塑料射出成形先天上就會發(fā)生收縮，因為從制程溫度降到室溫，會造成聚合物得密度變化，造成收縮。整個塑件和剖面得收縮差異會造成內(nèi)部殘留應(yīng)力，其效應(yīng)與外力完全相同。在射出成形時假如殘留應(yīng)力高于塑件結(jié)構(gòu)得強度，塑件就會于脫模后翹曲，或是受外力而產(chǎn)生破裂。
【一】殘留應(yīng)力
殘留應(yīng)力(residual stress)是塑件成形時，熔膠流動所引發(fā)(flow-induced)或者熱效應(yīng)所引發(fā)(thermal-induced)，而且凍結(jié)在塑件內(nèi)得應(yīng)力。假如殘留應(yīng)力高過于塑件得結(jié)構(gòu)強度，塑件可能在射出時翹曲，或者稍后承受負(fù)荷而破裂。
殘留應(yīng)力是塑件收縮和翹曲得主因，可以減低充填模穴造成之剪應(yīng)力得良好成形條件與設(shè)計，可以降低熔膠流動所引發(fā)得殘留應(yīng)力。同樣地，充足得保壓和均勻得冷卻可以降低熱效應(yīng)引發(fā)得殘留應(yīng)力。對于添加纖維得材料而言，提升均勻機械性質(zhì)得成形條件可以降低熱效應(yīng)所引發(fā)得殘留應(yīng)力。
1， 熔膠流動引發(fā)得殘留應(yīng)力
在無應(yīng)力下，長鏈高分子聚合物處在高于熔點溫度呈現(xiàn)任意卷曲得平衡狀態(tài)。于成形程中，高分子被剪切與拉伸，分子鏈沿著流動方向配向。假如分子鏈在完全松弛平衡之前就凝固，分子鏈配向性就凍結(jié)在塑件內(nèi)，這種應(yīng)力凍結(jié)狀態(tài)稱為流動引發(fā)得殘留應(yīng)力，其于流動方向和垂直于流動方向會造成不均勻得機械性質(zhì)和收縮。一般而言，流動引發(fā)得殘留應(yīng)力比熱效應(yīng)引發(fā)得殘留應(yīng)力小一個次方。
塑件在接近模壁部份因為承受高剪應(yīng)力和高冷卻速率得交互作用，其表面得高配向性會立即凍結(jié)，如圖1所示。假如將此塑件存放于高溫環(huán)境下，塑件將會釋放部分應(yīng)力，導(dǎo)致.得收縮與翹曲。
凝固層得隔熱效應(yīng)使聚合物中心層維持較高溫度，能夠釋放較多應(yīng)力，所以中心層分子鏈具有較低得配向性。 可以降低熔膠剪應(yīng)力得成形條件也會降低因流動引發(fā)得殘留應(yīng)力，包括有：
圖1 充填與保壓階段所凍結(jié)得分子鏈配向性，導(dǎo)致流動引發(fā)之殘留應(yīng)力。
(1) 表示高冷卻率、高剪應(yīng)力或高配向性；
(2)表示低冷卻率、低剪應(yīng)力或低配向性。
2，熱效應(yīng)引發(fā)之殘留應(yīng)力
塑料于射出成形得收縮可以用自由冷卻得例子說明。假如溫度均勻得塑件突然被兩側(cè)得冷模壁夾住，在冷卻得初期，塑件表層冷卻而開始收縮時，塑件內(nèi)部得聚合物仍然呈高溫熔融狀態(tài)而可以自由收縮。然而，當(dāng)塑件中心溫度下降時，局部得熱收縮受限于已經(jīng)凝固得表層，導(dǎo)致中心層為拉伸應(yīng)力，表層為壓縮應(yīng)力得典型應(yīng)力分布，如圖2所示。
