塑膠（jiāo）注塑成型收縮與翹曲該如何解決？

塑（sù）料射出成形先天上就會發生收縮（suō），因為從製程溫度降到（dào）室溫，會（huì）造（zào）成聚合物的密度變化，造成收縮。整個塑件和剖（pōu）麵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（rú）殘留應力高於塑件結構的（de）強度，塑件就（jiù）會於脫模後翹（qiào）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（yǐn）發(flow-induced)或者熱效應所（suǒ）引發(thermal-induced)，而且凍結在塑件內的應（yīng）力。假如（rú）殘留應力高過於塑件的結構（gòu）強度，塑件可（kě）能（néng）在（zài）射出時翹曲，或（huò）者稍後承受負荷（hé）而破裂。

殘留應力是塑件（jiàn）收縮和翹曲的（de）主（zhǔ）因，可（kě）以減（jiǎn）低充填模（mó）穴造（zào）成之剪應力的良好（hǎo）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（jun1）勻的冷卻可以降低熱（rè）效應引發的殘留應力（lì）。對於（yú）添加纖維的材料而言，提升（shēng）均勻機械性質的成（chéng）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（liú）應力 

在無應力下，長鏈高分子（zǐ）聚合物處在高於熔點溫度呈現（xiàn）任意卷曲的平衡狀態。於成形程中，高分子被（bèi）剪切與拉伸，分子（zǐ）鏈沿著流動方向配向。假如分子鏈在完全鬆弛平衡（héng）之前就（jiù）凝固，分子鏈配向性就凍結在（zài）塑件內，這種應力凍結狀態（tài）稱為流動引發的殘留應力（lì），其於流動方向和垂直於流動方向會造（zào）成不均（jun1）勻的（de）機械性質和（hé）收縮（suō）。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（gè）次方。 

塑件在接近模壁部份因為承受高剪應力和高（gāo）冷卻速率的交互作（zuò）用，其表麵的高配向（xiàng）性會立即凍結，如圖（tú）1所示（shì）。假如將此塑件存放（fàng）於高溫環境下，塑件將會釋放部份應力，導（dǎo）致.的收縮與翹曲。

凝固（gù）層的隔熱效應使聚合物中心層維持較高（gāo）溫度，能夠釋放較多應力，所以中心層分子鏈具（jù）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（lì），包括（kuò）有： 

高熔（róng）膠溫度。

高（gāo）模壁溫度。

長充填時間（低熔膠速度（dù））。

降低保壓壓力。

短流（liú）動路徑。

充填與保壓（yā）階段所（suǒ）凍結的分子鏈配向性，導（dǎo）致流動（dòng）引發之殘（cán）留應力。 

(1) 表示高冷卻率、高剪應力（lì）或高配向性；

(2)表示低冷卻（què）率、低剪應力或（huò）低配向性。 

2，熱效應（yīng）引（yǐn）發之殘留應力 

熱（rè）效應引發殘留應力的原因包括下列： 

塑料從（cóng）設定的製程（chéng）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曆了不同的熱力曆程和機械曆（lì）程，例如不同的冷卻（què）時間和不同的保壓壓力等。 

由於密（mì）度和機械性質變化導致壓力、溫度、分子鏈配向性和纖維（wéi）配向性的改變。 

模具的設（shè）計限製（zhì）了塑件在某些方向的收縮。 

塑料於射出成（chéng）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（lěng）卻的初期，塑件表層冷卻而開始（shǐ）收縮時（shí），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（jiàn）中心（xīn）溫度下降時，局（jú）部的熱收縮受限（xiàn）於（yú）已經凝固的表層（céng），導致中心層為拉伸應力，表層為壓縮應力的典型（xíng）應力分布。

塑件從（cóng）表層到中心的冷（lěng）卻（què）速率差異會引發熱效應之（zhī）殘留（liú）應力。更（gèng）有（yǒu）甚者（zhě），假如模具兩側模壁的冷卻速率不同，還會引發（fā）不對稱的熱效應殘留應力，在塑件剖麵不（bú）對稱分布（bù）的拉伸應力與壓縮應力造（zào）成彎曲力矩，使塑（sù）件產生（shēng）翹曲。

肉厚不（bú）均勻的塑（sù）件和冷（lěng）卻效果（guǒ）差的區（qū）域都（dōu）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（mó）具對於自由收縮的限製等因素，使得熱效應（yīng）引發之殘留應力的分布變得更複雜。

塑件冷卻不均勻和塑料溫（wēn）度曆程的（de）作用，導致熱效應引（yǐn）發之殘留（liú）應力。

塑件剖麵方向（xiàng）不（bú）均勻的冷卻，造成不對稱熱效應引（yǐn）發（fā）之殘留應力，使塑件翹（qiào）曲。 

說明了保壓之壓（yā）力曆程所造成（chéng）的凝固層比容變（biàn）化。其中，左圖是塑件一個剖（pōu）麵（miàn）的溫度分布曲線。為了方便說（shuō）明，將塑件沿著肉厚方向分為8層，曲（qǔ）線上顯示著各層的凝固時間為t1~t8。

