摘要
注塑成型工藝中的術語“停留時間”在注塑行業中有時並未像在其他化學行業中一樣得到足夠的重視，對於在大型轉爐或長管道中進行特定材料/化學品的加工，旨在得到要求規格成品的工藝流程而言，正是在這個關鍵時段所代表的主要參數和因素，使上述特定材料/化學品的主要參數和性能因素髮生改變。儘管也有例外，但停留時間這個因素確實會對整個注塑工藝/行業產生影響，從新產品導入（NPI）階段到工具研發，再到量產，甚至是機器選擇的初始階段或工藝改進階段，莫不如此。
前言
在製造業，產品的可靠性取決於產品本身的質量。有許多因素會對產品質量產生影響，如製造產品時使用的原材料、使用的機器/設備、適當的方法/技術/工藝等等。然而，質量的始終如一來自於受控的工藝流程，其中包括各種影響因素，如人員、方法、待加工材料以及流程自身的各個細微之處等等。在上述因素中，“停留時間”就是影響產品質量的參數之一，從概念層面到日常大量生產/製造階段莫不如此。
問題與停留時間有關嗎？
通常，注塑工藝上出現的問題僅僅會被歸結於如加工溫度、乾燥條件等其他因素，注塑速度、注塑壓力和時間、材料熔融指數（MFI）等注塑參數，下架切斷、注射器/滑塊/升降機/壓抽芯等工具問題,以及冷卻通道、熱流道故障等問題。
理想情況下，一旦注塑流程達到熱穩定狀態，則流程中製造出的產品就能保持良好的精度。因而，流程到達穩定狀態時，SPC（X-R 圖）就應顯示恆定的尺寸讀數：Cpk ≥ 1.33 ，產品沒有出現任何外觀缺陷或功能缺陷。然而，即使其他外部因素（工具、天氣、材料、輔助設備）處於控制中，如果流程不在被稱爲停留時間的定義參數範圍內時，流程也不會達到熱穩定狀態。
什麼是注塑工藝中的停留時間？
“停留時間”實際上是指材料在某機器中用去或駐留的時間，通常它被認爲是工藝流程本身的加工時間。因而，注塑工藝中的術語“停留時間”是指注塑工藝中塑料樹脂在注塑機中注射裝置滾筒中的駐留時間（通常以分鐘或秒計算）。換言之，停留時間也即塑料樹脂（托盤）從滾筒料斗倉口移動到噴嘴尖端的時間，在噴嘴處，塑料樹脂被注射進模具（參見圖 1.0）。
圖 1.0 注塑機注射裝置中的停留時間
塑料工業常規做法是，塑料樹脂製造商在《物料安全數據表》（MSDS）/材料數據表中註明特定塑料樹脂（在加工階段）的最長停留時間，使得最終用戶認識到上述要求，從而塑料能在正確條件下得到加工，使之在加工時間前後都能保持其材料性能。換言之，材料在滾筒中的停留時間不應超過規定的要求。實際情況中，停留時間取決於塑料樹脂通過滾筒到達噴嘴過程中的流速，而後者直接受滾筒容積（加熱缸）的影響。
爲什麼產品質量與停留時間有關？
我們來了解一下塑性特徵……
大量用於注塑行業中的塑料/聚合物通常爲熱塑性塑料，其或者具有晶性鏈（有序結構）或者爲非晶質（隨機結構），其塑化週期/轉變階段如下面的熱穩定性圖（圖 2.0）所示。
圖 2.0 熱加工和降解階段及工藝窗口
** 注：上圖表明，塑料材料應在圖中貝爾曲線範圍內的特定時間及特定溫度進行加工，如加工時間/溫度超出曲線範圍，則材料會開始降解（化學鏈/聚合物化學鍵斷裂）。
在注塑工藝中應用對聚合物的上述理解，過熱的塑料（或簡言之降解的塑料）由於其聚合物化學鏈斷裂，實際上也就有別於聚合物的屬性，它將不再具備適當的屬性，也無法處於穩定狀態，最終也無法用於生產或製造中。
深入瞭解機器中的塑料成型/運動流程……
