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          塑膠注塑成型收縮與翹曲該如何解決?

          發布日期:2019-04-28 作者: 點擊:

          塑膠注塑成型收縮與翹曲該如何解決?

          塑料射出成形先天上就會發生收縮,因為從制程溫度降到室溫,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于塑件結構的強度,塑件就會于脫模后翹曲,或是受外力而產生破裂。

          【一】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。假如殘留應力高過于塑件的結構強度,塑件可能在射出時翹曲,或者稍后承受負荷而破裂。

          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。對于添加纖維的材料而言,提升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。 

          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于熔點溫度呈現任意卷曲的平衡狀態。于成形程中,高分子被剪切與拉伸,分子鏈沿著流動方向配向。假如分子鏈在完全松弛平衡之前就凝固,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,其于流動方向和垂直于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1所示。假如將此塑件存放于高溫環境下,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。

          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。 

          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: 

          塑料從設定的制程溫度下降到室溫,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。 

          由于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。 

          塑料于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,局部的熱收縮受限于已經凝固的表層,導致中心層為拉伸應力,表層為壓縮應力的典型應力分布。

          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布的拉伸應力與壓縮應力造成彎曲力矩,使塑件產生翹曲。

          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。復雜的塑件由于肉厚不均勻、模具冷卻不均勻、模具對于自由收縮的限制等因素,使得熱效應引發之殘留應力的分布變得更復雜。

          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。

          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。 

          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布曲線。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,之后,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,其它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,以及各層于最終凝固時的比容,并且以實心圓點標記。

          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,造成折衷的收縮分布,中間層受壓縮,而外層與中心層則受拉伸。 

          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。

          制程引發殘留應力與模穴殘留應力 

          就射出成形之模擬而言,制程所引發(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,并提供一個范例以說明它們的差異。 

          塑件頂出以后,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制程引發的殘留應力,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于頂出后發生收縮和翹曲。 

          左上圖是成形塑件于頂出前,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,解除了模具對于塑件的拘束,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6左下圖。在無外力作用下,塑件剖面的拉伸應力等于壓縮應力而達到平衡狀態。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。

          模穴殘留應力分布曲線及,制程引發殘留應力分布 

          曲線和頂出后的塑件形狀。

          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。 

          【二】收縮 

          射出成形塑件從制程溫度降到室溫,體積收縮率(shrinkage)可以高達 20%。當結晶材料和半結晶材料冷卻到玻璃轉移溫度以下,分子呈現比較規則的方式排列,并形成結晶,特別容易產生熱收縮;

          不定形材料于相變化時并沒有微結構變化,熱收縮比較小。所以結晶材料和半結晶材料在熔融相和固相(結晶)之間的比容差異比不定形材料的比容差異大,如圖7所示。此外冷卻速率也會影響結晶材料與半結晶材料的PvT行為。

          不定形與結晶性聚合物之PvT曲線。從制程狀態(A點)到常壓室溫狀態造成比容變化△υ。注意:當壓力升高時,比容減小。 

          塑件產生過量收縮的原因包括射出壓力太低、保壓時間不足或冷卻時間不足、熔膠溫度太高、模具溫度太高、保壓壓力太低,而收縮量與制程參數、肉厚的關系說明圖8: 

          射出成形時,假如沒有補償塑件的體積收縮量,會導致塑件表面凹陷或是內部的氣孔,所以設計模具時必須考慮到塑件收縮問題,塑件收縮率的控制對于塑件設計、模具設計、制程條件設定非常重要,組合的塑件更是如此。

          緊接在充填模穴后進行保壓,可以減少/消除凹痕和氣孔,以確定塑件尺寸。模流分析軟件可以預測塑件的收縮,提供正確設計模具的指導方針。影響塑件收縮的制程與設計參數 

          【三】翹曲 

          翹曲(warpage)是塑件未按照設計的形狀成形,卻發生表面的扭曲,塑件翹曲導因于成形塑件的不均勻收縮。假如整個塑件有均勻的收縮率,塑件變形就不會翹曲,而僅僅會縮小尺寸;然而,由于分子鏈/纖維配向性、模具冷卻、塑件設計、模具設計及成形條件等諸多因素的交互影響,要能達到低收縮

          或均勻收縮是一件非常復雜的工作。 

          塑件因收縮不均而產生翹曲,收縮率變化的原因包括: 

