成型条件对残留应力的影响──条件设定要点篇

■ 全链管理 / 蔡颖玫 博士

(转载自繁体版ACMT电子技术月刊No.083)

前言

理解速度、温度及压力对塑胶高分子链排向的作用，进而能理解这些物理因素造成塑件残留应力的原因，接着我们来讨论如何控制成型条件来降低射出成型引起的残留应力。首先是各项物理因素与机台参数的关系条列如下。

• 塑胶温度：料管温度、螺杆转速(rpm)及背压、射出速度；

• 充填速率：射出速度、保压速度；

• 塑胶压力：射出压力（模穴压力及系统压力）、保压压力、保压时间；

• 冷却速率：料管温度、螺杆旋转背压、射出速度、模具温度、冷却时间。

成型条件设定要点

塑胶温度

提高料温会提升熔胶压力传递能力，整体模穴压力因而增加，同时也提升保压效果，并且定向层厚度、压缩应力及拉伸应力都会降低。主要以提高料管温度来达成升高料温。

• 优点：熔胶黏度较低，流动性较佳，充填性较好，分子链松弛较快，排向应力程度较低；

• 缺点：然而过高的料温容易造成冷却缓慢（增加成型周期）及不均匀冷却。塑件脱模时，高温部分占比高，易造成变形，因此高料温反而可能会增加冷却热应力及脱模应力。

充填速率

充填速率对高分子链排向的影响，主要透过射出速度来设定，为达到塑胶最低整体定向结果，所需要的充填速率是介于高速与低速之间，并使用多段射速在速度逐渐减小下结束充填。另外可依产品需求调整充填速率：

• 若产品需要较低的表层应力，借以改善抗化学性或表面电镀附着性，则应降低充填速率；

• 若产品需要借助表层的高顺向性，借以改善刚性与弯曲强度，则应提高充填速率。

塑胶压力

模穴压力增加会提升压缩应力及其区域厚度、同时降低拉伸应力及其区域厚度，模穴压力会与射出压力及保压压力有关。

• 射出压力：高射出压力在充填过程对塑胶会产生较大的剪切作用，因而导致较高程度的分子链排向及应力，因此射出压力不宜过高；

• 保压压力：保压阶段熔胶温度降低时，其黏度瞬间拉高，此时若施加高保压将强迫分子链排向，造成浇口附近出现严重的排向应力，因此保压压力对残留应力的影响大于射出压力。

图1：塑胶高分子链排向与充填速率关系

除压力大小，保压时间长短也需一并考虑，时间拉长会增强熔胶的剪切作用，更多具有排向应力的分子链结构会被冻结，导致较大的弹性变形，所以塑件的残留应力会随保压时间延长和补料量增加而显著增大。

由于保压阶段模穴内部已近乎充满塑胶，应控制射出压力并适当调整保压压力与保压时间，使开模时模内的残留压力接近于大气压力，以避免产生更大的脱模残留应力。

充填与保压参数设定考量

• 充填速度：依充填部位分为多段设定，其中为消除浇口喷流痕考量，第二段通过浇口时将射速放慢，待熔胶进入浇口后再提速充饱部品；而末两段射速缓降，是为了防止毛边与稳定切换保压前的射出压力；

• 保压压力：一般设定两段保压，分别考量尺寸精度与应力消除；然而若第一段设定值与V/P切换瞬间的压力差异过大时，有可能产生缩水或毛边现象。

图2：充填速度与保压压力设定参考

结果与讨论

总的来说，塑件残留应力是受到射出成型条件的综合影响，其中温度的作用较大：

• 模温对残留应力影响较大，较高模温残留应力较低；

• 料温对残留应力影响较小。

塑胶加工特性也会影响残留应力大小：

• 热传系数较高或热传导性较佳，则残留应力较小；

• 热膨胀系数或弹性模数较高，则残留应力较小。

因此，可调整成型参数来降低残留应力：

• 提高料管温度；

• 提高模温；

• 降低制品冷却速度；

• 提高射出速度；

• 降低射出压力；

• 缩短射出充填时间。

除了成型条件，在产品设计与浇注系统应注意：

产品肉厚

• 肉厚尺寸对残留应力影响甚巨，厚度差异越小则应力越低；

• 薄件成品冷却固化较快有较高的残留应力。

浇口尺寸

• 浇口尺寸过大将造成保压补料时间较长，并在熔胶降温过程中冻结更多的排向应力；

• 保压时间越长，其后熔胶越冷，会造成浇口附近较严重的应力残存；

• 适当缩小浇口尺寸以缩短保压填料时间，降低浇口封口时的模内压力；

• 然而若浇口尺寸过小，将导致充填时间过长，熔胶温差大，且容易造成充填缺料。

浇口位置

• 浇口位置决定熔胶的流场、流动距离与流动方向，设计在肉厚区域可降低射出压力、保压压力及保压时间，有利降低残留应力；

• 若于肉薄区域进胶，需适当增加浇口入口处厚度以降低浇口附近应力。

流道设计

• 为降低熔胶流动时的压损与温降，流道会建议设计成短而粗的形式，以降低射出压力与减缓冷却速率，从而降低应力。

在冷却水路及顶出系统应注意：

• 冷却水路：设计目标为使产品可以缓慢地均匀冷却。

• 顶出系统：浇口需设计适当的脱模角度与顶针位置，模芯需要较高的抛光度与设计较大的顶出面积，防止强制脱模产生脱模干涉应力。