如何解決縮水和變形問題？
2025-07-24
塑膠 射出成型 由於聚合物密度在製程溫度降至室溫時會發生變化，導致塑膠零件本身發生收縮。整個塑膠件及其截面收縮率的差異會產生內部殘餘應力，其作用類似於外力。如果殘餘應力高於射出成型過程中塑膠件結構的強度，則塑膠件脫模後會發生翹曲或因外力作用而開裂。
殘餘應力
殘餘應力是指塑膠件成型過程中，由於熔融塑膠的流動或熱效應而產生的應力，並被固化在塑膠件內部。如果殘餘應力高於塑膠件的結構強度，則塑膠件在註塑成型過程中可能發生翹曲，或在後續受力時發生斷裂。
殘餘應力是塑膠零件收縮和翹曲的主要原因。良好的成型條件和設計，例如減少填充模腔時產生的剪切應力，可以降低熔體流動引起的殘餘應力。同樣，充足的保壓和均勻冷卻可以降低熱效應引起的殘餘應力。對於添加纖維的材料，改善成型條件以獲得均勻的機械性能可以降低熱效應引起的殘餘應力。
1.熔體流動引起的殘餘應力
在無應力狀態下，長鏈聚合物在高於熔點的溫度下處於任意捲曲的平衡狀態。在成型過程中，聚合物受到剪切和拉伸，分子鏈沿著流動方向排列。
如果分子鏈在完全鬆弛和平衡之前就固化，則塑膠零件中的分子鏈取向會被凍結。這種應力凍結狀態稱為流動誘導殘餘應力，它會導致沿著流動方向和垂直於流動方向的機械性能不均勻和收縮。一般來說，流動誘導殘餘應力比熱效應引起的殘餘應力小一個冪次方。
如圖 1 所示，靠近模壁的塑膠零件表面高度取向，由於高剪切應力和高冷卻速率的相互作用，會立即凍結。如果將塑膠零件存放在高溫環境中，塑膠零件會釋放一些應力，導致收縮和翹曲。
固化層的隔熱作用使聚合物芯層保持較高溫度，從而釋放更多應力，導致芯層分子鏈取向度降低。能夠降低熔體剪切應力的成型條件也能降低流動引起的殘餘應力，例如：
•熔點高。
•模具壁溫度高。
•填充時間長（熔化速度慢）。
•降低保持壓力。
•流路短。
圖 1 填充和堆積階段凍結的分子鏈取向導致流動引起的殘餘應力。
（1）表示冷卻速率高、剪切應力高或取向度高；（2）表示冷卻速率低、剪切應力低或取向度低。
2. 熱效應引起的殘餘應力
熱效應引起的殘餘應力的原因包括以下幾點：
（1）塑膠從設定的加工溫度降至室溫時會收縮。
（2）塑膠凝固時，塑膠零件從表面到中心層會經歷不同的熱力學和機械過程，例如不同的冷卻時間和不同的保壓。
（3）由於密度和機械性質的變化，壓力、溫度、分子鏈取向和纖維取向發生變化。
（4）模具的設計限制了塑膠零件在某些方向上的收縮。
塑膠在生產過程中的收縮 射出成型 可以用自由冷卻的例子來解釋。如果一個溫度均勻的塑膠零件突然被兩側的冷模壁夾緊，在冷卻初期，當塑膠零件表面冷卻並開始收縮時，零件內部的聚合物仍處於高溫熔融狀態，可以自由收縮。
然而，當塑膠零件的中心溫度下降時，局部熱收縮受到凝固表面層的限制，產生典型的應力分佈，即中心層為拉應力，表面層為壓應力，如圖 2 所示。
塑膠件表面到中心冷卻速率的差異會導致熱殘餘應力。此外，如果模具兩側模壁的冷卻速率不同，也會導致不對稱的熱殘餘應力。塑膠件橫截面上拉應力和壓應力的不對稱分佈會產生彎矩，導致塑膠零件翹曲，如圖3所示。
厚度不均和冷卻不良的塑膠零件會導致冷卻不平衡，從而產生殘餘應力。複雜的塑膠零件由於厚度不均、模具冷卻不均勻以及模具對自由收縮的限制等因素所引起的熱效應，其殘餘應力分佈更為複雜。
圖 3 塑膠零件橫斷面冷卻不均勻，導致不對稱熱效應引起的殘餘應力，從而使塑膠零件翹曲。
圖4展示了壓力保持過程中固化層比容的變化。左圖為塑膠件某截面的溫度分佈曲線。為便於說明，沿厚度方向將塑膠件分為8層，曲線上各層的固化時間分別標示為t1~t8。
