前言：

译者前言
《科学注塑实战指南》一书于2020年面世后，受到了许多注塑同行的关注，反响较好。但同时也有读者反馈，希望对科学注塑有更深入的了解。这说明科学注塑已越来越受到广大注塑从业者的认可。
传统注塑工艺开发过程与科学注塑工艺开发过程的关系，有点类似于传统中医和西医诊疗的关系。经验丰富的中医师通过望、闻、问、切看病下药，定性的程度比较大。而西医就不同了，先要病人去拍片子，做化验，依托先进的医疗仪器设备，采集数据，然后依此诊断病情，对症下药。因此，科学注射成型工艺的开发更像西医根据检查数据做科学诊断和治疗方案的过程。
通过对注塑过程中关键要素数据的采集和优化，我们可以有条不紊地建立一套具有稳健性、可重复性和可复制性（3R原则）的成型工艺。近年来，高速发展的工业数字化为注塑行业的发展提供了广阔的前景和良好的环境。为顺应这种行业的急速发展，我们精心为大家挑选并翻译了这本《科学注塑—稳健成型工艺开发的理论与实践》。本书从更深刻的理论角度和更具实操性的实验层面，为大家提供了实行科学注塑的有效途径和实用手段。
本书的原作者苏哈斯·库尔卡尼先生在建立稳健注塑工艺方面有着深厚的理论功底和丰富的实践经验。书中介绍的许多注塑基础知识和实验方法，以高屋建瓴的方式，展现了先进的系统方法驾驭传统注塑生产时所产生的魅力。例如书中首次将实验设计（DOE）的方法引入注射成型，利用数理统计的原理有效地规划注塑参数的优选实验，赋予了广大从业者更科学的工艺开发手段。希望这些方法能引导国内企业摈弃仅靠经验和直觉解决注塑问题的模式。
本书翻译和审核期间，受到众多行业同事的大力支持，他们有王晓东、冯文江、向双华、温英兰、高腾飞等，在此表示衷心感谢。此外，华中科技大学高煌博士的加入，也为本书的翻译质量提供了专业保证。
受译者水平所限，本书难免存在疏漏之处，在此恳请广大读者不吝指正。

王道远
2021.12.08 于上海





前言
有句名言：“世界上唯一不变的就是变化。”本书第一版问世至今已六年，一直受到广大读者的好评，在此衷心感谢大家的认可！过去的六年里，我初心不改，始终以稳健工艺开发为终极目标，继续深入地探索。随着所发表论文和教授内容的不断增加，我觉得是时候修订本书了。
第二版的各章节大部分都增添了新内容，对第一版中介绍过的部分概念也进行了扩充和重编，让读者读起来更容易理解。同时，对部分数据进行了补充，以加强说明效果。某些章节和文字进行了拆分重组，目的也是使内容理解起来更为流畅。
尽管工艺开发非常复杂，但是一旦厘清概念，实施起来却并没那么困难。因此，关键还是要先弄清基本概念。在我多年的咨询实践中，经常有公司要求我帮他们解决工艺方面的难题。我总是会先根据基本要素，问他们一些关于模具、机器和流程的简单问题。对此他们要么哑口无言，要么在回答问题时，自己就已找到了解决问题的方法。以往的工艺开发说不定是靠抓阄来做决策的，难怪解决问题常常束手无策。本书试图改变这种现状。通过书中介绍的技术，可以建立所谓的自动巡航控制过程：设置工艺、开始成型，避免在工艺完成验证前随意改变设置。
“实验设计”（DOE）在成型中具有非常重要的意义。许多公司虽然采用了这种技术，但效果并不理想。究其原因，并非他们缺乏实验设计的知识，而是缺乏对注射成型基本原理的理解，也有DOE因素和水平选择不当的原因。因此，第二版对相关内容进行了增补。
感谢汉斯出版社及其员工给我机会出版第二版。马克·史密斯和谢丽尔·汉密尔顿在图书的校对中给予了很多帮助，对由我造成的延误也十分包容。也要感谢在新版中帮助过我的其他几位人士。洛伦娜·卡斯特罗（Lorena Castro）将我零散的随笔整理成了流畅可读的文字，对此我十分感激。
第一版前言中，我没能提到那个对我职业生涯和人生有着重要影响的机构。它就是位于印度普纳的国家化学研究所（NCL）。我父亲是一位科学家，一辈子都在该研究所从事研究工作。父亲开展研究时，常常把我带到实验室里，研究所里面的研究员对我潜移默化的影响很大。也是从那时开始，我立志将来要从事研究工作。大学期间，我曾在那里的聚合物工程部做过项目，首次接触并参与了研究工作。也正是国家化学研究所的那段经历不断鞭策我坚持不懈地进行着研究工作。
施以援手并不断给我鼓励的人士还有：独创塑料（Distinctive Plastics）公司的提姆和法厄蕾塔（Tim & Violeta），他们为支持我的研究和论坛还创办了一家公司。还有我的大学教授巴萨格卡博士（Dr. Gasargekar），我的同行拉夫卡尔（Ravi Khare）、阿图康德卡（Atul Khandekar）、韦舒萨哈（Vishu Shah）、维卡姆巴噶伐（Vikarm Bhargava）、兰迪菲利普斯（Randy Phillips），以及我的家人。
父亲、母亲和孩子们，我会永远铭记多年来你们给我的支持和鼓励。