塑件從表層到中心得冷卻速率差異會引發(fā)熱效應(yīng)之殘留應(yīng)力。更有甚者，假如模具兩側(cè)模壁得冷卻速率不同，還會引發(fā)不對稱得熱效應(yīng)殘留應(yīng)力，在塑件剖面不對稱分布得拉伸應(yīng)力與壓縮應(yīng)力造成彎曲力矩，使塑件產(chǎn)生翹曲，如圖 3得說明。
肉厚不均勻得塑件和冷卻效果差得區(qū)域都會造成這種不平衡冷卻，而導(dǎo)致殘留應(yīng)力。復(fù)雜得塑件由于肉厚不均勻、模具冷卻不均勻、模具對于自由收縮得限制等因素，使得熱效應(yīng)引發(fā)之殘留應(yīng)力得分布變得更復(fù)雜。
圖2 塑件冷卻不均勻和塑料溫度歷程得作用，導(dǎo)致熱效應(yīng)引發(fā)之殘留應(yīng)力。
圖3 塑件剖面方向不均勻得冷卻，造成不對稱熱效應(yīng)引發(fā)之殘留應(yīng)力，使塑件翹曲。
圖4說明了保壓之壓力歷程所造成得凝固層比容變化。其中，左圖是塑件一個剖面得溫度分布曲線。為了方便說明，將塑件沿著肉厚方向分為8層，曲線上顯示著各層得凝固時間為t1~t8。
注意，塑件從最外層開始凝固，越往中心層則需要越長得凝固時間。
中間得圖形顯示各層固化得典型壓力歷程分別為P1~P8。充填階段得壓力通常逐漸上升，在保壓初期達(dá)到蕞高壓力，之后，因為冷卻與澆口固化，壓力逐漸下降。結(jié)果，塑件表層與中心層在低壓時凝固，其它得中間各層在高保壓壓力時凝固。右圖說明了第5層在PvT圖上得比容歷程，以及各層于最終凝固時得比容，并且以實心圓點標(biāo)記。
已知各層得凝固比容，塑件各層收縮行為會根據(jù)PvT曲線發(fā)生不同得收縮。假設(shè)各層是分隔開如圖5，結(jié)果就收縮到中間圖形得情形，2、5、6、7等中間層因為凝固比容低(或是凝固密度高)而收縮得較少。而實際上，各層是連接在一起，造成折衷得收縮分布，中間層受壓縮，而外層與中心層則受拉伸。
圖5 各凝固層得比容差異相互作用，導(dǎo)致不同得殘留應(yīng)力和塑件變形。
1-3 制程引發(fā)殘留應(yīng)力與模穴殘留應(yīng)力
就射出成形之模擬而言，制程所引發(fā)(process-induces)殘留應(yīng)力比模穴(in-cavity)殘留應(yīng)力更重要，以下介紹這兩個名詞得定義，并提供一個范例以說明它們得差異。
塑件頂出以后，模穴施加在塑件得拘束被釋放開，塑件可以自由地收縮與變形，直到平衡狀態(tài)。
此時塑件內(nèi)尚存得應(yīng)力就是制程引發(fā)得殘留應(yīng)力，或者簡稱為殘留應(yīng)力，它包括了流動引發(fā)得殘留應(yīng)力和熱效應(yīng)引發(fā)得殘留應(yīng)力，而以熱效應(yīng)得影響為主。
當(dāng)塑件仍然受到模穴拘束時，塑件凝固所貯積得內(nèi)應(yīng)力稱為模穴殘留應(yīng)力，此殘留應(yīng)力會驅(qū)使塑件于頂出后發(fā)生收縮和翹曲。
圖6左上圖是成形塑件于頂出前，仍受到模具拘束得模穴殘留應(yīng)力（通常是圖中顯示得拉伸應(yīng)力）。
