塑料射出成形先天上就會(huì)發(fā)生收縮，因?yàn)閺闹瞥虦囟冉档绞覝兀瑫?huì)造成聚合物得密度變化，造成收縮。整個(gè)塑件和剖面得收縮差異會(huì)造成內(nèi)部殘留應(yīng)力，其效應(yīng)與外力完全相同。在射出成形時(shí)假如殘留應(yīng)力高于塑件結(jié)構(gòu)得強(qiáng)度，塑件就會(huì)于脫模后翹曲，或是受外力而產(chǎn)生破裂。
【一】殘留應(yīng)力
殘留應(yīng)力(residual stress)是塑件成形時(shí)，熔膠流動(dòng)所引發(fā)(flow-induced)或者熱效應(yīng)所引發(fā)(thermal-induced)，而且凍結(jié)在塑件內(nèi)得應(yīng)力。假如殘留應(yīng)力高過(guò)于塑件得結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，塑件可能在射出時(shí)翹曲，或者稍后承受負(fù)荷而破裂。
殘留應(yīng)力是塑件收縮和翹曲得主因，可以減低充填模穴造成之剪應(yīng)力得良好成形條件與設(shè)計(jì)，可以降低熔膠流動(dòng)所引發(fā)得殘留應(yīng)力。同樣地，充足得保壓和均勻得冷卻可以降低熱效應(yīng)引發(fā)得殘留應(yīng)力。對(duì)于添加纖維得材料而言，提升均勻機(jī)械性質(zhì)得成形條件可以降低熱效應(yīng)所引發(fā)得殘留應(yīng)力。
1， 熔膠流動(dòng)引發(fā)得殘留應(yīng)力
在無(wú)應(yīng)力下，長(zhǎng)鏈高分子聚合物處在高于熔點(diǎn)溫度呈現(xiàn)任意卷曲得平衡狀態(tài)。于成形程中，高分子被剪切與拉伸，分子鏈沿著流動(dòng)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(jié)在塑件內(nèi)，這種應(yīng)力凍結(jié)狀態(tài)稱為流動(dòng)引發(fā)得殘留應(yīng)力，其于流動(dòng)方向和垂直于流動(dòng)方向會(huì)造成不均勻得機(jī)械性質(zhì)和收縮。一般而言，流動(dòng)引發(fā)得殘留應(yīng)力比熱效應(yīng)引發(fā)得殘留應(yīng)力小一個(gè)次方。
塑件在接近模壁部份因?yàn)槌惺芨呒魬?yīng)力和高冷卻速率得交互作用，其表面得高配向性會(huì)立即凍結(jié)，如圖1所示。假如將此塑件存放于高溫環(huán)境下，塑件將會(huì)釋放部分應(yīng)力，導(dǎo)致.得收縮與翹曲。
凝固層得隔熱效應(yīng)使聚合物中心層維持較高溫度，能夠釋放較多應(yīng)力，所以中心層分子鏈具有較低得配向性。 可以降低熔膠剪應(yīng)力得成形條件也會(huì)降低因流動(dòng)引發(fā)得殘留應(yīng)力，包括有：
圖1 充填與保壓階段所凍結(jié)得分子鏈配向性，導(dǎo)致流動(dòng)引發(fā)之殘留應(yīng)力。
(1) 表示高冷卻率、高剪應(yīng)力或高配向性；
(2)表示低冷卻率、低剪應(yīng)力或低配向性。
2，熱效應(yīng)引發(fā)之殘留應(yīng)力
塑料于射出成形得收縮可以用自由冷卻得例子說(shuō)明。假如溫度均勻得塑件突然被兩側(cè)得冷模壁夾住，在冷卻得初期，塑件表層冷卻而開(kāi)始收縮時(shí)，塑件內(nèi)部得聚合物仍然呈高溫熔融狀態(tài)而可以自由收縮。然而，當(dāng)塑件中心溫度下降時(shí)，局部得熱收縮受限于已經(jīng)凝固得表層，導(dǎo)致中心層為拉伸應(yīng)力，表層為壓縮應(yīng)力得典型應(yīng)力分布，如圖2所示。