苏哈斯·库尔卡尼
2016年10月





第1版前言
大学毕业后面试第二份工作那会儿，有人告诉我，如果成功入职，我得去参加一期科学注塑与实验设计的研习班，这是个我完全陌生的领域。未来我的工作职责就是把这项新技术作为标准流程，在公司内部推广应用。我接受了这份工作，也出席了那个研习班。
全新技术在首批模具上的应用效果令人耳目一新，也彻底颠覆了我以前的工作模式。将聚合理论应用到注塑成型的科学工艺开发方法，彻底消除了猜测。科学的证据揭示了产品按要求稳健成型的底层逻辑。目睹着与日俱增的成功案例，我对推广新技术的热情空前高涨。在接下来的几年里，我与本地的SPE（塑料工程师协会）分会合作举办了多场演讲，与会者无一不想了解更多的技术，让生产效率得到提高。于是在2004年，我决定开始从事科学注塑成型的咨询工作。
科学注塑成型是我创造出来的一个专业术语，它包括将塑料粒子转化为最终产品并交付给客户的所有过程。在解决聚酯（PBT）和聚酰胺“过度干燥”问题的过程中，我意识到成型工艺不能仅仅局限于注塑机和模具型腔。随着咨询和教学事业的发展，我也注意到有很多同行都在寻找渠道，学习和了解聚合物以及塑料加工的基本知识，并应用到实际注塑生产中去。他们迫切想了解实行科学注塑成型的原理和方法。总有人在问“从哪里才能找到科学注塑的资料？”这本书给出了答案。
从科学角度理解成型过程有利于做出优化决策，设定好影响成型全过程的所有参数。该过程中塑料粒子源于仓库，通过注塑机，最终转化成注塑产品。科学知识与经验也是参数设定的基础，由此才能打造出高效的生产工艺。高产出、少废料、工艺稳健、质量检验频次和工艺变更次数减少、人工干预需求低，这些都是科学注塑成型的优势所在。
本书详细介绍了科学注塑成型的理论与实践。注塑成型中存在着不少“经验法则”，我的使命就是努力让这些法则成为历史，并用科学的解决方法取而代之。模具排气槽尺寸的科学化设计便是一个明证。
我希望自己的孜孜以求能不断给成型工艺带来更深刻的洞察，并在本书的未来版中与大家分享。本书的成功出版离不开诸多友人的相助。他们中有人为我指点迷津，也有人激励我不断求知，更多人给予了无条件的支持。我无法对所有人逐一表示感谢，但我明白如果没有他们的鼎力相助，这本书是无法完成的。首先应该感谢的是我父亲，是他引导我进入了奇妙的化学研究领域。化学研究激发了我的好奇心、创造力和分析解决问题的能力。其次要感谢我的老师和教授，他们不仅授我知识，还为人师表，乐于奉献，为我树立了正确的教育价值观。正是这些观念激发了我投身教育和传播知识。还要感谢我的家人和朋友们的支持和信任。正是从他们身上，我得到了不断突破藩篱，迈向未知将来的意志力和勇气。
这本书的发行出版，要感谢克里斯汀·斯特罗姆（Christine Strohm）先生和汉斯出版社管理团队做出的努力。其次，RJG公司的Mike Groleau先生和Beaumont Technologies公司的John Beaumont先生分别对型腔压力传感器部分和有关流变学的章节进行了审阅，感谢他们提出的宝贵意见。感谢Dave Hart先生进行的校对，使本书成为颇有趣味的技术读物。DOE章节收录了Symphony Technologies公司Ravi Khare先生的宝贵意见。如果没有Distinctive Plastics公司Tim先生和Violeta Curnutt先生的无条件帮助，我也无法对书中提出的许多理论和应用进行试验验证，尤其感激Distinctive Plastics在写作期间给了我宾至如归的感觉。时常有人夸我是一名高效教师，在聚合物科学和流变学方面概念清晰。而我则是从Basargekar教授身上学到了很多知识和教学技能，我衷心感谢他。在Vishu Shah先生安排下，我与SPE成功举办了几次研讨会。这些研讨会给了我编写这本书的动力和素材。除了共同举办研讨会，Vishu先生还成了我的专业导师和私人朋友，我满怀感激之情。我还要感谢John Bozzelli先生和Rod Groleau先生，正是他们在科学注塑领域所做的开拓性工作，提升了注塑行业对科学成型的认知度。
最后致我的母校，印度普纳的马哈拉施特拉邦理工学院和美国马萨诸塞大学洛威尔分校：我的成功离不开你们帮我打下的坚实基石。谢谢你们！

