科學注塑：穩健成型工藝開發的理論與實踐(原著第2版)（簡體書）

本書在對科學注塑的基礎知識，如聚合物性能、聚合物流變學、塑料乾燥、常見塑料和添加劑等進行介紹的基礎上，重點對科學注塑成型、科學注塑的步驟和方法、科學注塑實驗設計、尺寸和工藝窗口控制、模具驗收流程、故障排除、影響工藝穩定的重要因素等進行了詳細的論述，既包括基礎理論，又有關於成型的實踐經驗。本書原著作者創造了“科學注塑”這一專業術語，它包括了將塑料粒子轉化為終產品並交付給客戶的所有過程。希望該書能夠對從事注塑成型工藝開發的各類相關人員提供參考。

從科學角度理解成型過程有利於做出優化決策，設定好影響成型全過程的所有參數。該過程中塑料粒子源於倉庫，通過注塑機，轉化成注塑產品。科學知識與經驗也是參數設定的基礎，由此才能打造出高效的生產工藝。高產出、少廢料、工藝穩健、質量檢驗頻次和工藝變更次數減少、人工干預需求低，這些都是科學注塑成型的優勢所在。

譯者前言

《科學注塑實戰指南》一書於2020年面世後，受到了許多注塑同行的關注，反響較好。但同時也有讀者反饋，希望對科學注塑有更深入的了解。這說明科學注塑已越來越受到廣大注塑從業者的認可。

傳統注塑工藝開發過程與科學注塑工藝開發過程的關係，有點類似於傳統中醫和西醫診療的關係。經驗豐富的中醫師通過望、聞、問、切看病下藥，定性的程度比較大。而西醫就不同了，先要病人去拍片子，做化驗，依托先進的醫療儀器設備，采集數據，然後依此診斷病情，對症下藥。因此，科學注射成型工藝的開發更像西醫根據檢查數據做科學診斷和治療方案的過程。

通過對注塑過程中關鍵要素數據的采集和優化，我們可以有條不紊地建立一套具有穩健性、可重復性和可復制性（3R原則）的成型工藝。近年來，高速發展的工業數字化為注塑行業的發展提供了廣闊的前景和良好的環境。為順應這種行業的急速發展，我們精心為大家挑選並翻譯了這本《科學注塑—穩健成型工藝開發的理論與實踐》。本書從更深刻的理論角度和更具實操性的實驗層面，為大家提供了實行科學注塑的有效途徑和實用手段。

本書的原作者蘇哈斯·庫爾卡尼先生在建立穩健注塑工藝方面有著深厚的理論功底和豐富的實踐經驗。書中介紹的許多注塑基礎知識和實驗方法，以高屋建瓴的方式，展現了先進的系統方法駕馭傳統注塑生產時所產生的魅力。例如書中首次將實驗設計（DOE）的方法引入注射成型，利用數理統計的原理有效地規劃注塑參數的優選實驗，賦予了廣大從業者更科學的工藝開發手段。希望這些方法能引導國內企業擯棄僅靠經驗和直覺解決注塑問題的模式。

本書翻譯和審核期間，受到眾多行業同事的大力支持，他們有王曉東、馮文江、向雙華、溫英蘭、高騰飛等，在此表示衷心感謝。此外，華中科技大學高煌博士的加入，也為本書的翻譯質量提供了專業保證。

受譯者水平所限，本書難免存在疏漏之處，在此懇請廣大讀者不吝指正。



王道遠

2021.12.08 於上海











前言

有句名言：“世界上不變的就是變化。”本書版問世至今已六年，一直受到廣大讀者的好評，在此衷心感謝大家的認可！過去的六年裡，我初心不改，始終以穩健工藝開發為終極目標，繼續深入地探索。隨著所發表論文和教授內容的不斷增加，我覺得是時候修訂本書了。

