ข้อบกพร่องทั่วไปในการฉีดขึ้นรูปพลาสติกและวิธีการแก้ไข

เส้นไหลและการฉีดไม่เต็ม: สาเหตุและการปรับกระบวนการให้เหมาะสม

ทำความเข้าใจเกี่ยวกับเส้นไหลและปัจจัยจากวัสดุ แม่พิมพ์ และกระบวนการที่ทำให้เกิด

เส้นไหลเป็นรอย streaks หรือลวดลายที่มองเห็นได้บนชิ้นงานฉีดขึ้นรูป ซึ่งเกิดจากวัสดุไหลไม่สม่ำเสมอระหว่างกระบวนการ กระบวนการเจาะ สาเหตุหลัก ได้แก่:

• ความหนืดของวัสดุไม่สอดคล้องกัน โดยเฉพาะในพอลิเมอร์กึ่งผลึกที่เย็นตัวไม่สม่ำเสมอ
• การออกแบบแม่พิมพ์ที่ไม่เหมาะสม เช่น ทางเข้าแม่พิมพ์แคบหรือมุมแหลมที่ทำให้การไหลขัดข้อง
• ความแปรปรวนของกระบวนการ , รวมถึงความเร็วการฉีดที่เปลี่ยนแปลงหรืออุณหภูมิของพลาสติกหลอมที่ไม่คงที่

ผลการศึกษาจากสถาบันเทคโนโลยีพลาสติกปี 2023 พบว่า 62% ของข้อบกพร่องจากเส้นการไหล เกิดจากขนาดเกตที่เล็กเกินไปร่วมกับความไม่สม่ำเสมอของอุณหภูมิในช่วงที่พลาสติกอยู่ในสถานะหลอมเหลว

สาเหตุหลักของชอร์ตช็อต: ความดัน ระบบระบายอากาศ และแรงต้านการไหล

ชอร์ตช็อตเกิดขึ้นเมื่อพลาสติกหลอมไม่สามารถเติมเต็มโพรงแม่พิมพ์ได้ทั้งหมด ปัจจัยหลัก ได้แก่:

1. ความดันการฉีดไม่เพียงพอ ในการเอาชนะแรงต้านในส่วนที่มีผนังบาง
2. ระบบระบายอากาศไม่ดี , ซึ่งทำให้เกิดการสะสมของอากาศและสร้างแรงดันย้อนกลับ
3. วัสดุที่มีความหนืดสูง มีปัญหาในการจัดการกับรูปทรงเรขาคณิตที่ซับซ้อน

ช่องระบายอากาศที่ติดตั้งไม่ถูกต้องเป็นสาเหตุของเหตุการณ์ชิ้นงานไม่เต็ม (short shot) ถึง 34% ในแม่พิมพ์ความแม่นยำสูง (Polymer Engineering Reports, 2022)

การปรับพารามิเตอร์การฉีดเพื่อป้องกันข้อบกพร่องที่เกี่ยวข้องกับการไหล

การปรับปรุงพารามิเตอร์หลักสามารถลดข้อบกพร่องที่เกี่ยวข้องกับการไหลได้อย่างมาก:

*ช่วงที่ระบุอาจแตกต่างกันไปตามชนิดของวัสดุและรูปร่างของชิ้นส่วน
**อุณหภูมิการเปลี่ยนแปลงของแก้ว

การเพิ่มแรงดันคงที่ขึ้น 20% พร้อมช่วงพักการเย็นตัว 2 วินาที สามารถลดความรุนแรงของเส้นไหลได้ 45% ในชิ้นส่วนพอลิโพรพิลีน ตามข้อมูลการจำลองจาก เครื่องมือวิเคราะห์การไหลของแม่พิมพ์ . ควรตรวจสอบความถูกต้องของการเปลี่ยนแปลงเสมอผ่านการทดลองแบบ DOE (การออกแบบการทดลอง) อย่างเป็นระบบ

