【干货分享】收缩与翘曲该如何解决？看这一篇就够了！（上）

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塑料射出成形先天上就会发生收缩，因为从制程温度降到室温，会造成聚合物的密度变化，造成收缩。整个塑件和剖面的收缩差异会造成内部残留应力，其效应与外力完全相同。在射出成形时假如残留应力高于塑件结构的强度，塑件就会于脱模后翘曲，或是受外力而产生破裂。


1、残留应力


残留应力(residual  stress)是塑件成形时，熔胶流动所引发(flow-induced)或者热效应所引发(thermal-induced)，而且冻结在塑件内的应力。假如残留应力高过于塑件的结构强度，塑件可能在射出时翘曲，或者稍后承受负荷而破裂。


残留应力是塑件收缩和翘曲的主因，可以减低充填模穴造成之剪应力的良好成形条件与设计，可以降低熔胶流动所引发的残留应力。同样地，充足的保压和均匀的冷却可以降低热效应引发的残留应力。对于添加纤维的材料而言，提升均匀机械性质的成形条件可以降低热效应所引发的残留应力。


1-1   熔胶流动引发的残留应力


在无应力下，长链高分子聚合物处在高于熔点温度呈现任意卷曲的平衡状态。于成形程中，高分子被剪切与拉伸，分子链沿着流动方向配向。假如分子链在完全松弛平衡之前就凝固，分子链配向性就冻结在塑件内，这种应力冻结状态称为流动引发的残留应力，其于流动方向和垂直于流动方向会造成不均
匀的机械性质和收缩。一般而言，流动引发的残留应力比热效应引发的残留应力小一个次方。
  
塑件在接近模壁部份因为承受高剪应力和高冷却速率的交互作用，其表面的高配向性会立即冻结，如图7-1所示。假如将此塑件存放于高温环境下，塑件将会释放部份应力，导致.的收缩与翘曲。


凝固层的隔热效应使聚合物中心层维持较高温度，能够释放较多应力，所以中心层分子链具有较低的配向性。 可以降低熔胶剪应力的成形条件也会降低因流动引发的残留应力，包括有：


高熔胶温度。


高模壁温度。


长充填时间（低熔胶速度）。


降低保压压力。


短流动路径。








图1  充填与保压阶段所冻结的分子链配向性，导致流动引发之残留应力。
(1)  表示高冷却率、高剪应力或高配向性； (2)表示低冷却率、低剪应力或低配向性。


1-2   热效应引发之残留应力


热效应引发残留应力的原因包括下列：


塑料从设定的制程温度下降到室温，造成收缩。


塑料凝固时，塑件从表层到中心层经历了不同的热力历程和机械历程，例如不同的冷却时间和不同的保压压力等。


由于密度和机械性质变化导致压力、温度、分子链配向性和纤维配向性的改变。


模具的设计限制了塑件在某些方向的收缩。
  
塑料于射出成形的收缩可以用自由冷却的例子说明。假如温度均匀的塑件突然被两侧的冷模壁夹住，在冷却的初期，塑件表层冷却而开始收缩时，塑件内部的聚合物仍然呈高温熔融状态而可以自由收缩。然而，当塑件中心温度下降时，局部的热收缩受限于已经凝固的表层，导致中心层为拉伸应力，表


层为压缩应力的典型应力分布，如图2所示。
  
塑件从表层到中心的冷却速率差异会引发热效应之残留应力。更有甚者，假如模具两侧模壁的冷却速率不同，还会引发不对称的热效应残留应力，在塑件剖面不对称分布的拉伸应力与压缩应力造成弯曲力矩，使塑件产生翘曲，如图 3的说明。


肉厚不均匀的塑件和冷却效果差的区域都会造成这种不平衡冷却，而导致残留应力。复杂的塑件由于肉厚不均匀、模具冷却不均匀、模具对于自由收缩的限制等因素，使得热效应引发之残留应力的分布变得更复杂。









图2 塑件冷却不均匀和塑料温度历程的作用，导致热效应引发之残留应力。











图3 塑件剖面方向不均匀的冷却，造成不对称热效应引发之残留应力，使塑件翘曲。


图4说明了保压之压力历程所造成的凝固层比容变化。其中，左图是塑件一个剖面的温度分布曲线。为了方便说明，将塑件沿着肉厚方向分为8层，曲线上显示着各层的凝固时间为t1~t8。