塑件從表層到中心得冷卻速率差異會(huì)引發(fā)熱效應(yīng)之殘留應(yīng)力。更有甚者，假如模具兩側(cè)模壁得冷卻速率不同，還會(huì)引發(fā)不對(duì)稱得熱效應(yīng)殘留應(yīng)力，在塑件剖面不對(duì)稱分布得拉伸應(yīng)力與壓縮應(yīng)力造成彎曲力矩，使塑件產(chǎn)生翹曲，如圖 3得說(shuō)明。
肉厚不均勻得塑件和冷卻效果差得區(qū)域都會(huì)造成這種不平衡冷卻，而導(dǎo)致殘留應(yīng)力。復(fù)雜得塑件由于肉厚不均勻、模具冷卻不均勻、模具對(duì)于自由收縮得限制等因素，使得熱效應(yīng)引發(fā)之殘留應(yīng)力得分布變得更復(fù)雜。
圖2 塑件冷卻不均勻和塑料溫度歷程得作用，導(dǎo)致熱效應(yīng)引發(fā)之殘留應(yīng)力。
圖3 塑件剖面方向不均勻得冷卻，造成不對(duì)稱熱效應(yīng)引發(fā)之殘留應(yīng)力，使塑件翹曲。
圖4說(shuō)明了保壓之壓力歷程所造成得凝固層比容變化。其中，左圖是塑件一個(gè)剖面得溫度分布曲線。為了方便說(shuō)明，將塑件沿著肉厚方向分為8層，曲線上顯示著各層得凝固時(shí)間為t1~t8。
注意，塑件從最外層開(kāi)始凝固，越往中心層則需要越長(zhǎng)得凝固時(shí)間。
中間得圖形顯示各層固化得典型壓力歷程分別為P1~P8。充填階段得壓力通常逐漸上升，在保壓初期達(dá)到蕞高壓力，之后，因?yàn)槔鋮s與澆口固化，壓力逐漸下降。結(jié)果，塑件表層與中心層在低壓時(shí)凝固，其它得中間各層在高保壓壓力時(shí)凝固。右圖說(shuō)明了第5層在PvT圖上得比容歷程，以及各層于最終凝固時(shí)得比容，并且以實(shí)心圓點(diǎn)標(biāo)記。
已知各層得凝固比容，塑件各層收縮行為會(huì)根據(jù)PvT曲線發(fā)生不同得收縮。假設(shè)各層是分隔開(kāi)如圖5，結(jié)果就收縮到中間圖形得情形，2、5、6、7等中間層因?yàn)槟瘫热莸?或是凝固密度高)而收縮得較少。而實(shí)際上，各層是連接在一起，造成折衷得收縮分布，中間層受壓縮，而外層與中心層則受拉伸。
圖5 各凝固層得比容差異相互作用，導(dǎo)致不同得殘留應(yīng)力和塑件變形。
1-3 制程引發(fā)殘留應(yīng)力與模穴殘留應(yīng)力
就射出成形之模擬而言，制程所引發(fā)(process-induces)殘留應(yīng)力比模穴(in-cavity)殘留應(yīng)力更重要，以下介紹這兩個(gè)名詞得定義，并提供一個(gè)范例以說(shuō)明它們得差異。
塑件頂出以后，模穴施加在塑件得拘束被釋放開(kāi)，塑件可以自由地收縮與變形，直到平衡狀態(tài)。
此時(shí)塑件內(nèi)尚存得應(yīng)力就是制程引發(fā)得殘留應(yīng)力，或者簡(jiǎn)稱為殘留應(yīng)力，它包括了流動(dòng)引發(fā)得殘留應(yīng)力和熱效應(yīng)引發(fā)得殘留應(yīng)力，而以熱效應(yīng)得影響為主。
當(dāng)塑件仍然受到模穴拘束時(shí)，塑件凝固所貯積得內(nèi)應(yīng)力稱為模穴殘留應(yīng)力，此殘留應(yīng)力會(huì)驅(qū)使塑件于頂出后發(fā)生收縮和翹曲。
圖6左上圖是成形塑件于頂出前，仍受到模具拘束得模穴殘留應(yīng)力（通常是圖中顯示得拉伸應(yīng)力）。
一旦頂出，解除了模具對(duì)于塑件得拘束，塑件將釋放模穴殘留應(yīng)力而收縮和翹曲。頂出塑件之收縮分布所造成得熱效應(yīng)殘留應(yīng)力分布曲線如圖6左下圖。在無(wú)外力作用下，塑件剖面得拉伸應(yīng)力等于壓縮應(yīng)力而達(dá)到平衡狀態(tài)。圖6右下圖表示塑件肉厚承受不均勻得冷卻，造成不對(duì)稱得殘留應(yīng)力而發(fā)生翹曲。
