塑膠注塑成型收縮（suō）與翹曲該如何解決？

塑料射出成形（xíng）先天上就（jiù）會發生收縮，因為從製程溫度降到室溫，會造成聚合物的密度變（biàn）化，造（zào）成收縮（suō）。整個塑（sù）件（jiàn）和剖麵的收縮差（chà）異會造成內部殘留應力，其效應與外力完全（quán）相同。在射出成形時假如殘留應（yīng）力（lì）高於塑件結構的強度，塑件就會於脫模後翹曲，或是受外力而產生破裂（liè）。

【一】殘留應（yīng）力

殘留（liú）應力(residual  stress)是塑件成形（xíng）時，熔膠流動所引發(flow-induced)或者熱效應（yīng）所引發(thermal-induced)，而且凍結（jié）在塑件內（nèi）的應力。假如殘留應力高過於塑件的結構強度，塑件可能在射出時翹（qiào）曲，或者稍後承受負荷而破裂。

殘留應力是塑（sù）件收縮和翹曲（qǔ）的（de）主因，可以減（jiǎn）低充填（tián）模穴造成之剪應力的良（liáng）好成形條件與（yǔ）設計，可以降低熔膠流動所引發的殘留應力。同樣地（dì），充足的保壓和均勻（yún）的冷卻可（kě）以降低熱效應引發的殘留（liú）應力。對於添加纖維的（de）材料而言，提升均勻機（jī）械性（xìng）質的成形條件（jiàn）可以降低熱效應所引發的殘留應力。 

1， 熔膠（jiāo）流（liú）動引（yǐn）發的殘留應力 

在無應力下，長鏈高分（fèn）子聚合物處在高於熔點溫（wēn）度呈現任意卷曲的平衡狀態。於成（chéng）形程中（zhōng），高分子被（bèi）剪切與拉伸，分子鏈沿著流動方向配向。假如分（fèn）子鏈在完（wán）全（quán）鬆弛平衡之前就凝固，分子鏈配向性就凍結在（zài）塑件內，這種應力凍結狀態稱為流動引發的殘留應力，其於流動方向和垂（chuí）直於流動方向會（huì）造成不均勻的機械性質（zhì）和收縮。一般而言，流（liú）動引發的殘（cán）留應力比熱效應引發的殘留應（yīng）力（lì）小一個次方。 

塑件在接（jiē）近模壁部份因為承受高剪應力和高冷卻速率的交互作用（yòng），其表（biǎo）麵的高配向性會（huì）立（lì）即凍結，如圖（tú）1所示。假如將此塑件存放於高溫環境下，塑件將會釋放部（bù）份應力，導致.的（de）收縮與翹曲。

凝固層的隔熱效（xiào）應使聚合物中心層（céng）維持較高溫（wēn）度，能夠釋放較多應力，所以中心層分子（zǐ）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（yǐn）發的殘留應力，包括有： 

高熔膠溫度。

高（gāo）模壁溫度。

長充填時間（低熔膠速度）。

降低保壓壓力（lì）。

短流動路徑。

充填與保壓階段所凍結的分子鏈配向性，導致流動引發之殘留應力。 

(1) 表示高冷（lěng）卻率、高剪應力或高配向性；

(2)表示低（dī）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（yīng）引發殘留應力的原因包括下列： 

塑料從（cóng）設定的製程溫度下降到室溫，造（zào）成收縮。 

塑（sù）料（liào）凝固（gù）時，塑件從表層（céng）到中心層經曆了不同的（de）熱（rè）力曆程和（hé）機械曆程，例如不同的冷卻時間和不同的保壓壓（yā）力等。 