苏哈斯·库尔卡尼
FIMMTECH Inc.
加州 维斯塔
2010年1月 

目录：

1 科学注塑工艺概论.1
1.1　注射成型的演变和发展1
1.2 注射成型工艺2
1.3 注射成型的三种一致性2
1.4 科学注塑工艺5
1.5 注射成型的五个关键要素6
1.5.1 产品设计6
1.5.2 材料选择7
1.5.3 模具设计与加工7
1.5.4 注塑机8
1.5.5 成型工艺8
1.6 并行工程8
1.7 波动9

2 聚合物特性及其对注射成型的影响11
2.1 聚合物11
2.2 分子量及分子量分布12
2.3 聚合物形态（结晶型和无定形聚合物）14
2.4 形态学在注射成型中的作用18
2.4.1 无定形和结晶型材料收缩率的差异18
2.4.2 熔体可加工温度范围18
2.4.3 型腔填充速度19
2.4.4 模具温度20
2.4.5 料筒温度分段曲线20
2.4.6 螺杆转速21
2.4.7 喷嘴温度控制21
2.4.8 冷却时间21
2.4.9 力学性能21
2.4.10 透明度22
2.5 聚烯烃的形态学特性22
2.6 聚合物的热转换温度23
2.7 聚合物在注射成型中的收缩30
2.8 塑料压力-体积-温度（PVT）关系曲线32
2.8.1 注射成型过程中的密度33
2.8.2 原料的滞留时间和最长滞留时间34
2.8.3 塑料物性表35
2.9 参考文献37

3 聚合物流变学39
3.1 黏度39
3.2 牛顿流体材料与非牛顿流体材料41
3.3 聚合物熔体的黏度42
3.4 温度对黏度的影响44
3.5 熔体流速与剪切速率分布图45
3.6 黏度曲线在注射成型中的应用47
3.6.1 一模8腔模具的填充不平衡分析47
3.6.2 等壁厚产品填充的跑道效应49
3.6.3 注射成型产品中的残余应力49
3.6.4 不同型腔产品间的翘曲变形差异49
3.7 应用流道翻转技术解决填充不平衡50
3.8 喷泉流动51
3.9 喷泉流动对结晶度、分子取向和纤维取向的影响54
3.10 聚合物的黏度测试55
3.11 参考文献56

4 塑料的干燥57
4.1 熔料过程中水分带来的问题58
4.1.1 塑料降解59
4.1.2 表面缺陷59
4.2 吸湿性聚合物62
4.3 塑料的干燥63
4.3.1 干燥温度和时间63
4.3.2 相对湿度和露点65
4.3.3 干燥空气流量65
4.4 塑料干燥设备66
4.4.1 炉式干燥机66
4.4.2 热风干燥机66
4.4.3 除湿干燥机66
4.4.4 根据干燥机安放位置分类67
4.5 含水率的测定67
4.5.1 载玻片测试法（TVI测试）67
4.5.2 卡尔·费歇尔滴定法68
4.5.3 电子水分测定仪68
4.5.4 露点测量69
4.6 “过度干燥”或干燥过久69
4.7 注意事项75
4.8 避免过度干燥75
4.9 过度干燥控制器的设置75
4.10 参考文献77