รอยบุ๋มและรอยโก่ง: การจัดการการเย็นตัวและความเครียดตกค้าง

การที่ส่วนหนาและแรงดันอัดแน่นส่งผลต่อการเกิดรอยบุ๋มอย่างไร

รอยบุ๋มที่รบกวนใจเหล่านี้จะปรากฏเป็นหลุมเล็กๆ บนพื้นผิว เมื่อชิ้นส่วนมีบริเวณที่หนาซึ่งเย็นตัวในอัตราที่ต่างกัน ส่วนภายในมักจะใช้เวลานานกว่าในการแข็งตัวเมื่อเทียบกับด้านนอก ทำให้เกิดการหดตัวเข้าด้านในขณะที่กำลังเย็นตัวลง จึงทิ้งร่องรอยเป็นหลุมว่างไว้เบื้องหลัง เมื่อความดันที่ป้อนเข้าไปในแม่พิมพ์ระหว่างการผลิตไม่เพียงพอ ปัญหาเหล่านี้ก็จะยิ่งแย่ลงไปอีก ผู้ผลิตส่วนใหญ่พบว่า การลดความลึกของรอยบุ๋มลงประมาณ 25% ถึง 40% โดยทั่วไปหมายถึงการเพิ่มความดันบรรจุขึ้นประมาณ 10% ถึง 15% พร้อมทั้งเพิ่มเวลาอีกสองสามวินาทีในขั้นตอนการคงความดัน แน่นอนว่าปริมาณที่แน่นอนขึ้นอยู่กับชนิดของวัสดุที่ใช้เป็นอย่างมาก เนื่องจากวัสดุบางชนิดไหลได้ดีกว่าวัสดุชนิดอื่น

อัตราการเย็นตัวไม่สมดุลและการหดตัวไม่สม่ำเสมอที่นำไปสู่การบิดงอ

ชิ้นส่วนมักจะบิดงอเมื่อมีการเย็นตัวที่ไม่สม่ำเสมอ ซึ่งทิ้งความเครียดภายในไว้ แม้อุณหภูมิที่แตกต่างกันเพียงเล็กน้อยในแต่ละพื้นที่ของแม่พิมพ์ ประมาณ 15 ถึง 20 องศาเซลเซียส ก็อาจทำให้เกิดความแตกต่างในการหดตัวระหว่าง 0.5 ถึง 1.2 เปอร์เซ็นต์ ซึ่งเป็นสาเหตุให้ชิ้นส่วนบิดหรือโค้งงอ พลาสติกบางชนิด เช่น โพลีโพรพิลีน และไนลอน 6/6 มักมีปัญหานี้มากเป็นพิเศษ เพราะพวกมันจะเกิดผลึกขึ้นในระหว่างกระบวนการเย็นตัว เพื่อลดปัญหานี้ ผู้ผลิตจำเป็นต้องควบคุมอุณหภูมิให้คงที่ภายในช่วงประมาณ ±3 องศาตลอดทั้งแม่พิมพ์ ซึ่งสามารถทำได้โดยการออกแบบช่องระบายความร้อนอย่างระมัดระวัง หรือใช้เทคนิคการระบายความร้อนแบบคอนฟอร์มอล (conformal cooling) สำหรับชิ้นส่วนที่ซับซ้อน เทคนิคเหล่านี้มักช่วยลดปัญหาการบิดงอลงได้ประมาณ 30 ถึง 50 เปอร์เซ็นต์ จึงคุ้มค่ากับความพยายามเพิ่มเติมเพื่อควบคุมคุณภาพ

การปรับเปลี่ยนด้านการออกแบบและกระบวนการเพื่อความมั่นคงของมิติ

• การแก้ไขดีไซน์ : แทนที่ส่วนที่หนาด้วยแผ่นเสริมแรงหรือกาวแทรกเพื่อลดความแตกต่างของมวล
• การปรับแต่งกระบวนการ : ตั้งอุณหภูมิแม่พิมพ์ให้สูงกว่าจุดเปลี่ยนผ่านแก้วของวัสดุ 10–15°C เพื่อชะลอการเย็นตัวในบริเวณที่ต้องการ
• การเลือกวัสดุ : ใช้สารเติมแต่งที่หดตัวต่ำ (เช่น เกรดที่เติมแร่ธาตุ) เพื่อลดการหดตัวไม่เท่ากัน

การปรับสมดุลขนาดและตำแหน่งเกตพร้อมการจำลองการไหลในแม่พิมพ์ ช่วยป้องกันการเติมแบบไม่สมมาตรซึ่งจะยิ่งเพิ่มความเครียด เซ็นเซอร์แรงดันแบบเรียลไทม์ในปัจจุบันสามารถปรับค่าได้ระหว่างขั้นตอนการอัดแน่น ทำให้ลดความเบี่ยงเบนของมิติได้ 18–22% ในชิ้นส่วนยานยนต์