由於密度和機械性質變化導致壓力、溫度、分子鏈配向性和纖維配向性的改變。 

模具的設計限（xiàn）製了塑件在某些方向的收（shōu）縮。 

塑料於射（shè）出成（chéng）形的收縮可（kě）以用自由冷卻的例子說明。假如溫度均勻的塑件突（tū）然被兩側的冷（lěng）模壁夾住，在冷卻的初期，塑件表層冷卻而開始收縮時，塑件內部的聚（jù）合物仍然呈高溫熔融狀態而可以自由收縮。然而（ér），當塑件中心溫度下降時（shí），局部的熱收縮受限於已經凝固的表層，導致中心層為拉伸（shēn）應力（lì），表層（céng）為壓縮應力的（de）典型（xíng）應力分布。

塑（sù）件從表層到中心的冷（lěng）卻速率差異會引發熱效應之殘留應力（lì）。更有甚者，假如模具兩側模壁的冷卻速率不同，還會引發不對（duì）稱的熱效應殘留應力，在塑件剖麵不對稱分布的拉伸應力與壓縮應力造成（chéng）彎曲力矩，使塑件產（chǎn）生翹曲。

肉厚（hòu）不均勻的塑（sù）件和冷卻效果差的區域（yù）都會（huì）造成（chéng）這種不平（píng）衡冷卻，而導致殘留應（yīng）力（lì）。複雜的塑件由於肉厚不均勻、模具冷卻不均勻、模具（jù）對於自由（yóu）收（shōu）縮的限製等因（yīn）素，使得熱效應引發之殘留應力的分布變得更複（fù）雜。

塑件冷卻不（bú）均勻和塑料（liào）溫度曆程的作（zuò）用，導致（zhì）熱效應引發之殘留應力。

塑件剖麵方向不均勻（yún）的冷卻，造成不對稱熱效應引發之（zhī）殘留應力（lì），使塑件翹曲。 

說明了保壓之壓力曆（lì）程所造（zào）成（chéng）的凝（níng）固層比容變化（huà）。其中，左圖（tú）是（shì）塑件一個剖麵的溫度分布曲線。為了方便說明，將（jiāng）塑件沿著肉厚方向分為8層，曲線上顯示著各層的凝固時間（jiān）為（wéi）t1~t8。

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

中間的圖形顯示各層（céng）固化的典型壓力曆程分別為P1~P8。充填階段的壓力通常逐漸上升，在保壓初期（qī）達到最高壓（yā）力，之後，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層在（zài）PvT圖上的比（bǐ）容（róng）曆程，以及各層於最終凝固時的比容，並且以實心圓點標記。

已知各層的凝固比容，塑件各層收縮行為會根據PvT曲線發生不（bú）同的收縮。假設各層是分隔開如圖5，結果就收縮到中間圖形的（de）情形，2、5、6、7等中間層因為凝固（gù）比容（róng）低(或是（shì）凝（níng）固（gù）密（mì）度高)而收縮得較少。而實際上，各層是（shì）連接在一起，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。 

各凝固（gù）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 

就射出成形之模擬而言，製程所引發(process-induces)殘留應力比模穴(in-cavity)殘留（liú）應力更（gèng）重要，以下介紹（shào）這兩個名詞的定（dìng）義，並（bìng）提供一個範例以（yǐ）說明它們的差異。 

塑件頂出以後，模穴施加在塑件的拘束被釋放開，塑件可以（yǐ）自由地收縮與變形，直到（dào）平衡狀態。

此時塑件內尚存的應力就是製程引發的殘留（liú）應（yīng）力（lì），或者簡（jiǎn）稱為殘留應（yīng）力，它包（bāo）括了流（liú）動引發的殘留應力和熱效應引發（fā）的殘留應力，而以熱效（xiào）應的影響為主（zhǔ）。 

當塑件仍然受到模穴拘束時，塑件凝固所貯積的內應力稱（chēng）為模穴殘留應力，此殘留（liú）應力會驅使（shǐ）塑（sù）件於頂出（chū）後發生收（shōu）縮和翹曲。 

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

一旦（dàn）頂出，解除了模具對於塑件的（de）拘束，塑件將（jiāng）釋放模穴殘留應力而收縮（suō）和翹曲。頂出塑件之收（shōu）縮分布所造成的熱效應殘留應力分布曲線如圖6左下（xià）圖。在無外力作用下，塑件剖麵的拉伸應力等（děng）於壓縮應（yīng）力而達到平衡狀態。塑件肉厚承受不均勻的冷卻，造成不對稱的殘（cán）留應力而發生翹曲。

