塑膠注塑成型收縮與翹（qiào）曲該如何解決？

塑料射出成形先天上就會發生收縮，因為從製程溫度降到室溫，會造（zào）成聚合物（wù）的密度變化，造成收縮。整個塑件和剖麵的收縮差異會造成內部殘留應力，其效應與外（wài）力完（wán）全相同。在射出成形時假如殘留應（yīng）力高於塑（sù）件結構的強度，塑件就會於脫模後翹曲，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（jiǎ）如殘留應力高過於塑件的結構強（qiáng）度，塑件可能在射出時翹曲，或者稍後承受負荷（hé）而破裂。

殘留應力是塑件收縮和翹曲的主（zhǔ）因，可以減低充填模穴造成之剪（jiǎn）應（yīng）力的良好成形條件與設計，可以降低熔膠流動所引發的殘（cán）留應力。同樣地，充足的保壓和均（jun1）勻的冷卻可以（yǐ）降低（dī）熱效應引發（fā）的殘留應力。對於添加纖維的材（cái）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（jiāo）流動（dòng）引發的（de）殘留應（yīng）力 

在無應力下，長鏈高分子聚合物處在高於熔點溫（wēn）度呈（chéng）現任意卷曲的平衡狀態。於成形程（chéng）中，高分子被剪切與（yǔ）拉伸，分子鏈沿著流動方向配向。假（jiǎ）如分子鏈在完全鬆弛平衡之前就凝固，分子鏈配向性就凍（dòng）結在塑件內，這種應力凍結狀態稱為流（liú）動引發的殘留應力，其於流動方向和垂直於流（liú）動方（fāng）向會造成不均勻的機械性質和收（shōu）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（bì）部份因（yīn）為承受高剪應力和高冷卻速率（lǜ）的交互作用，其表麵的（de）高配向性會立即凍結，如圖（tú）1所示。假如將此塑件（jiàn）存放於高溫環境下，塑件將會釋放（fàng）部份應力，導致.的收縮（suō）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（de）殘留應（yīng）力，包括有： 

高（gāo）熔膠溫度。

高模壁溫（wēn）度。

長充填（tián）時間（低（dī）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（yǐn）發之殘留應力。 

(1) 表示高冷卻率、高剪應力或高配向性；

(2)表（biǎo）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（de）製程溫度下降到室溫，造成收（shōu）縮。 

塑料凝固時，塑件從表層（céng）到中心層經曆了不同的熱力曆（lì）程和機械曆程，例如不同的（de）冷卻時間和不同的保壓壓力等。 

由於密度和（hé）機械性質變化（huà）導致壓力（lì）、溫（wēn）度、分子鏈配（pèi）向（xiàng）性和纖維配向性的改變。 

模具的設計限製了塑件在某些方向的收縮。 

塑料於射出成形的（de）收縮可以用自由冷（lěng）卻（què）的（de）例子說明。假如溫度均（jun1）勻的（de）塑件突然被兩側（cè）的冷模壁夾住，在冷卻的初期，塑件表層冷卻而開始收縮時（shí），塑件內部的聚合物仍然呈（chéng）高溫熔融狀態而（ér）可以自由收縮。然而（ér），當塑件中心溫度下降時，局部的熱收縮受限（xiàn）於已經凝固的表層，導致（zhì）中心層（céng）為拉（lā）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（chà）異會引（yǐn）發熱效應（yīng）之殘留應（yīng）力。更有甚者，假如模具兩（liǎng）側模壁的冷卻速率不同，還會引發不對稱的熱效（xiào）應殘留應力（lì），在塑件剖麵（miàn）不對稱分布的拉（lā）伸應力與壓縮應力造（zào）成彎曲力（lì）矩，使塑件產生翹曲。

肉厚不均勻的塑件和冷（lěng）卻效果差的區域都會造成這種不平衡冷卻，而導致殘（cán）留應力。複雜的塑件由於肉厚不（bú）均勻、模具冷卻不均勻、模具對於自由收縮的（de）限（xiàn）製等因素（sù），使得熱效應引發之殘留應力的分布變得更複雜。

塑件（jiàn）冷卻不均勻（yún）和塑（sù）料溫度（dù）曆程的作用，導致熱效應引發之殘（cán）留應力。

塑件剖（pōu）麵方（fāng）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（zhī）壓力曆程所造成的凝固層比容變化。其中，左圖是塑件一個剖麵（miàn）的溫度分布曲（qǔ）線（xiàn）。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（gù）時間為t1~t8。

