注塑成型收縮與翹曲分析

塑料射出成形先天上就會(huì)發(fā)生收縮，因?yàn)閺闹瞥虦囟冉档绞覝?，?huì)造成聚合物的密度變化，造成收縮。整個(gè)塑件和剖面的收縮差異會(huì)造成內(nèi)部殘留應(yīng)力，其效應(yīng)與外力完全相同。在射出成形時(shí)假如殘留應(yīng)力高于塑件結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，塑件就會(huì)于脫模后翹曲，或是受外力而產(chǎn)生破裂。

7-1   殘留應(yīng)力

　　殘留應(yīng)力(residual stress)是塑件成形時(shí)，熔膠流動(dòng)所引發(fā)(flow-induced)或者熱效應(yīng)所引發(fā)(thermal-induced)，而且凍結(jié)在塑件內(nèi)的應(yīng)力。假如殘留應(yīng)力高過于塑件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，塑件可能在射出時(shí)翹曲，或者稍后承受負(fù)荷而破裂。殘留應(yīng)力是塑件收縮和翹曲的主因，可以減低充填模穴造成之剪應(yīng)力的良好成形條件與設(shè)計(jì)，可以降低熔膠流動(dòng)所引發(fā)的殘留應(yīng)力。同樣地，充足的保壓和均勻的冷卻可以降低熱效應(yīng)引發(fā)的殘留應(yīng)力。對(duì)于添加纖維的材料而言，提升均勻機(jī)械性質(zhì)的成形條件可以降低熱效應(yīng)所引發(fā)的殘留應(yīng)力。

7-1-1   熔膠流動(dòng)引發(fā)的殘留應(yīng)力

　　在無應(yīng)力下，長鏈高分子聚合物處在高于熔點(diǎn)溫度呈現(xiàn)任意卷曲的平衡狀態(tài)。于成形程中，高分子被剪切與拉伸，分子鏈沿著流動(dòng)方向配向。假如分子鏈在完全松弛平衡之前就凝固，分子鏈配向性就凍結(jié)在塑件內(nèi)，這種應(yīng)力凍結(jié)狀態(tài)稱為流動(dòng)引發(fā)的殘留應(yīng)力，其于流動(dòng)方向和垂直于流動(dòng)方向會(huì)造成不均勻的機(jī)械性質(zhì)和收縮。一般而言，流動(dòng)引發(fā)的殘留應(yīng)力比熱效應(yīng)引發(fā)的殘留應(yīng)力小一個(gè)次方。

　　塑件在接近模壁部份因?yàn)槌惺芨呒魬?yīng)力和高冷卻速率的交互作用，其表面的高配向性會(huì)立即凍結(jié)，如圖7-1所示。假如將此塑件存放于高溫環(huán)境下，塑件將會(huì)釋放部份應(yīng)力，導(dǎo)致收縮與翹曲。凝固層的隔熱效應(yīng)使聚合物中心層維持較高溫度，能夠釋放較多應(yīng)力，所以中心層分子鏈具有較低的配向性。