模穴殘留應力分布曲（qǔ）線及，製程引發（fā）殘留應力分布（bù） 

曲線和頂出後的塑件形狀。

能夠造成充分保壓和均勻模壁溫度的條件，就（jiù）可以降低熱效應引發的殘留應力，這些條件包（bāo）括： 

適當的保壓壓力和保壓時間。

塑件的所有表麵（miàn）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（sù）件從製程（chéng）溫度降到室溫，體積收縮率(shrinkage)可以高達 20％。當結晶（jīng）材料和半結晶材料（liào）冷（lěng）卻（què）到玻（bō）璃（lí）轉移溫度以下，分子呈（chéng）現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（yú）相變化時並沒有（yǒu）微結（jié）構（gòu）變化，熱收縮比較（jiào）小。所以結晶材（cái）料和半結晶（jīng）材料在熔融相和固相（結晶）之間的比容差異比（bǐ）不定形（xíng）材料的比容差異大，如（rú）圖7所示。此外冷卻速（sù）率也會（huì）影響結晶材料與半結晶材料的PvT行為。

不定形與結晶性聚合物之PvT曲線。從製程狀態(A點)到常壓室溫狀態造成比容變化△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）不足或冷卻時間不足、熔膠溫度（dù）太高、模具溫（wēn）度太高、保壓壓力太（tài）低，而收縮量與製程參（cān）數、肉厚的關係說明圖8： 

射出成形（xíng）時，假如沒有補償（cháng）塑件的體（tǐ）積收縮量，會導（dǎo）致塑件表麵凹陷或（huò）是內部的氣孔，所以設計模具（jù）時必須考慮到塑件收縮問題，塑件（jiàn）收縮率的控製對於塑件設計（jì）、模具設計、製（zhì）程條（tiáo）件設定（dìng）非常重要，組合的塑（sù）件（jiàn）更（gèng）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，以確定塑件尺寸。模流分（fèn）析軟件可以預測塑件的收縮，提供（gòng）正確（què）設計模具的指導方針。

影響塑件收縮的製程與設計（jì）參數 

【三】翹曲 

翹曲(warpage)是塑件未按照設計的形狀成形，卻發（fā）生（shēng）表麵的扭曲，塑件翹曲導因於成形塑件的不均勻收縮。假如整個塑件有均勻的收縮率，塑件變形就不會翹曲，而僅僅會縮小尺寸；然而，由於分子鏈／纖維配向性、模具冷卻、塑件設計、模具設計（jì）及成形條件等（děng）諸多因素的交互影（yǐng）響，要能（néng）達到低收縮（suō）

或均勻收縮是一件非常複雜的工作。 

塑件因收縮不均而產（chǎn）生翹曲（qǔ），收縮率變化的原因（yīn）包括： 

塑件內部溫（wēn）度不均勻。

塑件凝固時，沿著肉（ròu）厚方（fāng）向的壓力差異和（hé）冷卻（què）速率差異。 

塑件尚（shàng）未完全冷卻就頂出，或是（shì）頂出銷變形（xíng），倒勾太深，頂出方式不當，脫模斜度（dù）不當等因素都可能造（zào）成塑件翹曲。 

塑件肉厚變化導致冷卻速率的（de）差異。

塑件具有彎曲或不對稱的幾何形狀。 

塑件材（cái）料有、無添加填充（chōng）料的差異。

流動方向和垂直於（yú）流動（dòng）方向之分子鏈／纖維配向性差（chà）異，造成不同的收縮率。 

保壓壓力（lì）的差異（例如澆口處過度保壓，遠離澆口處卻保壓不足）。 

  塑件材料添加填充料與否，會造成收縮的（de）差異（yì）。當塑件具有收縮差（chà）異，其肉厚方向與流動方向產生不等向（xiàng）收縮，造成的內應力可能使塑件翹曲。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（xiān）維的熱塑性（xìng）塑料可以抑製收縮，它沿著添加纖維（wéi）的排列方向（xiàng）（通常是流動方向）之收縮比橫向之（zhī）收縮小。同樣地，添加粒狀填充物的（de）熱塑性（xìng）塑料比無添加物的塑料之收縮率小很多。