注意，塑件從（cóng）最外層開始凝固，越往中心層則需要越長的（de）凝固時間。 

中間的圖形顯示各層固化（huà）的典型壓（yā）力曆程分別為P1~P8。充填階段（duàn）的壓力通常逐漸（jiàn）上（shàng）升（shēng），在（zài）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（jiàn）下降。結果，塑件（jiàn）表層與中心層在低（dī）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（zài）PvT圖上的比容曆程，以及各層於最終凝固時的比（bǐ）容，並且以實心圓點標記。

已知各層的凝固（gù）比容，塑（sù）件各層收縮行為會根據PvT曲（qǔ）線發生不同的收（shōu）縮。假設各層是分隔開如圖5，結果就收縮到中間圖形（xíng）的情形，2、5、6、7等中間層因為凝固比容低(或是凝固密（mì）度高)而收縮得較少（shǎo）。而實（shí）際上，各層是連（lián）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（shēn）。 

各凝固層的比容差異相互作用，導致不（bú）同的殘留應力（lì）和塑件變（biàn）形。

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（yǐn）發(process-induces)殘留應力比模穴(in-cavity)殘留應力（lì）更重要，以下介紹這兩個名詞的定義，並提供（gòng）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（de）拘束被釋放開，塑（sù）件可以自由地收縮與變（biàn）形，直到平衡狀態。

此時塑件內尚存的（de）應力就是製程引發的殘留應力，或者（zhě）簡稱為殘（cán）留應力，它包括了流（liú）動引發的殘留應力和熱（rè）效（xiào）應引發的殘留應力，而以熱效應的影響為主。 

當塑件仍然受（shòu）到模（mó）穴拘束時，塑件凝固所（suǒ）貯積的內應力（lì）稱為模穴殘留應力，此殘留應力會驅使塑件於頂出後發（fā）生收縮和翹曲。 

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

一旦（dàn）頂（dǐng）出，解除了模具對於塑件的（de）拘束，塑件將釋（shì）放模穴殘留應力而收縮和翹曲（qǔ）。頂（dǐng）出（chū）塑件之收縮分布所造成的（de）熱效應殘留應力分（fèn）布曲線如圖（tú）6左下圖。在無外力作用下，塑件剖麵的拉伸應力（lì）等於壓縮應力而達到平衡狀態（tài）。塑件肉厚承受不均勻的冷卻，造成不（bú）對稱的殘留應力而（ér）發生翹曲。

模穴殘留應力分布曲線及，製（zhì）程引發（fā）殘（cán）留（liú）應（yīng）力（lì）分布 

曲（qǔ）線和頂出後的塑件形（xíng）狀。

能夠造成充（chōng）分保壓和均勻模壁溫度的條（tiáo）件，就可以降低熱效應引發的（de）殘留應力，這些條件包括： 

適當的保壓壓力和保壓時間。

塑件（jiàn）的所有表（biǎo）麵都有均勻的冷卻。

塑件有均勻的剖麵肉厚。 

【二】收縮 

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

不定形材料於相變化時並沒（méi）有微（wēi）結構（gòu）變化，熱收縮（suō）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（de）比容差異大，如圖7所（suǒ）示。此外冷卻速率（lǜ）也會影響結晶材料與半結晶材料的PvT行為（wéi）。

不定（dìng）形與結晶（jīng）性聚合物之PvT曲線。從製程狀態（tài）(A點（diǎn）)到常壓室溫狀態（tài）造成（chéng）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（róng）膠溫度太高、模具溫度太高、保壓壓（yā）力太低，而收縮量與製程參（cān）數、肉厚的關係說明圖8： 

射出成形時，假如（rú）沒有補償塑件的體積（jī）收縮（suō）量，會導致塑件表麵凹陷或是（shì）內部的氣孔，所以設計模具時（shí）必須考慮到塑件收縮問題，塑件收（shōu）縮率的控（kòng）製對於塑件設計、模具設計、製程條件設定非（fēi）常重要，組（zǔ）合的塑件更是（shì）如此。

緊接在充填模穴（xué）後進行保壓，可以（yǐ）減少／消除凹痕和（hé）氣孔，以確定塑件尺（chǐ）寸。模流分析軟件可（kě）以預測塑件的收縮（suō），提供正確設計模具的指導方針。

影響（xiǎng）塑件收縮的製程與設計參數 

【三（sān）】翹曲 

翹曲(warpage)是（shì）塑件未按照設計的形狀成（chéng）形，卻發生表麵的扭曲，塑件翹曲導因於成形（xíng）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（chǐ）寸（cùn）；然而，由於分子鏈／纖維配向性、模具冷卻、塑件設計、模具設計及成形條件（jiàn）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複（fù）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（kuò）： 