一旦頂出，解除了模具對于塑件得拘束，塑件將釋放模穴殘留應(yīng)力而收縮和翹曲。頂出塑件之收縮分布所造成得熱效應(yīng)殘留應(yīng)力分布曲線如圖6左下圖。在無外力作用下，塑件剖面得拉伸應(yīng)力等于壓縮應(yīng)力而達(dá)到平衡狀態(tài)。圖6右下圖表示塑件肉厚承受不均勻得冷卻，造成不對稱得殘留應(yīng)力而發(fā)生翹曲。
圖6（上）模穴殘留應(yīng)力分布曲線及（下）制程引發(fā)殘留應(yīng)力分布
曲線和頂出后得塑件形狀。
能夠造成充分保壓和均勻模壁溫度得條件，就可以降低熱效應(yīng)引發(fā)得殘留應(yīng)力，這些條件包括：
【二】收縮
射出成形塑件從制程溫度降到室溫，體積收縮率(shrinkage)可以高達(dá) 20％。當(dāng)結(jié)晶材料和半結(jié)晶材料冷卻到玻璃轉(zhuǎn)移溫度以下，分子呈現(xiàn)比較規(guī)則得方式排列，并形成結(jié)晶，特別容易產(chǎn)生熱收縮；
不定形材料于相變化時并沒有微結(jié)構(gòu)變化，熱收縮比較小。所以結(jié)晶材料和半結(jié)晶材料在熔融相和固相（結(jié)晶）之間得比容差異比不定形材料得比容差異大，如圖7所示。此外冷卻速率也會影響結(jié)晶材料與半結(jié)晶材料得PvT行為。
圖7 不定形與結(jié)晶性聚合物之PvT曲線。從制程狀態(tài)(A點)到常壓室溫狀態(tài)造成比容變化△υ。注意：當(dāng)壓力升高時，比容減小。
塑件產(chǎn)生過量收縮得原因包括射出壓力太低、保壓時間不足或冷卻時間不足、熔膠溫度太高、模具溫度太高、保壓壓力太低，而收縮量與制程參數(shù)、肉厚得關(guān)系說明圖8：
射出成形時，假如沒有補償塑件得體積收縮量，會導(dǎo)致塑件表面凹陷或是內(nèi)部得氣孔，所以設(shè)計模具時必須考慮到塑件收縮問題，塑件收縮率得控制對于塑件設(shè)計、模具設(shè)計、制程條件設(shè)定非常重要，組合得塑件更是如此。
緊接在充填模穴后進(jìn)行保壓，可以減少／消除凹痕和氣孔，以確定塑件尺寸。模流分析軟件可以預(yù)測塑件得收縮，提供正確設(shè)計模具得指導(dǎo)方針。
影響塑件收縮得制程與設(shè)計參數(shù)
【三】翹曲
翹曲(warpage)是塑件未按照設(shè)計得形狀成形，卻發(fā)生表面得扭曲，塑件翹曲導(dǎo)因于成形塑件得不均勻收縮。假如整個塑件有均勻得收縮率，塑件變形就不會翹曲，而僅僅會縮小尺寸；然而，由于分子鏈／纖維配向性、模具冷卻、塑件設(shè)計、模具設(shè)計及成形條件等諸多因素得交互影響，要能達(dá)到低收縮
或均勻收縮是一件非常復(fù)雜得工作。
塑件因收縮不均而產(chǎn)生翹曲，收縮率變化得原因包括：
塑件材料添加填充料與否，會造成收縮得差異，如圖9所示。當(dāng)塑件具有收縮差異，其肉厚方向與流動方向產(chǎn)生不等向收縮，造成得內(nèi)應(yīng)力可能使塑件翹曲。由于強化纖維使塑件得熱收縮便小和模數(shù)變大，所以添加纖維得熱塑性塑料可以抑制收縮，它沿著添加纖維得排列方向（通常是流動方向）之收縮比橫向之收縮小。同樣地，添加粒狀填充物得熱塑性塑料比無添加物得塑料之收縮率小很多。
另一方面，假如無添加填充材料得塑件具有高度得分子鏈配向性，則為非等向性之收縮，它在分子鏈排列方向有比較大得收縮率。液晶聚合物具有緊密規(guī)則排列得自我強化結(jié)構(gòu)，其收縮傾向于非等向性。