要注意的是，塑膠零件是從最外層開始凝固的，凝固時間越長，凝固層就越靠近中心層。中間的圖表顯示了各層凝固的典型壓力變化曲線（P1~P8）。填充階段的壓力通常逐漸上升，在保壓初期達到最高值，然後由於冷卻和澆口凝固而逐漸下降。
因此，塑膠零件的表面層和中心層在低壓下凝固，而其他中間層則在高保壓下凝固。右圖展示了PvT圖上第五層的比容變化歷程，以及最終凝固時各層的比容，並以實心圓點標示。
根據各層的凝固比容，塑膠零件各層的收縮行為會根據PvT曲線而有所不同。假設各層如圖5所示分離，則收縮結果如圖所示。中間層2、5、6、7因凝固比容低（或凝固密度高）而收縮較小。實際上，各層相互連接，導致收縮分佈較為均衡：中間層被壓縮，而外層和中心層被拉伸。
圖 5 各凝固層比容的差異交互作用，導致塑性零件產生不同的殘餘應力與變形。
3. 製程引起的殘餘應力與空腔殘餘應力
在註塑成型模擬中，製程造成的殘餘應力比型腔內殘餘應力更為重要。以下將介紹這兩個術語的定義，並透過實例說明它們的差異。
塑膠件被頂出後，模腔對塑膠件的約束被解除，塑膠零件可以自由收縮變形，直到達到平衡狀態。
此時，塑膠零件中殘留的應力是製程引起的殘餘應力，簡稱殘餘應力。它包括流動引起的殘餘應力和熱效應引起的殘餘應力，其中熱效應的影響最為顯著。
當塑膠件仍受模腔約束時，塑膠件凝固過程中儲存的內應力稱為模腔殘餘應力。這種殘餘應力會導致塑膠件在脫模後收縮和翹曲。
圖 6 左上角的圖顯示了模腔中的殘餘應力（圖中通常顯示的是拉應力）。 模製塑膠部件 在脫模之前，模具仍會限制其形狀。
脫模後，模具擺脫了對塑膠零件的約束，塑膠零件會釋放模腔內的殘餘應力，並發生收縮和翹曲。圖6左下角所示為脫模後塑膠件收縮分佈所引起的熱效應殘餘應力分佈曲線。在無外力作用下，塑膠件截面的拉應力等於壓應力，達到平衡狀態。
圖 6 右下角的圖顯示，塑膠零件的厚度受到不均勻冷卻，導致殘餘應力不對稱且翹曲。
圖 6（上）模腔內殘餘應力分佈曲線和（下）塑膠零件脫模後製程和形狀引起的殘餘應力分佈曲線。
能夠確保足夠保壓和均勻模壁溫度的條件可以降低熱效應引起的殘餘應力。這些條件包括：
（1）適當的保壓和保壓時間。
（2）塑膠部件的所有表面均勻冷卻。
（3）塑膠部件具有均勻的橫截面厚度。
收縮
當 注塑成型塑膠零件 當晶體和半晶體材料從加工溫度冷卻到室溫時，體積收縮率可高達 20%。當晶體和半晶體材料冷卻到玻璃化轉變溫度以下時，分子排列更規則，形成晶體，這些晶體特別容易發生熱收縮；
非晶態材料在相變過程中不會發生微觀結構變化，其熱收縮相對較小。因此，如圖7所示，晶態和半晶態材料的熔融相與固相（結晶）之間的體積變化大於非晶態材料。此外，冷卻速率也會影響晶態和半晶態材料的PvT行為。
圖 7 非晶態和晶態聚合物的 PvT 曲線。
從製程狀態（A 點）到正常壓力和室溫狀態的變化會造成比容變化 △υ。
注意：隨著壓力的增加，比容會減少。
塑膠零件過度收縮的原因包括注射壓力過低、保壓時間或冷卻時間不足、熔體溫度過高、模具溫度過高、保壓壓力過低，收縮率、製程參數和壁厚之間的關係如圖 8 所示：
期間 射出成型如果塑膠零件的體積收縮無法補償，就會導致零件表面出現凹陷或內部產生氣孔。因此，在模具設計時必須考慮塑膠零件的收縮。控制塑膠零件的收縮率對於塑膠零件設計、模具設計和製程條件設定都至關重要，尤其對於組合式塑膠零件而言。
填充後保持模腔形狀可以減少/消除縮痕和氣孔，從而確定塑膠零件的尺寸。模流分析軟體可以預測塑膠零件的收縮率，並為模具的正確設計提供指導。