實際情況是,在注塑機的注射裝置中(圖 1.0),首先，樹脂材料從料斗乾燥器/除溼器經料斗倉口進入加熱滾筒（根據樹脂規範/要求，樹脂已經在特定溫度[80℃~110℃]經過特定時間[2~4 小時]的烘乾/加熱），在給料過程中經過旋轉註射螺桿，將逐漸被送回到滾筒中。上述流程稱爲恢復過程，其中，在滾筒加熱下（H1 ~ H5），在轉變階段，樹脂緩慢熔化，這是一個漸進調整的過程，由於螺桿和裝有半熔融狀態的樹脂滾筒之間的摩擦，將額外生成剪切熱，從而樹脂熔點要波動 ±10℃。熔化的樹脂將通過止回閥環（逆止閥）積聚進入前端的注射計量裝置中，此處溫度最高（H4~H5）（參見圖 1.0）。因此，成型流程中的停留時間是指塑料樹脂從進入滾筒開始直至熔融物從噴嘴噴出的時間段。
通常，成型流程出現問題時，檢修人員/工藝工程師會檢查引發問題的其他直接初步原因/因素，而實際上，與“停留時間”有關、間接導致故障的原因纔是問題的根本原因。這是因爲後者對其他因素產生影響才導致了故障的產生。 由於隨時間的推移，材料發生了降解，有時候生產一小時後積聚的熱量就能使材料熔融。下表中列出了常見注塑缺陷及導致缺陷的原因，這些原因也是由於停留時間所導致的間接原因。
質量問題一覽表（塑料產品質量缺陷一覽表）
表 1.0 “缺陷-原因”一覽表
總體而言，由於材料失去其機械/熱/化學/電氣性能（如抗拉強度、抗衝擊強度、彈性/延伸率、硬度、導電性、可燃性等），會導致產品變脆（易碎/裂—粉狀）。材料上述性能的改變，特別是 MFI（熔融指數）的改變，都會造成注塑模具流變（填充時間）和固化時間的不恆定，從而導致注塑流程的不穩定（缺陷率高）。因而，即使是諸如抗裂試驗、墜落實驗、衝擊試驗等塑料性能測試結果正常的塑料也會產生缺陷。
解決方案—避免上述問題的方法或已有問題的應對方法
解決上述問題的方案可分爲兩類：一是從避免問題角度出發，二是從應對問題角度出發，針對行業中已發現的問題採取應對措施。.
首先，生產工藝工程師要做一個簡單的計算，確定/估計生產中的實際停留時間。
將實際停留時間與材料數據表中給出的值比較，確定其是否超出規定範圍，這是一種很常用的方法。它在諸如擠制加工、注塑、吹塑、壓塑等工藝流程中被廣泛用於塑料可靠性和流程穩定性的指示/評估。這個時段/時間的監控和管理是一個關鍵因素，對於控製成品質量十分關鍵，而成本質量與初步研發階段和量產階段都是息息相關的。我們來將注意力轉到解決上述問題的方法（預防與糾正）之上：
1. 治病不如防病，預防勝於補救
正像我們前面提到的那樣，在量產階段，有若干方法能防止上述問題的出現—事先計算停留時間。項目工程師應與流程工藝工程師合作，根據現有經驗評估/估算停留時間，或者通過模擬的週期和部件重量及現有產能（計劃使用的設備）計算停留時間。
爲此，必須早在原型階段就思考這樣的問題—怎樣才能做到這樣呢？？並在現有系統之中融入上述原則。在將上述原則融入諸如生產批准程序（PPAP）（像 DFM、FMEA等工具）的現有系統之中，上述原則就會自然而然地得以貫徹，項目工程師就將據此原則啓動和實施產品開發：在何處？怎樣做？
- 在新產品導入(NPI)（3D CAD 建模）模擬階段（模具流變分析及可製造設計[DFM]可行性研究）就要加入對停留時間的評估，並將其作爲一個檢查項目。
o 將此作爲關鍵標準，評估並複覈設計產品是否適於計劃的生產線（現有產能）。