可以降低熔膠剪應(yīng)力的成形條件也會(huì)降低因流動(dòng)引發(fā)的殘留應(yīng)力，包括有：

? 高熔膠溫度。

? 高模壁溫度。

? 長充填時(shí)間（低熔膠速度）。

? 降低保壓壓力。

? 短流動(dòng)路徑。

7-1-2   熱效應(yīng)引發(fā)之殘留應(yīng)力

　　熱效應(yīng)引發(fā)殘留應(yīng)力的原因包括下列：

? 塑料從設(shè)定的制程溫度下降到室溫，造成收縮。

? 塑料凝固時(shí)，塑件從表層到中心層經(jīng)歷了不同的熱力歷程和機(jī)械歷

程，例如不同的冷卻時(shí)間和不同的保壓壓力等。

? 由于密度和機(jī)械性質(zhì)變化導(dǎo)致壓力、溫度、分子鏈配向性和纖維配向

性的改變。

? 模具的設(shè)計(jì)限制了塑件在某些方向的收縮。

　　塑料于射出成形的收縮可以用自由冷卻的例子說明。假如溫度均勻的塑件突然被兩側(cè)的冷模壁夾住，在冷卻的初期，塑件表層冷卻而開始收縮時(shí)，塑件內(nèi)部的聚合物仍然呈高溫熔融狀態(tài)而可以自由收縮。然而，當(dāng)塑件中心溫度下降時(shí)，局部的熱收縮受限于已經(jīng)凝固的表層，導(dǎo)致中心層為拉伸應(yīng)力，表層為壓縮應(yīng)力的典型應(yīng)力分布，如圖7-2所示。

　　塑件從表層到中心的冷卻速率差異會(huì)引發(fā)熱效應(yīng)之殘留應(yīng)力。更有甚者，假如模具兩側(cè)模壁的冷卻速率不同，還會(huì)引發(fā)不對(duì)稱的熱效應(yīng)殘留應(yīng)力，在塑件剖面不對(duì)稱分布的拉伸應(yīng)力與壓縮應(yīng)力造成彎曲力矩，使塑件產(chǎn)生翹曲，如圖 7-3的說明。肉厚不均勻的塑件和冷卻效果差的區(qū)域都會(huì)造成這種不平衡冷卻，而導(dǎo)致殘留應(yīng)力。復(fù)雜的塑件由于肉厚不均勻、模具冷卻不均勻、模具對(duì)于自由收縮的限制等因素，使得熱效應(yīng)引發(fā)之殘留應(yīng)力的分布變得更復(fù)雜。

圖7-4說明了保壓之壓力歷程所造成的凝固層比容變化。其中，左圖是塑件一個(gè)剖面的溫度分布曲線。為了方便說明，將塑件沿著肉厚方向分為8層，曲線上顯示著各層的凝固時(shí)間為t1~t8。注意，塑件從最外層開始凝固，越往中心層則需要越長的凝固時(shí)間。

已知各層的凝固比容，塑件各層收縮行為會(huì)根據(jù)PvT曲線發(fā)生不同的收縮。假設(shè)各層是分隔開如圖7-5，結(jié)果就收縮到中間圖形的情形，2、5、6、7等中間層因?yàn)槟瘫热莸?/span>(或是凝固密度高)而收縮得較少。而實(shí)際上，各層是連接在一起，造成折衷的收縮分布，中間層受壓縮，而外層與中心層則受拉伸。

7-1-3   制程引發(fā)殘留應(yīng)力與模穴殘留應(yīng)力

　　就射出成形之模擬而言，制程所引發(fā)(process-induces)殘留應(yīng)力比模穴(in-cavity)殘留應(yīng)力更重要，以下介紹這兩個(gè)名詞的定義，并提供一個(gè)范例以說明它們的差異。

塑件頂出以后，模穴施加在塑件的拘束被釋放開，塑件可以自由地收縮與變形，直到平衡狀態(tài)。此時(shí)塑件內(nèi)尚存的應(yīng)力就是制程引發(fā)的殘留應(yīng)力，或者簡稱為殘留應(yīng)力，它包括了流動(dòng)引發(fā)的殘留應(yīng)力和熱效應(yīng)引發(fā)的殘留應(yīng)力，而以熱效應(yīng)的影響為主。

　　當(dāng)塑件仍然受到模穴拘束時(shí)，塑件凝固所貯積的內(nèi)應(yīng)力稱為模穴殘留應(yīng)力，此殘留應(yīng)力會(huì)驅(qū)使塑件于頂出后發(fā)生收縮和翹曲。