เส้นเชื่อมและปรากฏการณ์เจ็ตติ้ง: ปัญหาหน้าคลื่นการไหลในชิ้นงานฉีดขึ้นรูป

การเกิดและการอ่อนแอของเส้นเชื่อมที่หน้าคลื่นการไหลมาบรรจบกัน

เส้นเชื่อมเกิดขึ้นเมื่อพอลิเมอร์หลอมเหลวแยกตัวออกเพื่อเลี่ยงสิ่งกีดขวาง เช่น ไส้แม่พิมพ์ แล้วกลับมาประสานกันโดยไม่หลอมรวมกันอย่างสมบูรณ์ ส่งผลให้ความแข็งแรงทางกลลดลงได้ถึง 70% เมื่อเทียบกับวัสดุโดยรอบ (IMS Tex) ต่างจากเส้นการไหลที่เป็นเพียงปัญหาด้านรูปลักษณ์ เส้นเชื่อมจะทำให้ความแข็งแรงของโครงสร้างลดลงในงานประยุกต์สำคัญ เช่น อุปกรณ์ทางการแพทย์ และขาแขวนยานยนต์

กลยุทธ์การวางตำแหน่งเกตและอุณหภูมิของเนื้อพลาสติกเพื่อให้เส้นประสานมีความแข็งแรงมากขึ้น

การจัดตำแหน่งเกตอย่างมีกลยุทธ์ช่วยลดการแยกทางของกระแสพลาสติกเหลว โดยการวางตำแหน่งเกตให้เหมาะสม เพื่อให้กระแสพลาสติกมาบรรจบกันก่อนที่จะเริ่มเย็นตัวอย่างมีนัยสำคัญ การเพิ่มอุณหภูมิของพลาสติกหลอมละลายขึ้น 15–25°F (8–14°C) จะช่วยยืดระยะเวลาในการหลอมรวมกันที่จุดบรรจบ เครื่องมือต่างๆ เช่น ที่ใช้ในงานศึกษา Material Fusion Study ปี 2024 สามารถจำลองแนวหน้าของการไหล เพื่อปรับแต่งการจัดวางเกตและโปรไฟล์อุณหภูมิให้เหมาะสมที่สุด

ข้อบกพร่องแบบเจ็ตติ้ง: ปัญหาจากการไหลด้วยความเร็วสูงและการออกแบบหัวฉีด

การพุ่งตัวของวัสดุ (Jetting) เกิดเป็นเส้นโค้งแบบคลื่นบนผิวชิ้นงาน เมื่อพลาสติกหลอมเหลวรush เข้าสู่โพรงแม่พิมพ์อย่างไม่สามารถควบคุมได้ แทนที่จะเกิดหน้าคลื่นที่เรียบเนียน การปัญหานี้มักเกิดขึ้นบ่อยกับทางเข้า (gates) ที่เล็กกว่า 0.04 นิ้ว หรือ 1 มิลลิเมตร โดยเฉพาะเมื่อความเร็วในการฉีดเกินประมาณ 4 ลูกบาศก์นิ้วต่อวินาที เพื่อแก้ไขปัญหานี้ ผู้ผลิตมักใช้หัวพ่นที่ออกแบบให้แคบลงตามแนว (tapered nozzles) หรือระบบฮอตแรนเนอร์ (hot runner systems) ซึ่งช่วยสร้างรูปแบบการไหลที่เรียบและเป็นชั้นๆ ที่เรียกว่า การไหลแบบชั้น (laminar flow) ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการผลิตชิ้นส่วนที่มีผิวมันวาวและใส อย่างที่ผู้บริโภคต้องการ เช่น เคสโทรศัพท์ และผลิตภัณฑ์เงางามอื่นๆ