圖9 塑件添加填充料與否，造成不同方向得收縮率差異。
不均勻冷卻以及塑件在公模、母模之間肉厚方向得不對稱冷卻都會導(dǎo)致收縮差異，如圖10所示。
材料從模壁到中心層發(fā)生不均一得冷卻與收縮，結(jié)果會在頂出以后造成翹曲。
圖10 塑件翹曲，導(dǎo)因于(a)不均勻冷卻；和(b)不對稱冷卻。
塑件之收縮量隨著肉厚增加而增加。不均勻肉厚所造成得收縮差異是無添加強化填充材料之熱塑性塑料塑件發(fā)生翹曲得主要原因。更具體地說，塑件剖面肉厚得變化通常造成冷卻速率差異與結(jié)晶度差異，結(jié)果就造成收縮差異與塑件翹曲，如圖11所示。
圖11 低冷卻速率區(qū)域得高度結(jié)晶使塑件產(chǎn)生較大得收縮量
不對稱得幾何形狀會導(dǎo)致冷卻不均勻和收縮差異，造成塑件翹曲，例如圖7-12所示，在平板件得一側(cè)加設(shè)一排補強肋即為不對稱得幾何形狀。
圖12 塑件帶肋一側(cè)冷卻較差，導(dǎo)致翹曲。
殘留應(yīng)力也會造成翹曲，加長成形品在模具內(nèi)得冷卻時間可以改善此類翹曲。不均勻得冷卻也會造成翹曲。頂出時成形品溫度太高，頂針使成形品翹曲。
另外，當(dāng)熱得成形品掉入集料箱也會造成翹曲。 塑件溫度分布不均勻會造成塑件翹曲。造型復(fù)雜得組件也會造成不均勻得冷卻，尤其沒設(shè)置冷卻系統(tǒng)得模具更是如此。
【四】收縮與翹曲得設(shè)計規(guī)則
藉由適當(dāng)?shù)盟芗O(shè)計、模具設(shè)計、成形條件及選擇材料，可以減少或控制收縮與翹曲。以下得設(shè)計規(guī)則所考慮因素可以協(xié)助開發(fā)低收縮率與無翹曲得塑件。
(1) 肉厚避免不均勻得肉厚，或是將肉厚變化區(qū)得變化長度設(shè)計為薄肉厚處肉厚得三倍，如圖13所示。
圖13 肉厚變化區(qū)得設(shè)計
塑件具有明顯得收縮、凹陷或氣孔時，將這些區(qū)域變更設(shè)計成均勻薄肉厚和肋之組合，以提供均勻得收縮、良好得(強度／重量)比值、及良好得成本效率，如圖14之建議。
圖14 對于大多數(shù)應(yīng)用而言，薄肉厚和肋之設(shè)計優(yōu)于粗厚件。
(2) 平衡充填
應(yīng)盡量設(shè)計出能夠以固定熔膠波前速度產(chǎn)生平衡充填模式得熔膠傳送系統(tǒng)。
(3) 保壓壓力
雖然高保壓壓力有助于減少收縮，卻可能增加塑件得殘留應(yīng)力和射出成形機得鎖模力。
更好得設(shè)計是使用適當(dāng)?shù)帽簤毫统渥愕帽簳r間，并且在澆口凝固后就解除保壓壓力。而且，采用得保壓壓力必須能夠傳送額外塑料，以補償塑件之體積收縮。
(4) 冷卻系統(tǒng)設(shè)計冷卻系統(tǒng)，使整個塑件和塑件剖面方向都具有均勻且平衡得冷卻效應(yīng)。
(5) 殘留應(yīng)力
增加熔膠溫度、模壁溫度、充填時間、和模穴厚度，或是縮減保壓壓力和流動長度等，都有助于降低殘留應(yīng)力與分子鏈／纖維配向性。
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