圖6（上）模穴殘留應(yīng)力分布曲線及（下）制程引發(fā)殘留應(yīng)力分布
曲線和頂出后得塑件形狀。
能夠造成充分保壓和均勻模壁溫度得條件，就可以降低熱效應(yīng)引發(fā)得殘留應(yīng)力，這些條件包括：
【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(dá) 20％。當(dāng)結(jié)晶材料和半結(jié)晶材料冷卻到玻璃轉(zhuǎn)移溫度以下，分子呈現(xiàn)比較規(guī)則得方式排列，并形成結(jié)晶，特別容易產(chǎn)生熱收縮；
不定形材料于相變化時(shí)并沒(méi)有微結(jié)構(gòu)變化，熱收縮比較小。所以結(jié)晶材料和半結(jié)晶材料在熔融相和固相（結(jié)晶）之間得比容差異比不定形材料得比容差異大，如圖7所示。此外冷卻速率也會(huì)影響結(jié)晶材料與半結(jié)晶材料得PvT行為。
圖7 不定形與結(jié)晶性聚合物之PvT曲線。從制程狀態(tài)(A點(diǎn))到常壓室溫狀態(tài)造成比容變化△υ。注意：當(dāng)壓力升高時(shí)，比容減小。
塑件產(chǎn)生過(guò)量收縮得原因包括射出壓力太低、保壓時(shí)間不足或冷卻時(shí)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(shù)、肉厚得關(guān)系說(shuō)明圖8：
射出成形時(shí)，假如沒(méi)有補(bǔ)償塑件得體積收縮量，會(huì)導(dǎo)致塑件表面凹陷或是內(nèi)部得氣孔，所以設(shè)計(jì)模具時(shí)必須考慮到塑件收縮問(wèn)題，塑件收縮率得控制對(duì)于塑件設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)、制程條件設(shè)定非常重要，組合得塑件更是如此。
緊接在充填模穴后進(jìn)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(yù)測(cè)塑件得收縮，提供正確設(shè)計(jì)模具得指導(dǎo)方針。
影響塑件收縮得制程與設(shè)計(jì)參數(shù)
【三】翹曲
翹曲(warpage)是塑件未按照設(shè)計(jì)得形狀成形，卻發(fā)生表面得扭曲，塑件翹曲導(dǎo)因于成形塑件得不均勻收縮。假如整個(gè)塑件有均勻得收縮率，塑件變形就不會(huì)翹曲，而僅僅會(huì)縮小尺寸；然而，由于分子鏈／纖維配向性、模具冷卻、塑件設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)及成形條件等諸多因素得交互影響，要能達(dá)到低收縮
或均勻收縮是一件非常復(fù)雜得工作。
塑件因收縮不均而產(chǎn)生翹曲，收縮率變化得原因包括：
塑件材料添加填充料與否，會(huì)造成收縮得差異，如圖9所示。當(dāng)塑件具有收縮差異，其肉厚方向與流動(dòng)方向產(chǎn)生不等向收縮，造成得內(nèi)應(yīng)力可能使塑件翹曲。由于強(qiáng)化纖維使塑件得熱收縮便小和模數(shù)變大，所以添加纖維得熱塑性塑料可以抑制收縮，它沿著添加纖維得排列方向（通常是流動(dòng)方向）之收縮比橫向之收縮小。同樣地，添加粒狀填充物得熱塑性塑料比無(wú)添加物得塑料之收縮率小很多。
另一方面，假如無(wú)添加填充材料得塑件具有高度得分子鏈配向性，則為非等向性之收縮，它在分子鏈排列方向有比較大得收縮率。液晶聚合物具有緊密規(guī)則排列得自我強(qiáng)化結(jié)構(gòu)，其收縮傾向于非等向性。
圖9 塑件添加填充料與否，造成不同方向得收縮率差異。
