■全鏈管理 / 蔡穎玫 博士
前言
理解速度、溫度及壓力對塑膠高分子鏈排向的作用，進而能理解這些物理因素造成塑件殘留應力的原因，接著我們來討論如何控制成型條件來降低射出成型引起的殘留應力。首先是各項物理因素與機台參數的關係條列如下。
- 塑料溫度：料管溫度、螺桿轉速(rpm)及背壓、射出速度；
- 充填速率：射出速度、保壓速度；
- 塑料壓力：射出壓力（模穴壓力及系統壓力）、保壓壓力、保壓時間；
- 冷卻速率：料管溫度、螺桿旋轉背壓、射出速度、模具溫度、冷卻時間。
成型條件設定要點
塑料溫度
提高料溫會提升熔膠壓力傳遞能力，整體模穴壓力因而增加，同時也提升保壓效果，並且定向層厚度、壓縮應力及拉伸應力都會降低。主要以提高料管溫度來達成升高料溫。
- 優點：熔膠黏度較低，流動性較佳，充填性較好，分子鏈鬆弛較快，排向應力程度較低；
- 缺點：然而過高的料溫容易造成冷卻緩慢（增加成型週期）及不均勻冷卻。塑件脫模時，高溫部分佔比高，易造成變形，因此高料溫反而可能會增加冷卻熱應力及脫模應力。
充填速率
充填速率對高分子鏈排向的影響，主要透過射出速度來設定，為達到塑料最低整體定向結果，所需要的充填速率是介於高速與低速之間，並使用多段射速在速度逐漸減小下結束充填。另外可依產品需求調整充填速率：
- 若產品需要較低的表層應力，藉以改善抗化學性或表面電鍍附著性，則應降低充填速率；
- 若產品需要借助表層的高順向性，藉以改善剛性與彎曲強度，則應提高充填速率。
塑料壓力
模穴壓力增加會提升壓縮應力及其區域厚度、同時降低拉伸應力及其區域厚度，模穴壓力會與射出壓力及保壓壓力有關。
- 射出壓力：高射出壓力在充填過程對塑料會產生較大的剪切作用，因而導致較高程度的分子鏈排向及應力，因此射出壓力不宜過高；
- 保壓壓力：保壓階段熔膠溫度降低時，其黏度瞬間拉高，此時若施加高保壓將強迫分子鏈排向，造成澆口附近出現嚴重的排向應力，因此保壓壓力對殘留應力的影響大於射出壓力。
除壓力大小，保壓時間長短也需一併考慮，時間拉長會增強熔膠的剪切作用，更多具有排向應力的分子鏈結構會被凍結，導致較大的彈性變形，所以塑件的殘留應力會隨保壓時間延長和補料量增加而顯著增大。
由於保壓階段模穴內部已近乎充滿塑料，應控制射出壓力並適當調整保壓壓力與保壓時間，使開模時模內的殘留壓力接近於大氣壓力，以避免產生更大的脫模殘留應力。
充填與保壓參數設定考量
- 充填速度：依充填部位分為多段設定，其中為消除澆口噴流痕考量，第二段通過澆口時將射速放慢，待熔膠進入澆口後再提速充飽部品；而末兩段射速緩降，是為了防止毛邊與穩定切換保壓前的射出壓力；
- 保壓壓力：一般設定兩段保壓，分別考量尺寸精度與應力消除；然而若第一段設定值與V/P切換瞬間的壓力差異過大時，有可能產生縮水或毛邊現象。
結果與討論
總的來說，塑件殘留應力是受到射出成型條件的綜合影響，其中溫度的作用較大：
- 模溫對殘留應力影響較大，較高模溫殘留應力較低；
- 料溫對殘留應力影響較小。
塑料加工特性也會影響殘留應力大小：
- 熱傳係數較高或熱傳導性較佳，則殘留應力較小；
- 熱膨脹係數或彈性模數較高，則殘留應力較小。
因此，可調整成型參數來降低殘留應力：
- 提高料管温度；
- 提高模温；
- 降低製品冷却速度；
- 提高射出速度；
- 降低射出壓力；
- 縮短射出充填時間。
除了成型條件，在產品設計與澆注系統應注意：
產品肉厚
- 肉厚尺寸對殘留應力影響甚鉅，厚度差異越小則應力越低；
- 薄件成品冷卻固化較快有較高的殘留應力。
澆口尺寸
- 澆口尺寸過大將造成保壓補料時間較長，並在熔膠降溫過程中凍結更多的排向應力；
- 保壓時間越長，其後熔膠越冷，會造成澆口附近較嚴重的應力殘存；
- 適當縮小澆口尺寸以縮短保壓填料時間，降低澆口封口時的模內壓力；
- 然而若澆口尺寸過小，將導致充填時間過長，熔膠溫差大，且容易造成充填缺料。
澆口位置
- 澆口位置決定熔膠的流場、流動距離與流動方向，設計在肉厚區域可降低射出壓力、保壓壓力及保壓時間，有利降低殘留應力；
- 若於肉薄區域進膠，需適當增加澆口入口處厚度以降低澆口附近應力。
流道設計
- 為降低熔膠流動時的壓損與溫降，流道會建議設計成短而粗的形式，以降低射出壓力與減緩冷卻速率，從而降低應力。
在冷卻水路及頂出系統應注意：
- 冷卻水路：設計目標為使產品可以緩慢地均勻冷卻。
- 頂出系統：澆口需設計適當的脫模角度與頂針位置，模芯需要較高的拋光度與設計較大的頂出面積，防止強制脫模產生脫模干涉應力。