5 常用塑料与添加剂79
5.1 聚合物分类79
5.2 重要的商用塑料80
5.2.1 聚烯烃81
5.2.2 由丙烯腈、丁二烯、苯乙烯和丙烯酸酯组成的聚合物81
5.2.3 聚酰胺（尼龙）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 添加剂86
5.3.1 填料86
5.3.2 增塑剂87
5.3.3 阻燃剂87
5.3.4 抗老化剂、紫外线稳定剂87
5.3.5 成核剂88
5.3.6 润滑剂88
5.3.7 加工助剂88
5.3.8 着色剂88
5.3.9 发泡剂89
5.3.10 其他聚合物89
5.4 结语89

6 注射成型与注塑机91
6.1 注射成型的变迁91
6.2 注塑机及其分类92
6.3 注塑机规格94
6.3.1 锁模力（吨位）94
6.3.2 注射量94
6.3.3 螺杆直径和长径比95
6.3.4 塑化能力95
6.3.5 最大注射压力95
6.4 注塑机螺杆95
6.5 螺杆设计98
6.6 止逆环总成99
6.7 增强比99
6.8 如何获取增强比101
6.9 注塑机选型102
6.9.1 模具尺寸102
6.9.2 注塑机锁模力计算104
6.10 锁模力计算的经验公式105
6.10.1 注射量使用比例和料筒可容注射次数107
6.10.2 塑料在料筒中的滞留时间108
6.10.3 确定注射量使用比例、料筒所含注射次数以及滞留时间的实用方法109
6.10.4 滞留时间分布110

7 科学注塑工艺及成型参数设定111
7.1 引言111
7.1.1 工艺的稳健性112
7.1.2 工艺的一致性112
7.2 注塑机的11+2个工艺参数115
7.3 工艺输出117
7.4 正确理解科学注塑及其工艺118
7.5 注射成型周期118
7.5.1 注射、补缩和保压119
7.5.2 速度和压力120
7.5.3 注射压力受限工艺121
7.5.4 分段成型工艺121
7.5.5 增强比122
7.5.6 螺杆转速123
7.5.7 背压124
7.5.8 成型周期125
7.6 参考文献126

8 工艺开发：6步法——探求外观工艺127
8.1 引言127
8.2 工艺开发方法简介127
8.3 塑料粒子的准备130
8.4 树脂的储存与干燥130
8.5 注塑机选型133
8.6 增加储料延时的重要性133
8.7 填充比例应按重量还是体积计算？134
8.8 熔体温度设定135
8.9 模具温度设定137
8.10 工艺优化——6步法测试138
8.10.1 步骤1：注射阶段的优化——黏度曲线测试138
8.10.2 用注塑机确定黏度曲线的流程141
8.10.3 如何使用黏度曲线143
8.10.4 提醒及例外144
8.10.5 注射速度分段145
8.10.6 发生短射粘模时的应对方法146
8.10.7 绘制黏度曲线时的熔体温度选择147
8.10.8 步骤2：型腔平衡确认——型腔填充平衡测试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 型腔不平衡度的计算154
8.11.3 可接受的型腔不平衡水平155
8.11.4 步骤3：确定压力降——压降测试156
8.12 压力降对补缩和保压阶段的影响162
8.12.1 步骤4：确定外观工艺窗口——工艺窗口测试162
8.12.2 无定形材料工艺窗口的确定流程165
8.13 型腔平衡与工艺窗口的关系167
8.14 不应盲从补缩和保压的经验法则168
8.14.1 步骤5：确定浇口封闭时间——浇口封闭测试168
8.14.2 确定保压时间的流程168
8.15 区分补缩和保压阶段170
8.16 开放式热流道和针阀式热流道模具173
8.16.1 步骤6：确定冷却时间——冷却时间测试174
8.16.2 螺杆转速优化176
8.16.3 为什么不能用经验法则177
8.17 背压的优化178
8.18 外观科学工艺178
8.18.1 脱模后收缩测试179
8.18.2 收缩量的测量181
8.19 模具功能验收推荐流程182
8.20 保持工艺一致性和稳健性所需的调整183
8.21 工艺文档184
8.22 参考文献184