另一方麵，假如無（wú）添加填充材料的塑件具有高度的（de）分（fèn）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的收縮率。液（yè）晶聚合物具有緊密規則排列的自我強化結構，其收縮傾向（xiàng）於非等向性。 

塑件添加（jiā）填充料與否，造成不同方向的收縮（suō）率差異。 

不（bú）均勻冷卻以及塑件在（zài）公模、母模之間肉厚方向的不對稱冷卻都會導致收縮差異。

材料（liào）從模壁到中心（xīn）層發生不均一的冷卻與收縮，結（jié）果會在頂出（chū）以後造成（chéng）翹（qiào）曲。

塑件之收縮量隨著肉（ròu）厚增（zēng）加而增加（jiā）。不均勻肉厚所造成的（de）收縮差異是無添（tiān）加強化填充材料之熱塑性塑料塑件發生翹曲的主（zhǔ）要原因。更具（jù）體地說，塑件剖麵肉厚的變化通常造成冷卻（què）速率差（chà）異與結晶（jīng）度差異，結果就造成收縮差異與塑件翹（qiào）曲，如圖11所示。 

低冷卻（què）速率區域的高度（dù）結晶使（shǐ）塑（sù）件（jiàn）產生較（jiào）大的收縮量，不對（duì）稱的幾何形狀會導（dǎo）致冷卻不均勻和收縮差異，造成塑件翹曲，在平板件的一側加設一（yī）排補強肋即為不對稱的幾何形狀。 

塑件帶肋一側冷卻較差，導致翹曲。 

殘留應力（lì）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。不均勻的冷卻也（yě）會造成翹曲。頂出時成（chéng）形品溫度太高，頂針使成形品翹曲。

另外，當熱的成形品掉入集料箱也會造成翹曲。 塑件溫（wēn）度分布不均勻（yún）會造成塑（sù）件翹曲。造型複（fù）雜的組（zǔ）件也會造成不均勻的冷卻，尤其沒設置冷卻係統的模（mó）具更是如此。 

【四】收縮與翹曲（qǔ）的設計規則 

藉由適當的塑件設計、模具（jù）設（shè）計（jì）、成形條件（jiàn）及選擇（zé）材料，可以減少或控製收縮（suō）與翹（qiào）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的塑件。 

(1) 肉（ròu）厚（hòu）避免不均勻的肉厚（hòu），或是（shì）將肉厚變（biàn）化區的變化長度（dù）設計為（wéi）薄肉厚處肉厚的三倍，如圖13所示。 

(2) 平衡充填 

應盡量設計出能夠（gòu）以固定熔膠波前速度產生（shēng）平衡充填模式的熔膠傳送係統。 

(3) 保壓壓力 

雖然高保（bǎo）壓（yā）壓力有助於減少收縮，卻可能增加塑件的殘留應（yīng）力和射出（chū）成形機的（de）鎖模力。

更好（hǎo）的設計是使用適當的保壓壓力和充足的保壓時間，並且在澆口凝（níng）固後就解除（chú）保壓壓力（lì）。而且（qiě），采用的保壓壓力必須能夠傳送額（é）外塑料，以補償塑件之體積收縮。 

(4) 冷卻係（xì）統設（shè）計冷卻係統，使整個（gè）塑件和塑件剖麵方向都具有均（jun1）勻且平衡的（de）冷卻效（xiào）應。 

(5) 殘留應力 

增加熔（róng）膠溫度（dù）、模壁溫度、充填時間、和（hé）模穴厚度，或是縮減保壓壓力和流動長度等，都有助（zhù）於降低殘留應力與（yǔ）分子鏈／纖維配向性。

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