■全鏈管理 / 蔡穎玫 博士
什麼是射出成型殘留應力
什麼是殘留應力？它的表象是什麼？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。
除了表面品質，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，但過了一段時間後，成型過程加諸於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。
對於需要進行噴塗、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，但是在噴塗溶劑的作用下，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，就是殘留應力的關係。
*塑膠電鍍基本流程：清潔→預處理→導電塗層（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品質的影響，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。塑膠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。
然而，在射出過程中，塑膠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、塑件頂出時仍高於室溫、脫模後持續冷卻至室溫狀態。因為脫模後塑料仍有收縮行為，有些產品會在脫模後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，塑膠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，可想而知分子鏈並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鬆弛。並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，高分子鏈鬆弛能力不同，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，所以熱殘留應力並無特別方向性，唯有在模溫差異大之處會特別明顯。
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。
降低殘留應力須考量的面向
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
原則是均勻肉厚的設計，厚度越大的部位在保壓上需要施加更多壓力以降低塑料收縮程度，也會增加散熱困難。因此均勻肉厚能避免塑件內部的熔膠溫度及壓力差異太大。另外也須避免尖角、銳角等設計，因為分子鏈流經這些部位會以較高能量的鏈段形態（分子鏈鍵結角度較小）被凍結，產生局部高應力區。
模具設計
原則是確保熔膠的流動平衡，與模溫的均勻分布。充填若發生競流效應（某區域流得快、某區域流得慢），就會增加模穴內塑料性質的差異，因而提高殘留應力累積風險。透過流道設計，可以控制充填行為，進而影響殘留應力區域。
成型條件
調整速度、溫度及壓力以確保塑料在模穴內部的均勻性，成型條件的設定需要同時考量產品與模具設計，例如熔膠在通過澆口時建議減速，以避免過高的剪切率及射壓陡增。通則包含：
- 提高料管溫度；
- 提高模溫；
- 降低製品冷卻速度；
- 提高射出速度；
- 降低射出壓力；
- 縮短射出充填時間。
而對於已脫模的塑件，可以退火法消除殘留應力，原理為以略低於玻璃轉移溫度(Tg)的條件加熱塑件，這些熱量可以提供高分子鏈運動所需的能量，藉以消除成型累積或冷卻造成的殘留應力。正因為脫模當下已有殘留應力儲存在塑件中，所以退火法應用時機必須在脫模後立即執行，以免這些殘留應力導致無法預期發生時機的破裂等缺陷。
如何檢測塑件殘留應力
既然已經知道殘留應力的成因與避免法則，我們還需要可以立即檢測出塑件殘留應力的方法，以迅速提出修改對策。對透明塑件如PS、PC、PMMA等，可以用應力偏光儀快速觀察到應力集中部位。
然而，對於不透明塑件，就沒有像應力偏光儀這麼方便快速的檢測方法了。幸好，CAE模流分析提供了更積極的做法，應用模流分析，可以在產品設計階段就找出殘留應力潛在發生部位，並透過變更分析獲得較佳的設計方案。同樣依循光學應力定理，分析所得的光彈條紋，可以表現出塑件殘留應力的分布與集中程度，並可區分為流動誘導及冷卻誘導的應力來源。