9 工艺开发二：尺寸工艺的实验设计方法187
9.1 注塑工艺参数188
9.2 专业术语191
9.2.1 因素191
9.2.2 响应192
9.2.3 水平192
9.2.4 实验设计193
9.3 因数、水平数和实验次数之间的关系194
9.4 平衡矩阵195
9.5 交互作用196
9.6 迭代及更名198
9.7 随机化200
9.8 析因实验201
9.9 数据分析201
9.9.1 龙卷风图202
9.9.2 等值线图204
9.9.3 预测函数204
9.9.4 工艺敏感性图205
9.10 实验设计结果的运用206
9.10.1 工艺选择206
9.10.2 型腔尺寸调整207
9.10.3 工艺调整工具207
9.10.4 设置工艺调整范围208
9.10.5 减少产品检验208
9.11 尺寸工艺窗口208
9.12 实验设计的因素选择211
9.13 方差分析214
9.14 质量检验取样216
9.15 工艺窗口的实验设计取值217
9.16 应用实验设计优化补缩和保压压力217
9.17 生产中机器参数范围和合理报警设置222
9.18 结语223

10 模具验收、量产及注塑缺陷处理225
10.1 模具验收225
10.1.1 模具功能验收225
10.1.2 产品质量验收226
10.2 模具验收清单226
10.3 工艺文档227
10.3.1 工艺表格227
10.3.2 冷却通道图228
10.3.3 模具温度分布图228
10.3.4 开机指导书229
10.3.5 操作员手册229
10.4 记录手册.230
10.5 试生产验收231
10.6 模具故障排除231
10.7 注塑机开机和停机232
10.7.1 清料232
10.7.2 注塑机开机232
10.7.3 注塑机停机233
10.8 故障排除234
10.9 模具验收以及故障排除所需的设备和工具236
10.10 常见注塑缺陷的类型、原因及其预防措施237
10.10.1 料花238
10.10.2 注塑缺陷239

11 影响工艺稳定的重要因素——模具冷却、排气和再生料247
11.1 模具冷却247
11.1.1 冷却通道的数量247
11.1.2 冷却液流动的雷诺数248
11.1.3 冷却液类型249
11.1.4 冷却通道的连接方式249
11.2 排气250
11.2.1 排气槽尺寸251
11.2.2 主排气槽深度252
11.2.3 排气槽位置254
11.2.4 强制排气或真空排气256
11.3 再生料257
11.3.1 注塑工艺对注塑产品性能的影响257
11.3.2 再生料的利用258
11.3.3 再生料的分批和连续混入工艺259
11.3.4 不同迭代次数再生料量的估算260
11.3.5 再生料对工艺的影响261
11.3.6 结语261

12 相关技术和课题263
12.1 型腔压力传感技术263
12.1.1 传感器及输出曲线263
12.1.2 压力传感器的类型和分类265
12.1.3 压力曲线的解读和利用267
12.1.4 利用型腔压力传感器进行工艺控制269
12.1.5 传感器的安装位置271
12.2 构建经验数据库271
12.3 注射成型中的并行工程273
12.3.1 产品设计师275
12.3.2 模具工程师275
12.3.3 模具设计师和模具制造商276
12.3.4 材料供应商276
12.3.5 工艺工程师276
12.3.6 质量工程师277
12.3.7 注塑销售团队277
12.3.8 所有部门的守则278
12.3.9 实施并行工程278

13 质量理念281
13.1 基本概念281
13.2 直方图282
13.3 正态分布282
13.4 标准差284
13.5 规格极限和标准差285
13.6 能力指数286
13.7 过程能力287
13.8 统计质量控制和统计过程控制288
13.9 参考文献289

附录 A 材料物性表290

附录 B 注塑常用单位换算表293

附录 C 冷却水流量表294

附录 D 注塑产品设计清单295

附录 E 模具设计清单296

附录 F 模具验收清单298

附录 G 回收用料表299