ร่องรอยเยื่อ, โพรงว่าง และตำหนิบนผิว: ความสมบูรณ์ของแม่พิมพ์และการจัดการวัสดุ

การเกิดร่องรอยเยื่อจากแนวแยกแม่พิมพ์ไม่ตรงกันและแรงยึดตรึง

ฟลッシュเกิดขึ้นเมื่อพลาสติกที่ร้อนออกมาตามช่องว่างเล็กๆ ในแม่พิมพ์ โดยปกติเกิดจากเส้นแบ่งของแม่พิมพ์ไม่ตรงกันหรือแรงยึดตรึงไม่เพียงพอในการกดแน่นทุกอย่างเข้าด้วยกัน ตามการวิจัยบางชิ้นที่ทำเมื่อปีที่แล้ว พบว่าประมาณสองในสามของปัญหาฟลッシュทั้งหมดเกิดจากเครื่องมือที่เก่าและสึกหรอ และถ้าแรงยึดตรึงลดลงต่ำกว่าประมาณ 3 ถึง 5 ตันต่อตารางเซนติเมตร พลาสติกมักจะรั่วไหลออกมาได้ ผู้ผลิตพบว่าการปรับตำแหน่งแม่พิมพ์ใหม่โดยประมาณทุกๆ ห้าหมื่นครั้งของการผลิตจะช่วยแก้ปัญหาได้อย่างมาก การติดตั้งเซ็นเซอร์ความดันเพื่อตรวจสอบระดับความแน่นที่แท้จริง ช่วยให้โรงงานสามารถลดปัญหาฟลッシュได้เกือบเก้าสิบเปอร์เซ็นต์ในทางปฏิบัติ

โพรงอากาศภายใน ฟองอากาศ และคราบไหม้จากความชื้นหรือการให้ความร้อนเกินไป

สาเหตุหลักที่ทำให้เกิดช่องว่างและฟองอากาศในวัสดุของเรา มักเกิดจากความชื้นส่วนเกินที่เปลี่ยนเป็นไอเมื่อปริมาณน้ำเกินประมาณ 0.02% หรือเมื่อชิ้นส่วนร้อนเกินไประหว่างกระบวนการผลิตจนถึงจุดที่เสียหาย เราพบว่าการเปลี่ยนมาใช้การออกแบบสกรูแบบแรงเฉือนสูงสามารถลดปัญหาฟองอากาศเหล่านี้ลงได้ประมาณ 70-75% เพราะช่วยผสมวัสดุที่อยู่ในสถานะหลอมเหลวได้ดีขึ้น ส่วนรอยไหม้ที่มักปรากฏขึ้นบ่อยครั้งนั้น มักเกิดจากวัสดุค้างอยู่ในระบบโฮตเรนเนอร์เป็นเวลานานเกินไป เพื่อแก้ปัญหานี้ ผู้ผลิตจำเป็นต้องควบคุมระยะเวลาที่วัสดุคงอยู่ในตำแหน่งอย่างระมัดระวัง และต้องแน่ใจว่าอัตราการเย็นตัวไม่เกิน 25 องศาเซลเซียสต่อวินาทีสำหรับพลาสติกที่ไวต่อความร้อน การตั้งค่าพารามิเตอร์เหล่านี้ให้เหมาะสมจะมีความสำคัญอย่างยิ่งในการผลิตชิ้นส่วนคุณภาพสูงโดยปราศจากข้อบกพร่อง

ความบกพร่องบนพื้นผิว: รอยเปื้อนขาว (Splay), การเปลี่ยนสี, และการควบคุมการปนเปื้อน

สเปลย์ (แถบสีเงิน) เกิดจากเรซินปนเปื้อนหรือความร้อนเกินจากการตัดเฉือนที่ความเร็วการฉีดเกิน 120 มม./วินาที การลดอุณหภูมิหัวพ่นลง 8–12°C และติดตั้งตัวกรองไซโลขนาด 10 ไมครอน จะช่วยลดปัญหาสเปลย์ได้ถึง 68% สำหรับปัญหาสีผิดเพี้ยน การใช้สารทำความสะอาดแม่พิมพ์ชนิดโพลีคาร์บอเนตระหว่างการเปลี่ยนวัสดุ จะช่วยรักษาความสม่ำเสมอของสีภายในค่าความคลาดเคลื่อน ĨE<1.5

