海天注塑机
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注塑机知识

收缩与翘曲该如何解决?看这一篇就够了!(上)

发布时间:2016-12-26 09:16:00 点击:
海天注塑机: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。 


1-1   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.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。 


1-2   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。

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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。

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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。 


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。

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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。 


2、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;


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。

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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。

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图8  影响塑件收缩的制程与设计参数 



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