第七章 收缩与翘曲之一

第七章收縮與翹曲
塑膠射出成形先天上就會發生收縮，因為從製程溫度降到室溫，會造成聚合物的密度變化，造成收縮。

整個塑件和剖面的收縮差異會造成內部殘留應力，其效應與外力完全相同。

在射出成形時假如殘留應力高於塑件結構的強度，塑件就會於脫模後翹曲，或是受外力而產生破裂。

7-1 殘留應力
殘留應力(residual stress)是塑件成形時，熔膠流動所引發(flow-induced)或者熱效應所引發(thermal-induced)，而且凍結在塑件內的應力。

假如殘留應力高過於塑件的結構強度，塑件可能在射出時翹曲，或者稍後承受負荷而破裂。

殘留應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力的良好成形條件與設計，可以降低熔膠流動所引發的殘留應力。

同樣地，充足的保壓和均勻的冷卻可以降低熱效應引發的殘留應力。

對於添加纖維的材料而言，提昇均勻機械性質的成形條件可以降低熱效應所引發的殘留應力。

7-1-1 熔膠流動引發的殘留應力
在無應力下，長鏈高分子聚合物處在高於熔點溫度呈現任意捲曲的平衡狀態。

於成形程中，高分子被剪切與拉伸，分子鏈沿著流動方向配向。

假如分子鏈在完全鬆弛平衡之前就凝固，分子鏈配向性就凍結在塑件內，這種應力凍結狀態稱為流動引發的殘留應力，其於流動方向和垂直於流動方向會造成不均勻的機械性質和收縮。

一般而言，流動引發的殘留應力比熱效應引發的殘留應力小一個次方。

塑件在接近模壁部份因為承受高剪應力和高冷卻速率的交互作用，其表面的高配向性會立即凍結，如圖7-1所示。

假如將此塑件存放於高溫環境下，塑件將會釋放部份應力，導致.的收縮與翹曲。

凝固層的隔熱效應使聚合物中心層維持較高溫度，能夠釋放較多應力，所以中心層分子鏈具有較低的配向性。

可以降低熔膠剪應力的成形條件也會降低因流動引發的殘留應力，包括有：
•高熔膠溫度。

•高模壁溫度。

•長充填時間（低熔膠速度）。

•降低保壓壓力。

•短流動路徑。

圖7-1 充填與保壓階段所凍結的分子鏈配向性，導致流動引發之殘留應力。

(1)表示高冷卻率、高剪應力或高配向性；
(2)表示低冷卻率、低剪應力或低配向性。

7-1-2 熱效應引發之殘留應力
熱效應引發殘留應力的原因包括下列：
•塑料從設定的製程溫度下降到室溫，造成收縮。

•塑料凝固時，塑件從表層到中心層經歷了不同的熱力歷程和機械歷程，例如不同的冷卻時間和不同的保壓壓力等。

•由於密度和機械性質變化導致壓力、溫度、分子鏈配向性和纖維配向性的改變。

•模具的設計限制了塑件在某些方向的收縮。

塑料於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的冷模壁夾住，在冷卻的初期，塑件表層冷卻而開始收縮時，塑件內部的聚合物仍然呈高溫熔融狀態而可以自由收縮。

然而，當塑件中心溫度下降時，
局部的熱收縮受限於已經凝固的表層，導致中心層為拉伸應力，表層為壓縮應力的典型應力分佈，如圖7-2所示。

塑件從表層到中心的冷卻速率差異會引發熱效應之殘留應力。

更有甚者，假如模具兩側模壁的冷卻速率不同，還會引發不對稱的熱效應殘留應力，在塑件剖面不對稱分佈的拉伸應力與壓縮應力造成彎曲力矩，使塑件產生翹曲，如圖7-3的說明。

肉厚不均勻的塑件和冷卻效果差的區域都會造成這種不平衡冷卻，而導致殘留應力。

複雜的塑件由於肉厚不均勻、模具冷卻不均勻、模具對於自由收縮的限制等因素，使得熱效應引發之殘留應力的分佈變得更複雜。

圖7-2 塑件冷卻不均勻和塑料溫度歷程的作用，導致熱效應引發之殘留應力。

圖7-3 塑件剖面方向不均勻的冷卻，造成不對稱熱效應引發
之殘留應力，使塑件翹曲。

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，左圖是塑件一個剖面的溫度分佈曲線。

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間。

中間的圖形顯示各層固化的典型壓力歷程分別為P1~P8。

充填階段的壓力通常逐漸上升，在保壓初期達到最高壓力，之後，因為冷卻與澆口固化，壓力逐漸下降。

結果，塑件表層與中心層在低壓時凝固，其他的中間各層在高保壓壓力時凝固。

右圖說明了第5層在PvT圖上的比容歷程，以及各層於最終凝固時的比容，並且以實心圓點標記。

圖7-4 影響凝固層比容的因子
已知各層的凝固比容，塑件各層收縮行為會根據PvT曲線發生不同的收縮。

假設各層是分隔開如圖7-5，結果就收縮到中間圖形的情形，2、5、6、7等中間層因為凝固比容低(或是凝固密度高)而收縮得較少。

而實際上，各層是連接在一起，造成折衷的收縮分佈，中間層受壓縮，而外層與中心層則受拉伸。

圖7-5 各凝固層的比容差異相互作用，導致不同的殘留應力和塑件變形。

7-1-3 製程引發殘留應力與模穴殘留應力
就射出成形之模擬而言，製程所引發(process-induces)殘留應力比模穴(in-cavity)殘留應力更重要，以下介紹這兩個名詞的定義，並提供一個範例以說明它們的差異。

塑件頂出以後，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。

此時塑件內尚存的應力就是製程引發的殘留應力，或者簡稱為殘留應力，它包括了流動引發的殘留應力和熱效應引發的殘留應力，而以熱效應的影響為主。

當塑件仍然受到模穴拘束時，塑件凝固所貯積的內應力稱為模穴殘留應力，此殘留應力會驅使塑件於頂出後發生收縮和翹曲。

圖7-6左上圖是成形塑件於頂出前，仍受到模具拘束的模穴殘留應力（通常是圖中顯示的拉伸應力）。

一旦頂出，解除了模具對於塑件的拘束，塑件將釋放模穴殘留應力而收縮和翹曲。

頂出塑件之收縮分布所造成的熱效應殘留應力分布曲線如圖7-6左下圖。

在無外力作用下，塑件剖面的拉伸應力等於壓縮應力而達到平衡狀態。

圖7-6右下圖表示塑件肉厚承受不均勻的冷卻，造成不對稱的殘留應力而發生翹曲。

圖7-6 （上）模穴殘留應力分佈曲線及（下）製程引發殘留應力分佈
曲線和頂出後的塑件形狀。

能夠造成充分保壓和均勻模壁溫度的條件，就可以降低熱效應引發的殘留應力，這些條件包括：
•適當的保壓壓力和保壓時間。

•塑件的所有表面都有均勻的冷卻。

•塑件有均勻的剖面肉厚。