第二版的各章節大部分都增添了新內容，對版中介紹過的部分概念也進行了擴充和重編，讓讀者讀起來更容易理解。同時，對部分數據進行了補充，以加強說明效果。某些章節和文字進行了拆分重組，目的也是使內容理解起來更為流暢。

盡管工藝開發非常複雜，但是一旦厘清概念，實施起來卻並沒那麼困難。因此，關鍵還是要先弄清基本概念。在我多年的咨詢實踐中，經常有公司要求我幫他們解決工藝方面的難題。我總是會先根據基本要素，問他們一些關於模具、機器和流程的簡單問題。對此他們要麼啞口無言，要麼在回答問題時，自己就已找到了解決問題的方法。以往的工藝開發說不定是靠抓鬮來做決策的，難怪解決問題常常束手無策。本書試圖改變這種現狀。通過書中介紹的技術，可以建立所謂的自動巡航控制過程：設置工藝、開始成型，避免在工藝完成驗證前隨意改變設置。

“實驗設計”（DOE）在成型中具有非常重要的意義。許多公司雖然採用了這種技術，但效果並不理想。究其原因，並非他們缺乏實驗設計的知識，而是缺乏對注射成型基本原理的理解，也有DOE因素和水平選擇不當的原因。因此，第二版對相關內容進行了增補。

感謝漢斯出版社及其員工給我機會出版第二版。馬克·史密斯和謝麗爾·漢密爾頓在圖書的校對中給予了很多幫助，對由我造成的延誤也十分包容。也要感謝在新版中幫助過我的其他幾位人士。洛倫娜·卡斯特羅（Lorena Castro）將我零散的隨筆整理成了流暢可讀的文字，對此我十分感激。

版前言中，我沒能提到那個對我職業生涯和人生有著重要影響的機構。它就是位於印度普納的國家化學研究所（NCL）。我父親是一位科學家，一輩子都在該研究所從事研究工作。父親開展研究時，常常把我帶到實驗室裡，研究所裡面的研究員對我潛移默化的影響很大。也是從那時開始，我立志將來要從事研究工作。大學期間，我曾在那裡的聚合物工程部做過項目，首次接觸並參與了研究工作。也正是國家化學研究所的那段經歷不斷鞭策我堅持不懈地進行著研究工作。

施以援手並不斷給我鼓勵的人士還有：獨創塑料（Distinctive Plastics）公司的提姆和法厄蕾塔（Tim & Violeta），他們為支持我的研究和論壇還創辦了一家公司。還有我的大學教授巴薩格卡博士（Dr. Gasargekar），我的同行拉夫卡爾（Ravi Khare）、阿圖康德卡（Atul Khandekar）、韋舒薩哈（Vishu Shah）、維卡姆巴噶伐（Vikarm Bhargava）、蘭迪菲利普斯（Randy Phillips），以及我的家人。

父親、母親和孩子們，我會永遠銘記多年來你們給我的支持和鼓勵。



蘇哈斯·庫爾卡尼

2016年10月











第1版前言

大學畢業後面試第二份工作那會兒，有人告訴我，如果成功入職，我得去參加一期科學注塑與實驗設計的研習班，這是個我完全陌生的領域。未來我的工作職責就是把這項新技術作為標準流程，在公司內部推廣應用。我接受了這份工作，也出席了那個研習班。

全新技術在首批模具上的應用效果令人耳目一新，也徹底顛覆了我以前的工作模式。將聚合理論應用到注塑成型的科學工藝開發方法，徹底消除了猜測。科學的證據揭示了產品按要求穩健成型的底層邏輯。目睹著與日俱增的成功案例，我對推廣新技術的熱情空前高漲。在接下來的幾年裡，我與本地的SPE（塑料工程師協會）分會合作舉辦了多場演講，與會者無一不想了解更多的技術，讓生產效率得到提高。於是在2004年，我決定開始從事科學注塑成型的咨詢工作。