由此，我們就能在最初的開始階段避免出現大的窪穴。這樣，就能幫助研發工程師規劃/考慮在模具中採用的“型腔數量”，乃至選購適當噸位的機器（滾筒容積規格）。
- 將停留時間作爲失效模式與後果分析（FMEA）階段的一個評估參數，就能找到涉及的風險，並將其納入控制計劃之中，從而可避免風險，或者制定相應的應急計劃。
DFMEA（設計失效模式及後果分析））—說明性示例
表 3.0 設計失效模式及後果分析表
**注：在原型階段和量產階段，如果由於產能問題需對週期時間或機器做出變更，本表可進一步升級爲過程失效模式及後果分析表（PFMEA）。
常規做法是，將失效模式及後果分析（FMEA）與《質量控制計劃》結合起來，後者將在量產階段用於作業指導書和《檢查計劃》之中。控制計劃通常將首先在試運階段起草並使用，並在量產階段繼續使用。在最初階段，應在一段時間中對實際週期時間加以記錄（繼續生產運行數日），以評估流程的穩定性（特別是生產出部件的尺寸，用於統計過程控制[SPC] X-R 柱狀圖的熱穩定性評估後，最終實現新品首件檢驗[FAI]合格）。
質量控制計劃—說明性示例
表 4.0 生產質量控制計劃—包括涉及停留時間的問題
1. 生產階段的“補救”階段或措施（應對措施）—後備方案
有時，由於產品開發中的錯誤，這個標準被忽視，導致經不穩定流程生產出的產品帶來大量損失，結果對生產造成極大的影響。如果公司生產的每件產品都在賠錢，長此以往繼續生產就不會有任何意義。應對上述問題的惟一方法是，找出縮短塑料樹脂在滾筒中停留時間的方法，並加快熔融速度，得到特定樹脂的最長停留時間。以下提出若干建議：
- 如果可能，更換其他稍小的機器（滾筒稍小）：
o 計劃將模具放在不同機器（稍小噸位）中運行，或者在稍小注射裝置中加工（小滾筒—容積小就會使流速增加，最終縮短停留時間）；
o 將模具與較小的機器裝配會有限制條件（模具尺寸與滾筒/拉桿/“日光”間隙及鎖模力的配合）。
- 增加產出（週期時間改進—縮短週期時間）
o 週期時間的改進（縮短週期時間）。週期時間縮短會增加滾筒中材料的流速，最終縮短停留時間。
o 不過，在生產率改進中通常已改進優化到適當水平，週期時間通常僅能縮短數秒，而停留時間也只能縮短數分鐘，因而改進空間並不大。
- 增加型腔數量—在模具中增加型腔（提高產出）—僅適於小型產品。
o 如此以來，將使材料流速增加，縮短停留時間（通常，由於模具基礎和型芯/型腔及冷卻通道/熱流道已經得到優化設計，因而增加模具中型腔數量的空間極小）。
- 注射裝置變更，代之以較小的滾筒，或採購小噸位機器。
o 如果產品價格（長期大量生產）足以彌補設備更新成本，併爲特定產品配備機器全部產能，纔可能對注射裝置加以變更。
o 在現有預算資金條件下，爲未來項目進行產能擴大，另外購買機器纔有可能。
- 改變流道尺寸，增加材料量（造成材料浪費）—長此以往會增加成本。
o 本方案通常爲萬不得已的方案。在原材料成本並不昂貴情況下，爲恪守對客戶的承諾，工程師在有限的時間裏別無其他選擇纔會做此選擇。
o 由於每次注射都會帶來更多的材料浪費，因而部件成本提高。
案例研究及一些來自實踐的體會
案例 1
1. 部件：下側前後蓋 RH/LH（靠近地毯佈線護網）及發動機緊固件
行業：汽車（著名德國汽車製造商）
塑料材質：PA GF15% （玻璃纖維增強尼龍）
問題：