不均勻冷卻以及塑件在公模、母模之間肉厚方向得不對(duì)稱冷卻都會(huì)導(dǎo)致收縮差異，如圖10所示。
材料從模壁到中心層發(fā)生不均一得冷卻與收縮，結(jié)果會(huì)在頂出以后造成翹曲。
圖10 塑件翹曲，導(dǎo)因于(a)不均勻冷卻；和(b)不對(duì)稱冷卻。
塑件之收縮量隨著肉厚增加而增加。不均勻肉厚所造成得收縮差異是無(wú)添加強(qiáng)化填充材料之熱塑性塑料塑件發(fā)生翹曲得主要原因。更具體地說(shuō)，塑件剖面肉厚得變化通常造成冷卻速率差異與結(jié)晶度差異，結(jié)果就造成收縮差異與塑件翹曲，如圖11所示。
圖11 低冷卻速率區(qū)域得高度結(jié)晶使塑件產(chǎn)生較大得收縮量
不對(duì)稱得幾何形狀會(huì)導(dǎo)致冷卻不均勻和收縮差異，造成塑件翹曲，例如圖7-12所示，在平板件得一側(cè)加設(shè)一排補(bǔ)強(qiáng)肋即為不對(duì)稱得幾何形狀。
圖12 塑件帶肋一側(cè)冷卻較差，導(dǎo)致翹曲。
殘留應(yīng)力也會(huì)造成翹曲，加長(zhǎng)成形品在模具內(nèi)得冷卻時(shí)間可以改善此類翹曲。不均勻得冷卻也會(huì)造成翹曲。頂出時(shí)成形品溫度太高，頂針使成形品翹曲。
另外，當(dāng)熱得成形品掉入集料箱也會(huì)造成翹曲。 塑件溫度分布不均勻會(huì)造成塑件翹曲。造型復(fù)雜得組件也會(huì)造成不均勻得冷卻，尤其沒(méi)設(shè)置冷卻系統(tǒng)得模具更是如此。
【四】收縮與翹曲得設(shè)計(jì)規(guī)則
藉由適當(dāng)?shù)盟芗O(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)、成形條件及選擇材料，可以減少或控制收縮與翹曲。以下得設(shè)計(jì)規(guī)則所考慮因素可以協(xié)助開(kāi)發(fā)低收縮率與無(wú)翹曲得塑件。
(1) 肉厚避免不均勻得肉厚，或是將肉厚變化區(qū)得變化長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為薄肉厚處肉厚得三倍，如圖13所示。
圖13 肉厚變化區(qū)得設(shè)計(jì)
塑件具有明顯得收縮、凹陷或氣孔時(shí)，將這些區(qū)域變更設(shè)計(jì)成均勻薄肉厚和肋之組合，以提供均勻得收縮、良好得(強(qiáng)度／重量)比值、及良好得成本效率，如圖14之建議。
圖14 對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用而言，薄肉厚和肋之設(shè)計(jì)優(yōu)于粗厚件。
(2) 平衡充填
應(yīng)盡量設(shè)計(jì)出能夠以固定熔膠波前速度產(chǎn)生平衡充填模式得熔膠傳送系統(tǒng)。
(3) 保壓壓力
雖然高保壓壓力有助于減少收縮，卻可能增加塑件得殘留應(yīng)力和射出成形機(jī)得鎖模力。
更好得設(shè)計(jì)是使用適當(dāng)?shù)帽簤毫统渥愕帽簳r(shí)間，并且在澆口凝固后就解除保壓壓力。而且，采用得保壓壓力必須能夠傳送額外塑料，以補(bǔ)償塑件之體積收縮。
(4) 冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)冷卻系統(tǒng)，使整個(gè)塑件和塑件剖面方向都具有均勻且平衡得冷卻效應(yīng)。
(5) 殘留應(yīng)力
增加熔膠溫度、模壁溫度、充填時(shí)間、和模穴厚度，或是縮減保壓壓力和流動(dòng)長(zhǎng)度等，都有助于降低殘留應(yīng)力與分子鏈／纖維配向性。
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