射出成形過程中的翹曲行為

射出成形過程中的翹曲行為是材料自液態冷卻為固態時不平均體積收縮的結果。溫度或壓力的變化都會引發高分子的比容及密度的改變，甚者，這些改變也會引起成型零件的形變。因此，本節將說明收縮的現象及其可能的成因。

充填及保壓過程中的收縮行為

溫度或壓力的變化可能會引發高分子的比容及密度的改變。高分子在保壓階段的收縮行為端看保壓的程度。好的保壓結果一般都會有較小的收縮。在保壓過程中，模穴中的高分子熔流溫度還是很高，仍會持續借著與模具做能量的交換而冷卻下來，在這段時間里，壓力會持續傳輸直到閥門結凍為止。因此，成形零件的收縮補償取決于保壓結果，而保壓結果又受壓力傳輸及保壓時間影響。總括來說，較高的保壓壓力與較長的保壓時間伴隨較好的保壓結果及較小的收縮行為。

冷卻過程中的收縮行為

冷卻過程的收縮過程開始于閥門的結凍并直到成形零件的射出為止，在此階段中沒有熱的高分子再進入且高分子會漸漸冷卻下來。收縮行為與高分子的PVT特征曲線有關。

對非結晶性高分子來說，主要影響收縮行為的因素有模具溫度及冷卻速率。低模具溫度及高冷卻速率會在高分子鏈松弛前，瞬間就將其大分子鏈結的方向結凍，所以塑性零件必然會有較小的收縮。相對的，高模具溫度及低冷卻速率會使大分子鏈結具有高度的方向性，則塑性零件會有較大的收縮程度。

對結晶性高分子而言，收縮行為主要取決于其結晶的程度。若模具溫度低且冷卻速率高，就不容易結晶，而有較小的收縮；另一方面，若模具溫度高且冷卻速率低，大分子鏈結就有足夠的松弛時間且易于形成結晶，零件的收縮量自然就會增加。

脫模成形階段到應用階段的收縮

在此階段中，塑性成形零件在射出之后不再受限于模具，并處于自由收縮階段。

收縮應力主要是來自于充填在制程中的殘留應力，熱應力則由零件的射出溫度與周圍環境溫度的溫差所造成。如果收縮應力大到足以克服塑性零件的機械強度，則零件會產生扭曲。若塑性零件的外層強度足以對抗收縮應力，就可能不會出現扭曲的現象。然而，此將使塑性零件內部產生收縮空孔并影響整個零件的機械性質。當應力上升時，在外力作用下容易產生裂縫及破斷的發生。

壓力-體積-溫度特性(PVT)圖

高分子的PVT關系就是在高分子加工過程中特定的體積上的特征隨溫度及壓力變化關系。一般上，若高分子的熱膨脹系數為正值，則其在加熱后會有膨脹的現象。由于每種高分子的微結構都不相同，所以每種材料的PVT關系都會不同。我們利用比容來當作一個良好的指標以取得制程中的高分子材料的PvT特性圖。

結晶性或半結晶性的高分子的比容(每單位質量的體積，為密度的倒數)在等壓條件下通常會因熱膨脹而隨溫度的上升而增加。然而，其也會因在等溫條件下的壓縮現象而隨壓力的上升而減低。

結晶性高分子的PVT圖

相對的，非結晶性高分子的比容會在等壓條件下通常會因熱膨脹而隨溫度的上升而增加。也會因在等溫條件下的壓縮現象而隨壓力的上升而減低。結晶性高分子正常都比非結晶性的收縮程度高。舉例來說，結晶性的PE是2%而非結晶性的PS則是0.6%。

非結晶性高分子的PVT特性圖

考慮一般的射出成形制程，非結晶性高分子的PVT特性圖如下圖所示。非結晶性高分子須先從高溫冷卻至常溫并且在空孔中固化。此程序可以編號1到8步驟在下圖描述之。

射出成形過程的體積變化

每個步驟也于其下解釋之：

1： 開始將高分子充填入模具中并逐漸加壓

1-2： 模穴充填階段，空孔壓力逐漸增加至所設定的射出壓力。

2： 模穴充填完成，壓力變為保壓壓力。

2-3： 模穴于保壓階段，空孔壓力增加至所設定的保壓壓力。

3： 模穴內壓力達到最大值 (大約30-100 Mpa)