科學注塑成型是我創造出來的一個專業術語，它包括將塑料粒子轉化為終產品並交付給客戶的所有過程。在解決聚酯（PBT）和聚酰胺“過度乾燥”問題的過程中，我意識到成型工藝不能僅僅局限於注塑機和模具型腔。隨著咨詢和教學事業的發展，我也注意到有很多同行都在尋找渠道，學習和了解聚合物以及塑料加工的基本知識，並應用到實際注塑生產中去。他們迫切想了解實行科學注塑成型的原理和方法。總有人在問“從哪裡才能找到科學注塑的資料？”這本書給出了答案。

從科學角度理解成型過程有利於做出優化決策，設定好影響成型全過程的所有參數。該過程中塑料粒子源於倉庫，通過注塑機，終轉化成注塑產品。科學知識與經驗也是參數設定的基礎，由此才能打造出高效的生產工藝。高產出、少廢料、工藝穩健、質量檢驗頻次和工藝變更次數減少、人工干預需求低，這些都是科學注塑成型的優勢所在。

本書詳細介紹了科學注塑成型的理論與實踐。注塑成型中存在著不少“經驗法則”，我的使命就是努力讓這些法則成為歷史，並用科學的解決方法取而代之。模具排氣槽尺寸的科學化設計便是一個明證。

我希望自己的孜孜以求能不斷給成型工藝帶來更深刻的洞察，並在本書的未來版中與大家分享。本書的成功出版離不開諸多友人的相助。他們中有人為我指點迷津，也有人激勵我不斷求知，更多人給予了無條件的支持。我無法對所有人逐一表示感謝，但我明白如果沒有他們的鼎力相助，這本書是無法完成的。首先應該感謝的是我父親，是他引導我進入了奇妙的化學研究領域。化學研究激發了我的好奇心、創造力和分析解決問題的能力。其次要感謝我的老師和教授，他們不僅授我知識，還為人師表，樂於奉獻，為我樹立了正確的教育價值觀。正是這些觀念激發了我投身教育和傳播知識。還要感謝我的家人和朋友們的支持和信任。正是從他們身上，我得到了不斷突破藩籬，邁向未知將來的意志力和勇氣。

這本書的發行出版，要感謝克裡斯汀·斯特羅姆（Christine Strohm）先生和漢斯出版社管理團隊做出的努力。其次，RJG公司的Mike Groleau先生和Beaumont Technologies公司的John Beaumont先生分別對型腔壓力傳感器部分和有關流變學的章節進行了審閱，感謝他們提出的寶貴意見。感謝Dave Hart先生進行的校對，使本書成為頗有趣味的技術讀物。DOE章節收錄了Symphony Technologies公司Ravi Khare先生的寶貴意見。如果沒有Distinctive Plastics公司Tim先生和Violeta Curnutt先生的無條件幫助，我也無法對書中提出的許多理論和應用進行試驗驗證，尤其感激Distinctive Plastics在寫作期間給了我賓至如歸的感覺。時常有人夸我是一名高效教師，在聚合物科學和流變學方面概念清晰。而我則是從Basargekar教授身上學到了很多知識和教學技能，我衷心感謝他。在Vishu Shah先生安排下，我與SPE成功舉辦了幾次研討會。這些研討會給了我編寫這本書的動力和素材。除了共同舉辦研討會，Vishu先生還成了我的專業導師和私人朋友，我滿懷感激之情。我還要感謝John Bozzelli先生和Rod Groleau先生，正是他們在科學注塑領域所做的開拓性工作，提升了注塑行業對科學成型的認知度。

後致我的母校，印度普納的馬哈拉施特拉邦理工學院和美國馬薩諸塞大學洛威爾分校：我的成功離不開你們幫我打下的堅實基石。謝謝你們！



蘇哈斯·庫爾卡尼

FIMMTECH Inc.