　　圖7-6左上圖是成形塑件于頂出前，仍受到模具拘束的模穴殘留應(yīng)力（通常是圖中顯示的拉伸應(yīng)力）。一旦頂出，解除了模具對(duì)于塑件的拘束，塑件將釋放模穴殘留應(yīng)力而收縮和翹曲。頂出塑件之收縮分布所造成的熱效應(yīng)殘留應(yīng)力分布曲線如圖7-6左下圖。在無外力作用下，塑件剖面的拉伸應(yīng)力等于壓縮應(yīng)力而達(dá)到平衡狀態(tài)。圖7-6右下圖表示塑件肉厚承受不均勻的冷卻，造成不對(duì)稱的殘留應(yīng)力而發(fā)生翹曲。

能夠造成充分保壓和均勻模壁溫度的條件，就可以降低熱效應(yīng)引發(fā)的殘留應(yīng)力，這些條件包括：

? 適當(dāng)?shù)谋簤毫捅簳r(shí)間。

? 塑件的所有表面都有均勻的冷卻。

? 塑件有均勻的剖面肉厚。

7-2 收縮

　　射出成形塑件從制程溫度降到室溫，體積收縮率(shrinkage)可以高達(dá) 20％。當(dāng)結(jié)晶材料和半結(jié)晶材料冷卻到玻璃轉(zhuǎn)移溫度以下，分子呈現(xiàn)比較規(guī)則的方式排列，并形成結(jié)晶，特別容易產(chǎn)生熱收縮；不定形材料于相變化時(shí)并沒有微結(jié)構(gòu)變化，熱收縮比較小。所以結(jié)晶材料和半結(jié)晶材料在熔融相和固相（結(jié)晶）之間的比容差異比不定形材料的比容差異大，如圖7-7所示。此外冷卻速率也會(huì)影響結(jié)晶材料與半結(jié)晶材料的PvT行為。

塑件產(chǎn)生過量收縮的原因包括射出壓力太低、保壓時(shí)間不足或冷卻時(shí)間不足、熔膠溫度太高、模具溫度太高、保壓壓力太低，而收縮量與制程參數(shù)、肉厚的關(guān)系說明圖7-8：

　　射出成形時(shí)，假如沒有補(bǔ)償塑件的體積收縮量，會(huì)導(dǎo)致塑件表面凹陷或是內(nèi)部的氣孔，所以設(shè)計(jì)模具時(shí)必須考慮到塑件收縮問題，塑件收縮率的控制對(duì)于塑件設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)、制程條件設(shè)定非常重要，組合的塑件更是如此。緊接在充填模穴后進(jìn)行保壓，可以減少／消除凹痕和氣孔，以確定塑件尺寸。模流分析軟件可以預(yù)測塑件的收縮，提供正確設(shè)計(jì)模具的指導(dǎo)方針。

7-3 翹曲

　　翹曲(warpage)是塑件未按照設(shè)計(jì)的形狀成形，卻發(fā)生表面的扭曲，塑件翹曲導(dǎo)因于成形塑件的不均勻收縮。假如整個(gè)塑件有均勻的收縮率，塑件變形就不會(huì)翹曲，而僅僅會(huì)縮小尺寸；然而，由于分子鏈／纖維配向性、模具冷卻、塑件設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)及成形條件等諸多因素的交互影響，要能達(dá)到低收縮或均勻收縮是一件非常復(fù)雜的工作。

