硬核文章 & 收缩与翘曲的形成机理与改善

汽车零部件模具与注塑 2022年5月9日浏览：1696

硬核文章 & 收缩与翘曲的形成机理与改善的图1

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。

2. 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：

Ÿ 高熔胶温度。

Ÿ高模壁温度。

Ÿ长充填时间（低熔胶速度）。

Ÿ降低保压压力。

Ÿ短流动路径。

图7-1 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。

3.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：

Ÿ塑料从设定的制程温度下降到室温，造成收缩。

Ÿ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。

Ÿ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。

Ÿ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7-2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 7-3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7-2 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7-3 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7-4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。

图7-4 影响凝固层比容的因子

　　　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7-5，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7-5 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。

4. 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。

硬核文章 & 收缩与翘曲的形成机理与改善的图11

　　图7-6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7-6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7-6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7-6 （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：

Ÿ适当的保压压力和保压时间。

Ÿ塑件的所有表面都有均匀的冷却。

Ÿ塑件有均匀的剖面肉厚。

5. 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7-7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7-7 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7-8：

　　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7-8 影响塑件收缩的制程与设计参数

6. 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：

Ÿ塑件内部温度不均匀。

Ÿ塑件凝固时，沿着肉厚方向的压力差异和冷却速率差异。

Ÿ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。

Ÿ塑件肉厚变化导致冷却速率的差异。

Ÿ塑件具有弯曲或不对称的几何形状。

Ÿ塑件材料有、无添加填充料的差异。

Ÿ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。

Ÿ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7-9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。