塑件內（nèi）部溫度不均勻。

塑件凝固時，沿著肉厚方向的壓力差異和（hé）冷卻速率差異。 

塑件尚未完全冷卻就頂出，或是頂出銷變（biàn）形（xíng），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（de）幾何形狀。 

塑件材料有（yǒu）、無添加填充料的差異。

流動方向和垂直（zhí）於流動方（fāng）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（lì）如（rú）澆口處過度保壓，遠離澆口處卻保壓不足）。 

  塑件材（cái）料添（tiān）加填充料（liào）與（yǔ）否，會造成收縮的差異。當塑件具有收縮差異（yì），其肉厚方向與流（liú）動方向產生不等向收（shōu）縮，造成的內應力可（kě）能使塑件翹曲。由於強化纖維（wéi）使塑件的熱收縮便（biàn）小和模數變大，所以添加纖維的熱塑性（xìng）塑料可以抑製收縮，它沿著添（tiān）加纖維的排列方向（通常是流動（dòng）方向）之收縮比橫向之收（shōu）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。

另一方麵，假如無添加填充材料（liào）的塑件具有高度的分子鏈配向性，則為（wéi）非等向性之（zhī）收（shōu）縮，它在分子鏈排列方向有（yǒu）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，其收縮傾向於非等向性。 

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（jiàn）在公模、母模之（zhī）間肉厚方向的不對稱（chēng）冷卻都會導致收縮差異（yì）。

材料從模壁到中心層發生不均一的冷卻與收縮，結果會在頂出以後造成翹曲。

塑件之收縮量隨（suí）著肉厚增加而增加。不均勻肉厚所造成的收縮（suō）差異是無添加強化填充材（cái）料之熱塑性塑料塑（sù）件發生翹曲的主要原因。更（gèng）具體地說，塑（sù）件剖麵肉厚的變化通常造（zào）成冷卻速率差異與結晶度差異（yì），結果就造成收縮差異與塑（sù）件（jiàn）翹曲，如圖11所示。 

低冷卻速率區（qū）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（què）不均勻和收縮（suō）差異，造成塑（sù）件翹曲，在平板（bǎn）件的一（yī）側加設一（yī）排補強肋即為不對稱的幾何（hé）形狀。 

塑件帶肋一側（cè）冷卻（què）較差，導致翹曲。 

殘留應力（lì）也會造成翹曲，加長成形品在模（mó）具（jù）內的冷（lěng）卻時間可以改善此類翹曲。不均勻的（de）冷卻也會造成翹曲。頂出時成形（xíng）品溫度太（tài）高，頂針使成形品翹曲。

另外（wài），當熱的成（chéng）形品掉入集料箱也會造成翹曲。 塑件溫度分布不均勻（yún）會造成塑件（jiàn）翹曲。造型複雜的組件也會（huì）造成不（bú）均勻的冷卻，尤其沒設（shè）置冷卻係統的模具更是如此。 

【四】收縮與翹（qiào）曲的設計規則 

藉由適當的塑件設計（jì）、模具設計（jì）、成形條件及選擇材料，可以減（jiǎn）少或（huò）控製收縮與翹曲。以下的設計規則所考慮因素可以協助開發低收縮率（lǜ）與無翹曲的塑件。 

(1) 肉厚避免不均勻（yún）的肉厚，或是將肉（ròu）厚變化（huà）區的變化長度設計為薄肉厚處肉厚的（de）三倍，如圖（tú）13所示。 

(2) 平衡充填 

應盡（jìn）量設計出能夠以（yǐ）固定（dìng）熔膠波前（qián）速度（dù）產生平衡充填模式的熔膠傳送係統。 

(3) 保壓壓力 

雖然高保壓壓力有助於減少收縮，卻可能增加（jiā）塑件的殘（cán）留應力和射出成形機的鎖模力。

更好的設計是使用適當的（de）保（bǎo）壓壓力和（hé）充足的保壓（yā）時間，並且在澆口凝固後就解除保壓壓力。而且，采用的保壓壓力必須能夠傳送（sòng）額外塑料，以（yǐ）補償塑件之（zhī）體積收縮。 

(4) 冷（lěng）卻（què）係統設計冷卻係統，使整個塑件和塑件剖（pōu）麵方向（xiàng）都具有均勻且平衡的冷卻效應。 

(5) 殘留（liú）應力 

增加熔膠溫度、模壁溫度、充填時間、和模（mó）穴厚度，或是縮減保壓壓力和流動長度等（děng），都有助於降（jiàng）低殘留應（yīng）力與分子鏈／纖維配向性。

（本文內容來源（yuán）於網絡，若有侵權請聯係刪除）