　　塑件因收縮不均而產(chǎn)生翹曲，收縮率變化的原因包括：

? 塑件內(nèi)部溫度不均勻。

? 塑件凝固時(shí)，沿著肉厚方向的壓力差異和冷卻速率差異。

? 塑件尚未完全冷卻就頂出，或是頂出銷變形，倒勾太深，頂出方式不

當(dāng)，脫模斜度不當(dāng)?shù)纫蛩囟伎赡茉斐伤芗N曲。

? 塑件肉厚變化導(dǎo)致冷卻速率的差異。

? 塑件具有彎曲或不對(duì)稱的幾何形狀。

? 塑件材料有、無添加填充料的差異。

? 流動(dòng)方向和垂直于流動(dòng)方向之分子鏈／纖維配向性差異，造成不同的

收縮率。

? 保壓壓力的差異（例如澆口處過度保壓，遠(yuǎn)離澆口處卻保壓不足）。

　　塑件材料添加填充料與否，會(huì)造成收縮的差異，如圖7-9所示。當(dāng)塑件具有收縮差異，其肉厚方向與流動(dòng)方向產(chǎn)生不等向收縮，造成的內(nèi)應(yīng)力可能使塑件翹曲。由于強(qiáng)化纖維使塑件的熱收縮便小和模數(shù)變大，所以添加纖維的熱塑性塑料可以抑制收縮，它沿著添加纖維的排列方向（通常是流動(dòng)方向）之收縮比橫向之收縮小。同樣地，添加粒狀填充物的熱塑性塑料比無添加物的塑料之收縮率小很多。另一方面，假如無添加填充材料的塑件具有高度的分子鏈配向性，則為非等向性之收縮，它在分子鏈排列方向有比較大的收縮率。液晶聚合物具有緊密規(guī)則排列的自我強(qiáng)化結(jié)構(gòu)，其收縮傾向于非等向性。

圖7-10   塑件翹曲，導(dǎo)因于(a)不均勻冷卻；和(b)不對(duì)稱冷卻。

不對(duì)稱的幾何形狀會(huì)導(dǎo)致冷卻不均勻和收縮差異，造成塑件翹曲，例如圖7-12所示，在平板件的一側(cè)加設(shè)一排補(bǔ)強(qiáng)肋即為不對(duì)稱的幾何形狀。

殘留應(yīng)力也會(huì)造成翹曲，加長成形品在模具內(nèi)的冷卻時(shí)間可以改善此類翹曲。不均勻的冷卻也會(huì)造成翹曲。頂出時(shí)成形品溫度太高，頂針使成形品翹曲。另外，當(dāng)熱的成形品掉入集料箱也會(huì)造成翹曲。

塑件溫度分布不均勻會(huì)造成塑件翹曲。造型復(fù)雜的組件也會(huì)造成不均勻的冷卻，尤其沒設(shè)置冷卻系統(tǒng)的模具更是如此。

7-4 收縮與翹曲的設(shè)計(jì)規(guī)則

藉由適當(dāng)?shù)乃芗O(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)、成形條件及選擇材料，可以減少或控制收縮與翹曲。以下的設(shè)計(jì)規(guī)則所考慮因素可以協(xié)助開發(fā)低收縮率與無翹曲的塑件。

(1) 肉厚

　　避免不均勻的肉厚，或是將肉厚變化區(qū)的變化長度設(shè)計(jì)為薄肉厚處肉厚的三倍，如圖7-13所示。

(2) 平衡充填

　　應(yīng)盡量設(shè)計(jì)出能夠以固定熔膠波前速度產(chǎn)生平衡充填模式的熔膠傳送系統(tǒng)。

(3) 保壓壓力

　　雖然高保壓壓力有助于減少收縮，卻可能增加塑件的殘留應(yīng)力和射出成形機(jī)的鎖模力。更好的設(shè)計(jì)是使用適當(dāng)?shù)谋簤毫统渥愕谋簳r(shí)間，并且在澆口凝固后就解除保壓壓力。而且，采用的保壓壓力必須能夠傳送額外塑料，以補(bǔ)償塑件之體積收縮。

(4) 冷卻系統(tǒng)

　　設(shè)計(jì)冷卻系統(tǒng)，使整個(gè)塑件和塑件剖面方向都具有均勻且平衡的冷卻效應(yīng)。

(5) 殘留應(yīng)力

　　增加熔膠溫度、模壁溫度、充填時(shí)間、和模穴厚度，或是縮減保壓壓力和流動(dòng)長度等，都有助于降低殘留應(yīng)力與分子鏈／纖維配向性。