加州 維斯塔

2010年1月

1 科學注塑工藝概論.1

1.1　注射成型的演變和發展1

1.2 注射成型工藝2

1.3 注射成型的三種一致性2

1.4 科學注塑工藝5

1.5 注射成型的五個關鍵要素6

1.5.1 產品設計6

1.5.2 材料選擇7

1.5.3 模具設計與加工7

1.5.4 注塑機8

1.5.5 成型工藝8

1.6 並行工程8

1.7 波動9



2 聚合物特性及其對注射成型的影響11

2.1 聚合物11

2.2 分子量及分子量分布12

2.3 聚合物形態（結晶型和無定形聚合物）14

2.4 形態學在注射成型中的作用18

2.4.1 無定形和結晶型材料收縮率的差異18

2.4.2 熔體可加工溫度範圍18

2.4.3 型腔填充速度19

2.4.4 模具溫度20

2.4.5 料筒溫度分段曲線20

2.4.6 螺桿轉速21

2.4.7 噴嘴溫度控制21

2.4.8 冷卻時間21

2.4.9 力學性能21

2.4.10 透明度22

2.5 聚烯烴的形態學特性22

2.6 聚合物的熱轉換溫度23

2.7 聚合物在注射成型中的收縮30

2.8 塑料壓力-體積-溫度（PVT）關係曲線32

2.8.1 注射成型過程中的密度33

2.8.2 原料的滯留時間和長滯留時間34

2.8.3 塑料物性表35

2.9 參考文獻37



3 聚合物流變學39

3.1 黏度39

3.2 牛頓流體材料與非牛頓流體材料41

3.3 聚合物熔體的黏度42

3.4 溫度對黏度的影響44

3.5 熔體流速與剪切速率分布圖45

3.6 黏度曲線在注射成型中的應用47

3.6.1 一模8腔模具的填充不平衡分析47

3.6.2 等壁厚產品填充的跑道效應49

3.6.3 注射成型產品中的殘余應力49

3.6.4 不同型腔產品間的翹曲變形差異49

3.7 應用流道翻轉技術解決填充不平衡50

3.8 噴泉流動51

3.9 噴泉流動對結晶度、分子取向和纖維取向的影響54

3.10 聚合物的黏度測試55

3.11 參考文獻56



4 塑料的乾燥57

4.1 熔料過程中水分帶來的問題58

4.1.1 塑料降解59

4.1.2 表面缺陷59

4.2 吸濕性聚合物62

4.3 塑料的乾燥63

4.3.1 乾燥溫度和時間63

4.3.2 相對濕度和露點65

4.3.3 乾燥空氣流量65

4.4 塑料乾燥設備66

4.4.1 爐式乾燥機66

4.4.2 熱風乾燥機66

4.4.3 除濕乾燥機66

4.4.4 根據乾燥機安放位置分類67

4.5 含水率的測定67

4.5.1 載玻片測試法（TVI測試）67

4.5.2 卡爾·費歇爾滴定法68

4.5.3 電子水分測定儀68

4.5.4 露點測量69

4.6 “過度乾燥”或乾燥過久69

4.7 注意事項75

4.8 避免過度乾燥75

4.9 過度乾燥控制器的設置75

4.10 參考文獻77



5 常用塑料與添加劑79

5.1 聚合物分類79

5.2 重要的商用塑料80

5.2.1 聚烯烴81

5.2.2 由丙烯腈、丁二烯、苯乙烯和丙烯酸酯組成的聚合物81

5.2.3 聚酰胺（尼龍）82

5.2.4 聚苯乙烯83

5.2.5 丙烯酸84

5.2.6 聚碳酸酯84

5.2.7 聚酯84

5.2.8 聚氯乙烯84

5.2.9 聚甲醛85

5.2.10 含氟聚合物85

5.3 添加劑86

5.3.1 填料86

5.3.2 增塑劑87

5.3.3 阻燃劑87

5.3.4 抗老化劑、紫外線穩定劑87

5.3.5 成核劑88

5.3.6 潤滑劑88

5.3.7 加工助劑88

5.3.8 著色劑88

5.3.9 發泡劑89

5.3.10 其他聚合物89

5.4 結語89



6 注射成型與注塑機91

6.1 注射成型的變遷91

6.2 注塑機及其分類92

6.3 注塑機規格94