กลยุทธ์การป้องกันและเครื่องมือจำลองเพื่อการขึ้นรูปไร้ข้อบกพร่อง

การใช้ประโยชน์จากการวิเคราะห์การไหลในแม่พิมพ์เพื่อทำนายและหลีกเลี่ยงข้อบกพร่อง

ซอฟต์แวร์สำหรับการจำลองการไหลของแม่พิมพ์ เช่น Autodesk Mold Flow และ SolidWorks Plastics ช่วยให้วิศวกรสามารถเห็นสิ่งที่เกิดขึ้นภายในระหว่างกระบวนการขึ้นรูป ก่อนที่จะผลิตชิ้นงานจริงขึ้นมาเสียอีก ตามผลสำรวจล่าสุดจาก Modern Machine Tools ในปี 2023 ผู้ผลิตประมาณ 8 จาก 10 รายที่เริ่มใช้เครื่องมือทำนายเหล่านี้ พบว่าอัตราของของเสียลดลงประมาณหนึ่งในสาม เมื่อเทียบกับวิธีการเดิมแบบลองผิดลองถูก เครื่องมือเหล่านี้ยังมีความแม่นยำในการตรวจจับปัญหาต่าง ๆ เช่น การเกิดแนวเชื่อม (weld lines), ประตูทางเข้า (gates) ที่ไม่เปิดอย่างเหมาะสม และช่องอากาศที่ก่อให้เกิดข้อบกพร่อง ซึ่งสามารถตรวจจับได้จากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิเพียงเล็กน้อยถึง 5 องศาเซลเซียส (หรือประมาณ 180 ฟาเรนไฮต์) ยกตัวอย่างเช่น ชิ้นส่วนเปลือกอิเล็กทรอนิกส์ที่มีผนังบาง ด้วยการจำลองที่เหมาะสม ผู้ผลิตสามารถระบุตำแหน่งที่ควรติดตั้งช่องระบายอากาศได้อย่างแม่นยำ เพื่อไม่ให้ก๊าซถูกกักไว้ระหว่างการผลิต ซึ่งช่วยประหยัดต้นทุนและลดของเสีย

แนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุดในการออกแบบ: ผนังที่สม่ำเสมอ, ประตูทางเข้าที่เหมาะสม, และการติดตั้งช่องระบายอากาศ

การรักษาระดับความหนาของผนังอย่างสม่ำเสมอ (ความหนา 1–3 มม. เหมาะสมที่สุดสำหรับ ABS และ PP) จะช่วยป้องกันการบิดงอจากหดตัวไม่เท่ากัน การใช้ช่องเติมแบบเรเดียลจะช่วยลดแรงเฉือนลง 40% เมื่อเทียบกับช่องเติมแบบขอบในไนลอนที่ผสมใยแก้ว ตามการศึกษาการไหลของพอลิเมอร์ในปี 2022 หลักการออกแบบเพื่อความสะดวกในการผลิตแนะนำว่า:

• มุมรีลีส ≥1° ต่อด้าน เพื่อให้สามารถดันชิ้นงานออกได้อย่างราบรื่น
• ความลึกของช่องระบายอากาศ 0.015–0.03 มม. เพื่อให้อากาศสามารถระบายออกได้โดยไม่เกิดครีบ
• อัตราส่วนความหนาของตัวแข็งแรงต่อผนังด้านข้างต่ำกว่า 60% เพื่อหลีกเลี่ยงการยุบตัว

การตรวจสอบกระบวนการและการบำรุงรักษาเพื่อรักษามาตรฐานคุณภาพอย่างต่อเนื่อง

การรวมกันของเซ็นเซอร์วัดแรงดันแบบเรียลไทม์พร้อมกับตัวควบคุมสมาร์ท IoT เหล่านี้ ช่วยให้สามารถรักษาระดับความเร็วในการฉีดได้ใกล้เคียงกับค่าเป้าหมายอย่างมาก โดยทั่วไปจะเบี่ยงเบนไม่เกินประมาณร้อยละ 2 ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งเมื่อต้องหลีกเลี่ยงปัญหาการฉีดไม่เต็ม (short shots) ในแม่พิมพ์ที่มีหลายช่อง การตรวจสอบตามกำหนดการสำหรับการบำรุงรักษาปกติ เช่น การตรวจสอบรายเดือนโดยใช้เครื่องวัดพื้นผิว (profilometers) สามารถตรวจจับได้เมื่อผิวแม่พิมพ์เริ่มสึกหรอเกินระดับ 5 ไมโครเมตร ซึ่งโดยทั่วไปคือช่วงเวลาที่เริ่มพบปัญหาคราบย้อย (flash) นอกจากนี้ ข้อมูลจากงานศึกษา MMT ปี 2023 ที่ผ่านมาแสดงผลลัพธ์ที่น่าสนใจเช่นกัน โดยพบว่าเกือบ 8 จาก 10 กรณีของการหยุดการผลิตที่ไม่คาดคิดเกิดจากการสึกหรอของแหวนตรวจสอบสกรู (screw check rings) สิ่งนี้เน้นย้ำอย่างชัดเจนถึงเหตุผลที่ควรเปลี่ยนชิ้นส่วนที่เสี่ยงต่อความเสียหายนี้ทุกสามเดือน เพื่อให้กระบวนการผลิตดำเนินไปอย่างราบรื่น

ก้านเพื่อสร้างรูปแบบการไหลที่เรียบและเป็นชั้น ซึ่งเรียกว่า การไหลแบบชั้น (laminar flow)