注意，塑件從最外層開始（shǐ）凝固，越往中心層則需要越長（zhǎng）的凝固時間。 

中間的圖（tú）形顯示各層固化的典型壓力曆程分別為P1~P8。充（chōng）填階段的壓力通常逐漸上升，在保壓初（chū）期達到最高壓（yā）力，之（zhī）後，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（céng）在PvT圖上（shàng）的比容曆程（chéng），以（yǐ）及各層於最終凝固時的比（bǐ）容，並且以實心圓（yuán）點標記（jì）。

已知各層的凝固比容，塑件各層收縮行為會根（gēn）據PvT曲線發生（shēng）不同（tóng）的收縮。假設各層（céng）是分隔開如（rú）圖5，結（jié）果就收縮到中（zhōng）間（jiān）圖形的情形，2、5、6、7等中間層因為凝固比容低(或是凝（níng）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（suō）分布（bù），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。

製程引發殘留應力與模穴殘留應力 

就射出成形（xíng）之模擬而言，製程所（suǒ）引發(process-induces)殘留（liú）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，並（bìng）提供一個（gè）範例（lì）以說明（míng）它們的差異。 

塑件（jiàn）頂出以後，模穴施加在塑件的拘束被釋放開，塑件可以自由（yóu）地收縮與（yǔ）變形（xíng），直到（dào）平衡狀態。

此時塑件內尚存（cún）的應力就是（shì）製程引發的殘留應力，或者簡稱為殘留應力，它包括了流動引發（fā）的殘留應（yīng）力和（hé）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（rán）受到模穴拘束時，塑件（jiàn）凝固所（suǒ）貯積的（de）內（nèi）應力稱為模（mó）穴殘（cán）留應力，此殘留應力會驅使塑件於頂出後發生收縮（suō）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（xué）殘留（liú）應力（lì）（通常是圖中（zhōng）顯示的拉伸應力）。

一旦頂出，解除了模具對（duì）於塑件的拘束，塑件將釋放模穴殘留應力而收（shōu）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（yòng）下，塑件（jiàn）剖麵的拉伸應力等於壓縮應力而達到平衡狀態。塑（sù）件肉厚承受不均勻的冷卻，造成（chéng）不（bú）對稱（chēng）的（de）殘留應力而發生翹曲。

模穴殘留應力分布曲線及，製程引（yǐn）發殘留應力分布 

曲線和頂出後的塑件形狀。

能夠（gòu）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（jiàn）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（jun1）勻的冷卻。

塑件有均勻（yún）的剖麵肉厚。 

【二】收縮 

射出成形塑件從製程溫度（dù）降到室溫，體積收縮率（lǜ）(shrinkage)可以高達 20％。當結（jié）晶材料和半結晶材料冷卻到玻（bō）璃轉移溫度以（yǐ）下，分子呈（chéng）現比較規則的方式（shì）排列，並形成結晶，特別容易產生熱收縮；

不（bú）定形材料於相變化時（shí）並（bìng）沒有微（wēi）結構變化，熱收縮比較小。所以結晶材料和半結晶材（cái）料（liào）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（suǒ）示。此外冷卻速率也會影響結晶材料與半結晶材料的（de）PvT行為（wéi）。

不定形（xíng）與結晶性聚合物之PvT曲線（xiàn）。從製程狀態(A點)到常壓室溫狀態造（zào）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（shōu）縮的原因包括射出壓力太低、保壓時間（jiān）不足或冷卻時間不（bú）足、熔膠溫度太高、模具溫度太（tài）高、保壓壓力（lì）太低，而收縮量與（yǔ）製程參數、肉厚的關係說明圖8： 

射出成形時，假如沒有補償塑件的（de）體積收縮量，會（huì）導致（zhì）塑件表麵凹（āo）陷或是內（nèi）部的氣孔，所以設計模具時必（bì）須考慮到塑件收縮問題（tí），塑件收（shōu）縮率的控製對於塑件設計、模具設（shè）計、製程條件設定非常重要（yào），組合的塑件更是如此。

緊接在充填模穴後進行保壓，可以減少／消除凹痕和氣孔，以確定塑件（jiàn）尺寸。模流分析軟件可以（yǐ）預測塑件的收縮，提（tí）供正確設計模具的指導（dǎo）方針。

影響塑件收縮的製程與（yǔ）設計參（cān）數 

【三】翹曲 

翹曲(warpage)是塑件未按（àn）照設計的形狀成形，卻發生表麵的扭曲，塑件翹曲導（dǎo）因於成形塑件的不均勻收縮。假如整個塑（sù）件有均（jun1）勻的收縮率，塑件變形就不會翹曲（qǔ），而僅僅（jǐn）會縮小尺寸；然而，由於分子鏈／纖維配向（xiàng）性、模具冷卻、塑件設（shè）計（jì）、模具設計及成（chéng）形條件等諸多因素的交互（hù）影響，要能達到低（dī）收縮