6.3.1 鎖模力（噸位）94

6.3.2 注射量94

6.3.3 螺桿直徑和長徑比95

6.3.4 塑化能力95

6.3.5 注射壓力95

6.4 注塑機螺桿95

6.5 螺桿設計98

6.6 止逆環總成99

6.7 增強比99

6.8 如何獲取增強比101

6.9 注塑機選型102

6.9.1 模具尺寸102

6.9.2 注塑機鎖模力計算104

6.10 鎖模力計算的經驗公式105

6.10.1 注射量使用比例和料筒可容注射次數107

6.10.2 塑料在料筒中的滯留時間108

6.10.3 確定注射量使用比例、料筒所含注射次數以及滯留時間的實用方法109

6.10.4 滯留時間分布110



7 科學注塑工藝及成型參數設定111

7.1 引言111

7.1.1 工藝的穩健性112

7.1.2 工藝的一致性112

7.2 注塑機的11 2個工藝參數115

7.3 工藝輸出117

7.4 正確理解科學注塑及其工藝118

7.5 注射成型周期118

7.5.1 注射、補縮和保壓119

7.5.2 速度和壓力120

7.5.3 注射壓力受限工藝121

7.5.4 分段成型工藝121

7.5.5 增強比122

7.5.6 螺桿轉速123

7.5.7 背壓124

7.5.8 成型周期125

7.6 參考文獻126



8 工藝開發：6步法——探求外觀工藝127

8.1 引言127

8.2 工藝開發方法簡介127

8.3 塑料粒子的準備130

8.4 樹脂的儲存與乾燥130

8.5 注塑機選型133

8.6 增加儲料延時的重要性133

8.7 填充比例應按重量還是體積計算？134

8.8 熔體溫度設定135

8.9 模具溫度設定137

8.10 工藝優化——6步法測試138

8.10.1 步驟1：注射階段的優化——黏度曲線測試138

8.10.2 用注塑機確定黏度曲線的流程141

8.10.3 如何使用黏度曲線143

8.10.4 提醒及例外144

8.10.5 注射速度分段145

8.10.6 發生短射粘模時的應對方法146

8.10.7 繪製黏度曲線時的熔體溫度選擇147

8.10.8 步驟2：型腔平衡確認——型腔填充平衡測試147

8.11 型腔不平衡的原因150

8.11.1 型腔不平衡的原因153

8.11.2 型腔不平衡度的計算154

8.11.3 可接受的型腔不平衡水平155

8.11.4 步驟3：確定壓力降——壓降測試156

8.12 壓力降對補縮和保壓階段的影響162

8.12.1 步驟4：確定外觀工藝窗口——工藝窗口測試162

8.12.2 無定形材料工藝窗口的確定流程165

8.13 型腔平衡與工藝窗口的關係167

8.14 不應盲從補縮和保壓的經驗法則168

8.14.1 步驟5：確定澆口封閉時間——澆口封閉測試168

8.14.2 確定保壓時間的流程168

8.15 區分補縮和保壓階段170

8.16 開放式熱流道和針閥式熱流道模具173

8.16.1 步驟6：確定冷卻時間——冷卻時間測試174

8.16.2 螺桿轉速優化176

8.16.3 為什麼不能用經驗法則177

8.17 背壓的優化178

8.18 外觀科學工藝178

8.18.1 脫模後收縮測試179

8.18.2 收縮量的測量181

8.19 模具功能驗收推薦流程182

8.20 保持工藝一致性和穩健性所需的調整183

8.21 工藝文檔184

8.22 參考文獻184



9 工藝開發二：尺寸工藝的實驗設計方法187

9.1 注塑工藝參數188

9.2 專業術語191

9.2.1 因素191

9.2.2 響應192

9.2.3 水平192

9.2.4 實驗設計193

9.3 因數、水平數和實驗次數之間的關係194

9.4 平衡矩陣195

9.5 交互作用196

9.6 迭代及更名198

9.7 隨機化200

9.8 析因實驗201

