20%的變化，因此熔體黏度穩定控制尤為關鍵，本文將針對科學成型系統的核心基礎 – 「分段成型條件的設定技術與熔體黏度穩定控制」之觀念進行探討。分段成型條件的設定技術系一種利用「塑料流變剪切致稀」的特性與特殊分離/斷開的手法，來規劃機器有效執行各階段作業(涵蓋充填、保壓、加料/冷卻等成型過程)成型條件的設置，其效益是降低條件設置間結果的相互影響以及熔體黏度波動的變化。圖1列舉科學成型的各關鍵階段，與射出成型條件間的交互關系及設定邏輯。
熔體溫度對黏度變異的影響
每支塑料在熔融過程中皆有料商建議的溫度加工范圍，考慮降低熔體溫度對黏度波動的影響，在此范圍選擇一個合理的設定值，才能同時完成充填、抵抗干擾并達成穩定成型的目的。如圖2所示，在成型過程中，若熔體溫度越高，MI值會越高、流動特性則越好；將熔體溫度設定較高時，量產時些微的溫度變異就會帶來劇烈的黏度變化，不利于長期穩定的成型。因此，如果把熔體溫度設定在料商建議的范圍且中間偏低的數值內，則可以獲得比較安定的黏度變異，但同時所帶來的缺陷則是熔體流動性變差。
圖2. 熔體溫度與流動特性的關系
提高充填速度利于穩定的量產
在考慮穩定且長期生產的前提下，雖然降低熔體溫度會導致塑料流動性變差，但仍可以透過調整「充填速度」來改善。
以圖3為例，該塑料在建議的加工溫度范圍200~230°C之間變動所獲得的黏度變化(η1)遠低于剪切率變化所帶來的黏度變化(η2)的效果。換句話說，若要獲得熔體高的流動特性與其變動溫度倒不如變動剪切率(意即充填速度)來的有效果。
圖3. 剪切率、溫度與黏度關系圖
如圖4，在量產過程中，提高熔體充填速度除可獲得較好的流動特性外，也會讓熔體流動波前在速度變化時依然維持穩定的黏度(*)，因此只要確保射出壓力充足下，提升充填速度設置，黏度就不會因此而產生劇烈的變異，同時也解決較低的熔體溫度設置導致的流動黏度高，導致不利于充填的問題。
*注：須注意流動波前若遇到高的阻力(如:排氣效率差)可能會破壞此現象。
圖4. 熔體充填速度與與流動特性的關系
結論：充填速度對黏度的影響，遠大于熔體溫度對黏度的影響；因此，提高充填速度可以彌補熔體溫度低導致塑料流動較差的問題，有利于長期穩定的生產。
降低傳遞壓損可減少不良品
在塑料充填階段結束后，因高射速的設置，獲得熔體的高流動性也會降低保壓階段的壓力傳遞落差，使保壓階段的熔體內壓均勻；反之，如果熔體黏度高，塑料不好流動且高的壓力傳遞落差，致使收縮量不均勻，容易引發產品翹曲、變形等問題。
結論：在科學成型的條件設定下，低熔體溫度+高充填速度+足夠充填壓力，可降低壓力傳遞的損失，讓產品在保壓階段下可獲得較佳的收縮均勻度。
提高模具溫度可提升產品的尺寸安定性
常理而言，低的模具溫度設定有助于縮短成型的周期時間，但產品頂出后的機械物性與尺寸安定性皆不盡理想，導致出廠前所檢測的質量可能是暫時的假象；反之，若模具溫度設定高，產品頂出后可避免再結晶與殘留的內應力，機械物性與尺寸安定性皆大幅提升。
模具與熔體溫度設定與周期時間的影響
在模具溫度與熔體溫度的交互關系中，傳統的成型者會習慣設定較低的模具溫度以及較高的熔體溫度，以控制產品的成型周期時間；然而根據科學成型的邏輯，高模具溫度配合低熔體溫度才能獲得正確的機械物性與尺寸安定性，雖然看似冷卻時間會增加，但以熱量移除所耗費時間的概念來說，在同樣的冷卻效率下，科學成型的成型溫度設定相較傳統的溫度設定所需移除熱量的時間要來得少，故整體的成型周期未必增加，甚至所有的條件設定皆是符合塑料的特性，長遠來看才能確實掌握熔體黏度變異的穩定性。
科學成型思維的重要
注塑成型屬于傳統制程的一環，在工業4.0的發展下，現今的注塑成型場域也已搭載許多聯網應用，往智能制造邁進。
例如擷取實時生產的注塑機臺信息，由試模作業程序設置穩定的成型條件，在分段成型條件的設定技術下，將使得成型過程數據與產品質量有高度聯動，試模作業程序能以OQ觀念鑒別質量允收的窗口，則可利用此窗口監控量產的成型質量，避免繼續生產不良產品。抑或是應用實時監控并達到自動修正成型條件的功能，把停機排除問題的成本降到最低。這些都是射出成型階段搭配大數據應用下所衍生的生產管理自動化。
而在進入這些AI智能成型的數據應用之前，根本的基礎仍是先根據科學成型系統建立并落實高效穩定的生產流程。
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