■全鏈管理 / 蔡穎玫 博士

什么是射出成型殘留應力

什么是殘留應力？它的表象是什么？以看得見的部分可分為透明與不透明產品，不透明塑件的殘留應力表現在產品表面，常見為澆口附近的應力痕，以及肉厚變化差異較大部位的光澤不均紋路。

若為透明產品則可以利用儀器觀測產品內部的殘留應力，應力偏光儀可以快速定性地觀察到部件中殘留應力嚴重的部位，依循應力光學定律(Stress-Optic law)，觀測到的光彈條紋越密集，則材料內部儲存的應力越大。

殘留應力會造成塑件的雙折射率現象，導致不同方向的折射率差異，會影響光學塑件的成像與聚焦能力，尤其是高要求的精密光學產品，很小的雙折射率也會造成光學特性與功能的極大誤差。

除了表面質量，殘留應力也會以另一種形式顯現，有的時候可能產品脫模時沒有明顯的變形現象，但過了一段時間后，成型過程加諸于塑料的應力隨時間或高溫環境下逐漸釋放，因而造成翹曲變形、尺寸偏移、甚至破裂等問題。

對于需要進行噴涂、電鍍等表面處理的塑件，其表面未必可以觀察到殘留應力的存在，但是在噴涂溶劑的作用下，會造成應力區部位加速裂化。

塑件在電鍍程序*中，表面的殘留應力會導致預處理步驟的粗化程度不足，降低鍍層附著能力，當固定部位出現化學鍍層沉積不全造成起皮現象，就是殘留應力的關系。

*塑料電鍍基本流程：清潔→預處理→導電涂層（化學鍍層）→金屬電鍍→鍍層處理

殘留應力成因

我們知道殘留應力對塑件質量的影響，有時候看得到有時候又看不到，頗為惱人。常說知己知彼，我們必須要知道殘留應力的成因，才能有效避免，因此必須要知道塑料的本質，也就是塑料是由無數條高分子鏈組成，彼此糾結。塑料高分子類似一條很長的彈簧，在不受外力作用下，會蜷曲成一定大小的球形狀態，也就是能量最低、最穩定的結構。

 

圖1：射出成型過程中微觀下塑料高分子鏈的形態變化

然而，在射出過程中，塑料高分子經歷了非常大的物理變化、形態變化，從料斗進料時的固態原料、受到料管加熱與螺桿剪切變成熔融態、在射出單元作用下高速高壓將流體塑料通過噴嘴灌入模具中、持續保壓至澆口封阻、模具中的冷卻水路將熔膠熱量帶走、逐漸冷卻至固態、塑件頂出時仍高于室溫、脫模后持續冷卻至室溫狀態。因為脫模后塑料仍有收縮行為，有些產品會在脫模后以治具固定一段時間，以避免塑件自由收縮造成尺寸超差。

巨觀上，塑料高分子歷經固態到液態再回到固態，但是微觀上，高分子鏈已經經過不同程度的拉伸和壓縮，尤其又在短時間內快速降溫，可想而知分子鏈并沒有足夠的時間回到最穩定的狀態，分子鏈從高能量形態回到低能量形態稱之為松弛。并且分子鏈間彼此糾纏，鄰近的分子鏈可能因為流場作用或冷卻效應造成被拉伸/壓縮程度不一，兩條分子鏈都想回到穩定態，但是回到穩定態的差距卻不一樣，因而形成殘留應力累積在塑件中。

 

依據不同成因，可分為：

• 流動導致殘留應力：高剪切流場對分子鏈造成高度排向，能量儲存在被拉伸的分子鏈上，形成拉伸應力，因此在充填方向有較高的殘留應力，也是應力的主要來源。
• 熱導致殘留應力：塑料因冷卻程度不一，高分子鏈松弛能力不同，造成分子鏈間的距離不均勻，就變成殘留應力形式儲存在分子鏈間。因為冷卻收縮是各方向都會發生的，所以熱殘留應力并無特別方向性，唯有在模溫差異大之處會特別明顯。

 

圖2：流動導致與熱導致殘留應力

因為塑件中保有殘留應力，只要一有機會（溫度提高或熔劑作用）分子鏈便開始運動，依位置不同造成不同的巨觀結果：

• 靠近塑件表面的分子鏈收縮而產生應力痕；
• 塑件內部的分子鏈收縮程度不一造成尺寸變形。

殘留應力越大，分子鏈潛在運動能力越強，當有機會釋放應力時，過大的殘留應力會造成塑件開裂問題。

降低殘留應力須考慮的面向

由前面內容我們知道若要降低殘留應力，要盡量避免造成高分子鏈伸縮程度差異，可分為三個面向：

產品設計

模具設計

成型條件

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（具體后續內容可進入東莞開模&ACMT_技術平臺查閱）

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