注意，塑件从最外层开始凝固，越往中心层则需要越长的凝固时间。
  
中间的图形显示各层固化的典型压力历程分别为P1~P8。充填阶段的压力通常逐渐上升，在保压初期达到最高压力，之后，因为冷却与浇口固化，压力逐渐下降。结果，塑件表层与中心层在低压时凝固，其它的中间各层在高保压压力时凝固。右图说明了第5层在PvT图上的比容历程，以及各层于最终凝固
时的比容，并且以实心圆点标记。










已知各层的凝固比容，塑件各层收缩行为会根据PvT曲线发生不同的收缩。假设各层是分隔开如图5，结果就收缩到中间图形的情形，2、5、6、7等中间层因为凝固比容低(或是凝固密度高)而收缩得较少。而实际上，各层是连接在一起，造成折衷的收缩分布，中间层受压缩，而外层与中心层则受拉伸。











图5   各凝固层的比容差异相互作用，导致不同的残留应力和塑件变形。


1-3   制程引发残留应力与模穴残留应力
就射出成形之模拟而言，制程所引发(process-induces)残留应力比模穴(in-cavity)残留应力更重要，以下介绍这两个名词的定义，并提供一个范例以说明它们的差异。


塑件顶出以后，模穴施加在塑件的拘束被释放开，塑件可以自由地收缩与变形，直到平衡状态。


此时塑件内尚存的应力就是制程引发的残留应力，或者简称为残留应力，它包括了流动引发的残留应力和热效应引发的残留应力，而以热效应的影响为主。
  
当塑件仍然受到模穴拘束时，塑件凝固所贮积的内应力称为模穴残留应力，此残留应力会驱使塑件于顶出后发生收缩和翘曲。











图6左上图是成形塑件于顶出前，仍受到模具拘束的模穴残留应力（通常是图中显示的拉伸应力）。


一旦顶出，解除了模具对于塑件的拘束，塑件将释放模穴残留应力而收缩和翘曲。顶出塑件之收缩分布所造成的热效应残留应力分布曲线如图6左下图。在无外力作用下，塑件剖面的拉伸应力等于压缩应力而达到平衡状态。图6右下图表示塑件肉厚承受不均匀的冷却，造成不对称的残留应力而发生翘曲。


图6（上）模穴残留应力分布曲线及（下）制程引发残留应力分布
曲线和顶出后的塑件形状。


能够造成充分保压和均匀模壁温度的条件，就可以降低热效应引发的残留应力，这些条件包括：


适当的保压压力和保压时间。


塑件的所有表面都有均匀的冷却。


塑件有均匀的剖面肉厚。


2、收缩


射出成形塑件从制程温度降到室温，体积收缩率(shrinkage)可以高达 20％。当结晶材料和半结晶材料冷却到玻璃转移温度以下，分子呈现比较规则的方式排列，并形成结晶，特别容易产生热收缩；


不定形材料于相变化时并没有微结构变化，热收缩比较小。所以结晶材料和半结晶材料在熔融相和固相（结晶）之间的比容差异比不定形材料的比容差异大，如图7所示。此外冷却速率也会影响结晶材料与半结晶材料的PvT行为。











图7 不定形与结晶性聚合物之PvT曲线。从制程状态(A点)到常压室温状态造成比容变化△υ。注意：当压力升高时，比容减小。
  
塑件产生过量收缩的原因包括射出压力太低、保压时间不足或冷却时间不足、熔胶温度太高、模具温度太高、保压压力太低，而收缩量与制程参数、肉厚的关系说明图8：
  
射出成形时，假如没有补偿塑件的体积收缩量，会导致塑件表面凹陷或是内部的气孔，所以设计模具时必须考虑到塑件收缩问题，塑件收缩率的控制对于塑件设计、模具设计、制程条件设定非常重要，组合的塑件更是如此。


紧接在充填模穴后进行保压，可以减少／消除凹痕和气孔，以确定塑件尺寸。模流分析软件可以预测塑件的收缩，提供正确设计模具的指导方针。









图8  影响塑件收缩的制程与设计参数
















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