è下側前後蓋 RH/LH（靠近地毯佈線護網）—部件表面有黑流
è發動機緊固件—部件未通過抗裂試驗（墜落試驗）
描述：
生產上述塑料部件（下側前後蓋 RH/LH[靠近地毯佈線護網]及發動機緊固件）的計劃/工具均從新產品導入（NPI）階段利用現有產能開始研發（海天注塑機 320 型，和東華注塑機 280T 型），並根據生產批准程序（PPAP）（ISO/TS16949）批准量產。遺憾的是，由於其他部件對機器上容積需求猛增，需要該機器產能增至 160%。由於有用於增加產能的預算，因而工廠管理部門決定購買新機器，以支持上述需求，而未來擴張需要考慮未來業務中大型部件/模具需要（購買了 380 T 型機器，滾筒尺寸、滾筒和鎖模力略大—不幸的是，由於工程/規劃團隊未決定在新機器上轉而使用何種模具，因而並未考慮這些模具的停留時間）。在工程變更通知（ECN）（壓注模）中，以產品原型對模具進行小量測試，樣品通過了新品首件檢驗（FAI）。不幸的是，在量產階段（長期）， 質檢部檢測發現，2 個模具出現諸如黑流這樣的缺陷（下側前後蓋 RH/LH），1 個模具出現部件變脆易碎（發動機緊固件）。經過數次故障排除，工藝工程師發現問題與停留時間有關，停留時間超過允許最長停留時間 1-2 分鐘，因而流程不穩定，無法達到熱穩定狀態。
措施：
由於工具改進/變更空間很小，因而工程團隊與規劃團隊共同對這些機器（380T、320T 和 280T）的模具進行了調整，考慮了流程參數（停留時間、模具尺寸、拉桿間隙等），並進行了幾次模具試驗和變更，給每部機器的模具均進行了調整。
案例 2
2. 掃描儀頂蓋和後蓋
行業：消費產品（美國大型企業集團條紋碼掃描儀）
塑料材質：PC
問題：透明材料變成褐色材料（燒灼結果）
描述：
在新產品導入（NPI）階段模具試驗階段發現了問題，試圖通過在稍大於預定機器上進行試運行（兩部機器均爲現有產能），以擴大/發現備用產能。
措施：
測試工程師填寫了測試報告，供項目工程師未來參考，測試報告編入模具記錄手冊（模具使用記錄），供生產參考。
案例 3
3. 部件：中心面板控制檯
行業：汽車（馬來西亞汽車製造商）
塑料材質：ABS
問題：注塑流道在型腔卡住（部件在澆口部位變脆易損）—由於每運行 30 分鐘，經 10-20 次注塑後，就要停止生產一次，運行工/技師需要關閉機器，疏通流道，因而生產率降低。
描述：
由於時間緊，模具開發跳過了幾個新產品導入（NPI）流程，而由於成本限制，也未設熱流道系統（又長又厚的澆口流道）。量產生產批准程序（PPAP）使用了原型 FAI 樣品。然而，量產運行並不順利，由於出現流道卡死問題，而厚流道需要更長時間硬化/固化，因而不時就要停產。結果流程需要更長的冷卻時間（週期時間增加），而這就導致停留時間增加，最終致使材料變脆易碎，導致問題進一步升級。
措施：
重新設計澆口流道尺寸，減小其尺寸（更薄，更短—尺寸優化後就不會產生注塑成型不足問題）；改變/植入澆口嵌入件，改變機器噴嘴長度，使其更深入澆口。結果，冷卻時間縮短（每次注塑的週期時間縮短 12 秒），由於加快材料流速，最終縮短了停留時間。
結論及未來發展方向
近年來，注塑工藝/注塑機伴隨各種技術和革新得到改進。但由於細微因素未能得到足夠的重視，往往會帶來很大的不良後果（商業損失）。在早期，對上述因素加以考慮，採取預防措施，將能避免在隨後出現問題。