3-4： 保壓階段，轉換壓力至保壓階段。模穴壓力會因為高分子的些微回流而稍微下降。

4： 保壓階段開始

4-5： 在保壓階段，壓力因冷卻而下降，固化層的厚度增加，將高分子緩緩填補收縮部份并降低其比容。

5： 閥門完全結凍，保壓階段完成。

5-6： 持續高分子的冷卻及收縮并逐漸降低壓力。

6：模穴壓力降至常壓(一大氣壓)，在此瞬間，塑性體積與空孔體積相同，但塑性開始產生模內收縮。

6-7： 等壓冷卻過程，塑性持續收縮。

7： 塑性與模具表面分離。

7-8：塑性在脫模后持續等壓收縮。

8： 最后，塑性零件達到熱平衡。

影響塑性零件收縮的因素

很多因素都會影響翹曲行為，比如材料性質，零件設計，模具設計及制程條件。這些因素都將在本節中說明。

材料的選擇：

塑性成形的零件具有較低的收縮程度，需有以下的條件：

?高分子性質是均質的

?材料受到更平均的加熱或冷卻

?塑件的溫度分布需更平均

結晶性高分子及非結晶性高分子

如先前(PvT圖)所提及的，結晶性高分子及非結晶性高分子的PVT特性線圖都是不同的，并可以影響到收縮行為。一般為了有較小的收縮量，降低非結晶性高分子中的方向性或是使結晶性高分子有較低結晶程度。另外，由于結晶作用與冷卻速率有極大關系，所以對結晶性或半結晶性高分子的收縮行為來說必然也是跟冷卻速率有高度相關性。

?檢視是否有充填物或強化材料被加入高分子中

?合成材料的充填物可以減少收縮

零件設計

?零件的尺寸

?內壁的厚度

一般而言，在射出的過程中，零件的厚度對成形的產品影響很大。通常在一個局部厚的區域，如肋條區，會產生一個局部的收縮并在零件上留下凹痕。因此有厚度變化的塑性零件都該選擇最適當的開門位置以得到較佳的充填保壓結果及較低的收縮程度。如果塑性成形零件的厚度是不平均的，則在不同冷卻 / 保壓效應下的收縮行為會導致翹曲 / 扭曲。除此之外，在多變的厚度下，可能在壁區會出現應力集中現象。

壁厚度的變化

具多變性厚度的壁區(緩沖區)會有內應力集中的現象，可能產生短期或長期的翹曲問題，并減弱零件的機械性質。

強化的肋條可以內建在零件中以強化結構強度并降低收縮程度。肋條與零件的接觸零件必須大到足以減弱應力集中問題及克服流體阻抗，并注意可能產生的凹痕導入問題。高分子收縮行為的特征也是影響到凹痕的尺寸的一個因素。

模具設計

模具設計范圍有些重要的問題需要考慮

?閥門位置

?閥門的形式及尺寸

?流道系統

?模具冷卻管線布置

?修整的容忍限度

?射出系統的設計

?修整的彈性形變

制程條件設定

?充填及保壓壓力

下圖指出自開始射出到開模這段時間空孔壓力與制程時間的關系。當保壓過程結束時，閥門在此瞬間的空孔壓力被稱為密封壓力。塑性零件在高密封壓力下會有較小的收縮，如果密封壓力不穩定則會在塑性上表現出一個波浪現象，此會影響到塑件尺寸的穩定性。密封壓力通常與保壓壓力有關，高保壓壓力與較長的保壓時間可以降低成形產品的收縮程度。一般未經保壓的塑性收縮程度可能到達25%，因此必須妥善應用及控制保壓壓力來彌補收縮造成的影響。但是壓力設定也不能太高以免發生過保壓的情形，將會造成高殘留應力并增加射出的難度。

射出成形過程中的空孔壓力                                                                       空孔壓力 vs. 收縮

?塑料的熔流溫度

保壓與冷卻進行中，熔流溫度如果提升可能會導致體縮率增加，但同時卻也可以因為黏度的降低而讓充填保壓變得更容易。

非結晶性高分子在不同壓力下的PVT特征

結晶性高分子在不同壓力下的PVT特征

熔流溫度 vs. 收縮

?模具溫度問題

模具溫度在閥門結凍后會變得比高分子收縮性質的問題還要重要，因此，模具溫度必需適當地控制在合理的范圍內。

?冷卻時間

?充填及包壓時間

?零件在射出時的溫度

?鎖模力