          塑件內部溫度不均勻。

          塑件凝固時,沿著肉厚方向的壓力差異和冷卻速率差異。 

          塑件尚未完全冷卻就頂出,或是頂出銷變形,倒勾太深,頂出方式不當,脫模斜度不當等因素都可能造成塑件翹曲。 

          塑件肉厚變化導致冷卻速率的差異。

          塑件具有彎曲或不對稱的幾何形狀。 

          塑件材料有、無添加填充料的差異。

          流動方向和垂直于流動方向之分子鏈/纖維配向性差異,造成不同的收縮率。 

          保壓壓力的差異(例如澆口處過度保壓,遠離澆口處卻保壓不足)。 

            塑件材料添加填充料與否,會造成收縮的差異。當塑件具有收縮差異,其肉厚方向與流動方向產生不等向收縮,造成的內應力可能使塑件翹曲。由于強化纖維使塑件的熱收縮便小和模數變大,所以添加纖維的熱塑性塑料可以抑制收縮,它沿著添加纖維的排列方向(通常是流動方向)之收縮比橫向之收縮小。同樣地,添加粒狀填充物的熱塑性塑料比無添加物的塑料之收縮率小很多。

          另一方面,假如無添加填充材料的塑件具有高度的分子鏈配向性,則為非等向性之收縮,它在分子鏈排列方向有比較大的收縮率。液晶聚合物具有緊密規則排列的自我強化結構,其收縮傾向于非等向性。 

          塑件添加填充料與否,造成不同方向的收縮率差異。 

          不均勻冷卻以及塑件在公模、母模之間肉厚方向的不對稱冷卻都會導致收縮差異。

          材料從模壁到中心層發生不均一的冷卻與收縮,結果會在頂出以后造成翹曲。

          塑件材料有、無添加填充料的差異。

          流動方向和垂直于流動方向之分子鏈/纖維配向性差異,造成不同的收縮率。 

          保壓壓力的差異(例如澆口處過度保壓,遠離澆口處卻保壓不足)。 

            塑件材料添加填充料與否,會造成收縮的差異。當塑件具有收縮差異,其肉厚方向與流動方向產生不等向收縮,造成的內應力可能使塑件翹曲。由于強化纖維使塑件的熱收縮便小和模數變大,所以添加纖維的熱塑性塑料可以抑制收縮,它沿著添加纖維的排列方向(通常是流動方向)之收縮比橫向之收縮小。同樣地,添加粒狀填充物的熱塑性塑料比無添加物的塑料之收縮率小很多。

          另一方面,假如無添加填充材料的塑件具有高度的分子鏈配向性,則為非等向性之收縮,它在分子鏈排列方向有比較大的收縮率。液晶聚合物具有緊密規則排列的自我強化結構,其收縮傾向于非等向性。 

          塑件添加填充料與否,造成不同方向的收縮率差異。 

          不均勻冷卻以及塑件在公模、母模之間肉厚方向的不對稱冷卻都會導致收縮差異。

          材料從模壁到中心層發生不均一的冷卻與收縮,結果會在頂出以后造成翹曲。

          塑件之收縮量隨著肉厚增加而增加。不均勻肉厚所造成的收縮差異是無添加強化填充材料之熱塑性塑料塑件發生翹曲的主要原因。更具體地說,塑件剖面肉厚的變化通常造成冷卻速率差異與結晶度差異,結果就造成收縮差異與塑件翹曲,

          低冷卻速率區域的高度結晶使塑件產生較大的收縮量,不對稱的幾何形狀會導致冷卻不均勻和收縮差異,造成塑件翹曲,在平板件的一側加設一排補強肋即為不對稱的幾何形狀。 

          塑件帶肋一側冷卻較差,導致翹曲。 

          殘留應力也會造成翹曲,加長成形品在模具內的冷卻時間可以改善此類翹曲。不均勻的冷卻也會造成翹曲。頂出時成形品溫度太高,頂針使成形品翹曲。

          另外,當熱的成形品掉入集料箱也會造成翹曲。 塑件溫度分布不均勻會造成塑件翹曲。造型復雜的組件也會造成不均勻的冷卻,尤其沒設置冷卻系統的模具更是如此。 

          【四】收縮與翹曲的設計規則 

          藉由適當的塑件設計、模具設計、成形條件及選擇材料,可以減少或控制收縮與翹曲。以下的設計規則所考慮因素可以協助開發低收縮率與無翹曲的塑件。 

          (1) 肉厚避免不均勻的肉厚,或是將肉厚變化區的變化長度設計為薄肉厚處肉厚的三倍,

          (2) 平衡充填 

          應盡量設計出能夠以固定熔膠波前速度產生平衡充填模式的熔膠傳送系統。 

          (3) 保壓壓力 

          雖然高保壓壓力有助于減少收縮,卻可能增加塑件的殘留應力和射出成形機的鎖模力。

          更好的設計是使用適當的保壓壓力和充足的保壓時間,并且在澆口凝固后就解除保壓壓力。而且,采用的保壓壓力必須能夠傳送額外塑料,以補償塑件之體積收縮。 

          (4) 冷卻系統設計冷卻系統,使整個塑件和塑件剖面方向都具有均勻且平衡的冷卻效應。 

          (5) 殘留應力 

          增加熔膠溫度、模壁溫度、充填時間、和模穴厚度,或是縮減保壓壓力和流動長度等,都有助于降低殘留應力與分子鏈/纖維配向性。

           貴州永豐塑膠有限公司

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