或（huò）均勻收縮是一件非常複雜的工作。 

塑件因收（shōu）縮不均而產生翹曲，收縮率變化的原（yuán）因包括： 

塑件內部溫度不均勻（yún）。

塑件（jiàn）凝固時，沿著肉厚方向的壓力差異和（hé）冷卻速率差（chà）異。 

塑件（jiàn）尚（shàng）未完全冷卻就頂出，或是頂（dǐng）出銷變形（xíng），倒勾太深，頂出方式不當，脫模斜（xié）度不當等因素都可能造成塑件翹曲。 

塑件肉厚變化導致（zhì）冷卻速率（lǜ）的（de）差異。

塑（sù）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（de）差異。

流動方向（xiàng）和垂直於流動方向之分子鏈／纖維配向（xiàng）性差異，造成（chéng）不同的收縮率（lǜ）。 

保壓壓力的差（chà）異（例如澆（jiāo）口處過度保壓，遠離澆口處卻（què）保壓不足）。 

  塑件材料添（tiān）加填充料與否，會（huì）造成收縮的差異。當塑（sù）件具有收縮差異，其肉厚（hòu）方向與流動方向產生不等向收縮，造（zào）成的內應力可能使塑件（jiàn）翹曲（qǔ）。由於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製收縮，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（xiǎo）。同樣地，添加粒狀填充物的熱塑性塑料比無添加物（wù）的塑料之收縮率小很多。

另一（yī）方麵，假如無添加填充材料的塑件具有高度（dù）的分子鏈配向性（xìng），則為非等向性之（zhī）收縮，它在分子鏈排列方向有比較大的（de）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（suō）傾向於非等向性。 

塑件添加（jiā）填（tián）充料與否，造成不同方向的收縮率差異。 

不均勻冷卻以及塑（sù）件在公模、母模之間肉厚方向的不對稱冷（lěng）卻都會導致收縮差（chà）異。

材（cái）料從模壁到中心（xīn）層發生不（bú）均一（yī）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（jiā）強（qiáng）化填充材料之熱塑性塑料塑件發生翹曲的主要原因（yīn）。更具（jù）體地說，塑件（jiàn）剖麵肉（ròu）厚的變化通常造成冷卻速率差異與結晶度差異，結果（guǒ）就造成收縮（suō）差異與塑件翹曲，如圖11所示。 

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

塑件帶肋一（yī）側冷卻較差，導致翹曲。 

殘留（liú）應（yīng）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（qǔ）。不均勻的（de）冷卻也會造成翹曲。頂出時成形品溫度太高，頂針（zhēn）使成形品翹曲。

另外，當熱的成形品掉（diào）入集料箱也會造成翹曲。 塑件溫度分布不均勻會造（zào）成塑件翹曲。造型（xíng）複雜的組件也會造（zào）成不均勻的冷卻，尤其沒設置冷卻（què）係統的模具更是如此。 

【四】收縮（suō）與（yǔ）翹曲的設計規則（zé） 

藉由適當的塑件設計、模具（jù）設計、成形條件及選擇材料（liào），可以減少或控製收縮與翹曲。以下的設計規則（zé）所考慮因素可以協助開發低收縮率與無翹曲（qǔ）的塑件（jiàn）。 

(1) 肉厚避免不均勻的肉厚，或是將（jiāng）肉厚變化（huà）區的變化長度設計為薄肉厚處肉厚（hòu）的三（sān）倍（bèi），如（rú）圖13所示。 

(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（jiāo）傳（chuán）送係統。 

(3) 保（bǎo）壓（yā）壓力 

雖然高保壓壓力有助於減（jiǎn）少收（shōu）縮，卻可能增加塑件的殘留應力和射出（chū）成（chéng）形機的鎖模力。

更好（hǎo）的設計是使用適當的保壓壓力（lì）和充足（zú）的保壓時間，並（bìng）且在澆口凝固後就解（jiě）除保壓壓力。而且，采用的保壓壓力必須能（néng）夠傳送額外（wài）塑料，以補（bǔ）償塑件之體積收縮。 

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

(5) 殘（cán）留應力 

增加熔膠溫度、模壁溫度、充填時間、和模穴（xué）厚（hòu）度，或是縮（suō）減（jiǎn）保壓壓力（lì）和流動長度等，都有助於（yú）降（jiàng）低殘（cán）留應力與分子鏈／纖維配向性。

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