塑胶注塑成型收缩与翘曲该如何解决？

眼角微凉的泪

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。

【一】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， 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1所示。假如将此塑件存放于高温环境下，塑件将会释放部分应力，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。
  
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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。


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，塑件内部的聚合物依旧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。


当塑件依旧受到模穴拘束时，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。
  
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【二】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。
影响塑件收缩的制程与设计参数

【三】翘曲

翘曲(warpage)是塑件未按照设计的形状成形，却发生表面的扭曲，塑件翘曲导因于成形塑件的不均匀收缩。假如整个塑件有均匀的收缩率，塑件变形就不会翘曲，而仅仅会缩小尺寸；然而，由于分子链／纤维配向性、模具冷却、塑件设计、模具设计及成形条件等诸多因素的交互影响，要能达到低收缩
或均匀收缩是一件非常复杂的工作。


塑件因收缩不均而产生翘曲，收缩率变化的原因包括：

• 塑件内部温度不均匀。
  
• 塑件凝固时，沿着肉厚方向的压力差异和冷却速率差异。
  
• 塑件尚未完全冷却就顶出，或是顶出销变形，倒勾太深，顶出方式不当，脱模斜度不当等因素都可能造成塑件翘曲。
  
• 塑件肉厚变化导致冷却速率的差异。
  
• 塑件具有弯曲或不对称的几何形状。
  
• 塑件材料有、无添加填充料的差异。
  
• 流动方向和垂直于流动方向之分子链／纤维配向性差异，造成不同的收缩率。
  
• 保压压力的差异（例如浇口处过度保压，远离浇口处却保压不足）。
  

塑件材料添加填充料与否，会造成收缩的差异，如图9所示。当塑件具有收缩差异，其肉厚方向与流动方向产生不等向收缩，造成的内应力可能使塑件翘曲。由于强化纤维使塑件的热收缩便小和模数变大，所以添加纤维的热塑性塑料可以抑制收缩，它沿着添加纤维的排列方向（通常是流动方向）之收缩比横向之收缩小。同样地，添加粒状填充物的热塑性塑料比无添加物的塑料之收缩率小很多。


另一方面，假如无添加填充材料的塑件具有高度的分子链配向性，则为非等向性之收缩，它在分子链排列方向有比较大的收缩率。液晶聚合物具有紧密规则排列的自我强化结构，其收缩倾向于非等向性。


图9 塑件添加填充料与否，造成不同方向的收缩率差异。


不均匀冷却以及塑件在公模、母模之间肉厚方向的不对称冷却都会导致收缩差异，如图10所示。


材料从模壁到中心层发生不均一的冷却与收缩，结果会在顶出以后造成翘曲。


图10 塑件翘曲，导因于(a)不均匀冷却；和(b)不对称冷却。


塑件之收缩量随着肉厚增加而增加。不均匀肉厚所造成的收缩差异是无添加强化填充材料之热塑性塑料塑件发生翘曲的主要原因。更具体地说，塑件剖面肉厚的变化通常造成冷却速率差异与结晶度差异，结果就造成收缩差异与塑件翘曲，如图11所示。


图11 低冷却速率区域的高度结晶使塑件产生较大的收缩量


不对称的几何形状会导致冷却不均匀和收缩差异，造成塑件翘曲，例如图7-12所示，在平板件的一侧加设一排补强肋即为不对称的几何形状。


图12 塑件带肋一侧冷却较差，导致翘曲。
残留应力也会造成翘曲，加长成形品在模具内的冷却时间可以改善此类翘曲。不均匀的冷却也会造成翘曲。顶出时成形品温度太高，顶针使成形品翘曲。


另外，当热的成形品掉入集料箱也会造成翘曲。 塑件温度分布不均匀会造成塑件翘曲。造型复杂的组件也会造成不均匀的冷却，尤其没设置冷却系统的模具更是如此。

【四】收缩与翘曲的设计规则

藉由适当的塑件设计、模具设计、成形条件及选择材料，可以减少或控制收缩与翘曲。以下的设计规则所考虑因素可以协助开发低收缩率与无翘曲的塑件。


(1) 肉厚避免不均匀的肉厚，或是将肉厚变化区的变化长度设计为薄肉厚处肉厚的三倍，如图13所示。
图13 肉厚变化区的设计


塑件具有明显的收缩、凹陷或气孔时，将这些区域变更设计成均匀薄肉厚和肋之组合，以提供均匀的收缩、良好的(强度／重量)比值、及良好的成本效率，如图14之建议。
图14 对于大多数应用而言，薄肉厚和肋之设计优于粗厚件。


(2) 平衡充填
应尽量设计出能够以固定熔胶波前速度产生平衡充填模式的熔胶传送系统。


(3) 保压压力
虽然高保压压力有助于减少收缩，却可能增加塑件的残留应力和射出成形机的锁模力。


更好的设计是使用适当的保压压力和充足的保压时间，并且在浇口凝固后就解除保压压力。而且，采用的保压压力必须能够传送额外塑料，以补偿塑件之体积收缩。


(4) 冷却系统设计冷却系统，使整个塑件和塑件剖面方向都具有均匀且平衡的冷却效应。


(5) 残留应力
增加熔胶温度、模壁温度、充填时间、和模穴厚度，或是缩减保压压力和流动长度等，都有助于降低残留应力与分子链／纤维配向性。
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