9.9 數據分析201

9.9.1 龍卷風圖202

9.9.2 等值線圖204

9.9.3 預測函數204

9.9.4 工藝敏感性圖205

9.10 實驗設計結果的運用206

9.10.1 工藝選擇206

9.10.2 型腔尺寸調整207

9.10.3 工藝調整工具207

9.10.4 設置工藝調整範圍208

9.10.5 減少產品檢驗208

9.11 尺寸工藝窗口208

9.12 實驗設計的因素選擇211

9.13 方差分析214

9.14 質量檢驗取樣216

9.15 工藝窗口的實驗設計取值217

9.16 應用實驗設計優化補縮和保壓壓力217

9.17 生產中機器參數範圍和合理報警設置222

9.18 結語223



10 模具驗收、量產及注塑缺陷處理225

10.1 模具驗收225

10.1.1 模具功能驗收225

10.1.2 產質量量驗收226

10.2 模具驗收清單226

10.3 工藝文檔227

10.3.1 工藝表格227

10.3.2 冷卻通道圖228

10.3.3 模具溫度分布圖228

10.3.4 開機指導書229

10.3.5 操作員手冊229

10.4 記錄手冊.230

10.5 試生產驗收231

10.6 模具故障排除231

10.7 注塑機開機和停機232

10.7.1 清料232

10.7.2 注塑機開機232

10.7.3 注塑機停機233

10.8 故障排除234

10.9 模具驗收以及故障排除所需的設備和工具236

10.10 常見注塑缺陷的類型、原因及其預防措施237

10.10.1 料花238

10.10.2 注塑缺陷239



11 影響工藝穩定的重要因素——模具冷卻、排氣和再生料247

11.1 模具冷卻247

11.1.1 冷卻通道的數量247

11.1.2 冷卻液流動的雷諾數248

11.1.3 冷卻液類型249

11.1.4 冷卻通道的連接方式249

11.2 排氣250

11.2.1 排氣槽尺寸251

11.2.2 主排氣槽深度252

11.2.3 排氣槽位置254

11.2.4 強制排氣或真空排氣256

11.3 再生料257

11.3.1 注塑工藝對注塑產品性能的影響257

11.3.2 再生料的利用258

11.3.3 再生料的分批和連續混入工藝259

11.3.4 不同迭代次數再生料量的估算260

11.3.5 再生料對工藝的影響261

11.3.6 結語261



12 相關技術和課題263

12.1 型腔壓力傳感技術263

12.1.1 傳感器及輸出曲線263

12.1.2 壓力傳感器的類型和分類265

12.1.3 壓力曲線的解讀和利用267

12.1.4 利用型腔壓力傳感器進行工藝控制269

12.1.5 傳感器的安裝位置271

12.2 構建經驗數據庫271

12.3 注射成型中的並行工程273

12.3.1 產品設計師275

12.3.2 模具工程師275

12.3.3 模具設計師和模具製造商276

12.3.4 材料供應商276

12.3.5 工藝工程師276

12.3.6 質量工程師277

12.3.7 注塑銷售團隊277

12.3.8 所有部門的守則278

12.3.9 實施並行工程278



13 質量理念281

13.1 基本概念281

13.2 直方圖282

13.3 正態分布282

13.4 標準差284

13.5 規格極限和標準差285

13.6 能力指數286

13.7 過程能力287

13.8 統計質量控制和統計過程控制288

13.9 參考文獻289



附錄 A 材料物性表290



附錄 B 注塑常用單位換算表293



附錄 C 冷卻水流量表294



附錄 D 注塑產品設計清單295



附錄 E 模具設計清單296



附錄 F 模具驗收清單298



附錄 G 回收用料表299