應用黏彈性分析於預測射出產品之流動殘留應力

Tommy_GZ · 发表于 2008-5-30 16:13:57

應用黏彈性分析於預測射出產品之流動殘留應力

作者：
張元榕1、邱顯森1、楊文賢1、張榮語2
1 科盛科技股份有限公司
2 國立清華大學化學工程學系

摘要：
近來流動導致之殘餘應力在塑膠射出成型的製程中已經成為相當重要的課題。流動殘餘應力與其所伴隨的高分子排向影響成品的許多物理性質，如非等向性之機械性質與光學性質。流動殘餘應力主要受到在塑膠充填流動的過程中高剪切率所導致，而在充填之後的冷卻與脫模階段持續被釋放或凍結。本文將整合黏彈性模型與三維數值模擬技術來預測射出成型中流動殘餘應力。

關鍵字：流動殘餘應力、黏彈性

1. 前言
射出成型產品中存在的殘餘應力主要由兩個原因所導致，一為充填階段之由流動殘餘應力所引發之分子排向，二為冷卻階段不均勻收縮所產生之熱殘餘應力。流動殘餘應力主要受到在塑膠充填流動的過程中高剪切率所導致，而在充填之後的冷卻與脫模階段持續被釋放或凍結。熱殘餘應力則主要由高溫的塑膠材料冷卻到玻璃轉移溫度(

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)後的不均勻的體積收縮與密度變化所生成。
分子排向與流動殘餘應力在充填階段與保壓階段是屬於高分子黏彈性的行為。在溫度高於玻璃轉移溫度之下，塑料處於液態的階段，高分子鏈將依據流動方向產生相應對的配向。而射出成型過程中高冷卻率下的快速固化將使得這些應力與分子排向無法被完全的鬆弛及釋放。
流動殘餘應力一般認為比熱殘餘應力小，然而流動殘餘應力與高分子的凍結排向息息相關，在現今的技術中利用流動殘餘應力提供與分子排向的關聯是較為可行的方案。而高分子凍結排向影響了非等向性的機械性質、熱性質與光學性質，並影響了之後的尺寸穩定度，因此流動殘餘應力之重要性是無法忽略。
流動殘餘應力在薄件成型中相對於熱殘餘應力更是扮演主導性的角色，因為薄件的冷卻太快使得分子排向不完全鬆弛的量增加，而薄件也將產生比較少的體積收縮率及較小的熱殘餘應力。一般在模穴表面的固化層是熱的不良導體，使得在模穴核心的溫度可以維持高溫，使得分子排向在這區域可以被鬆弛釋放，然而在薄件成型中，整個產品在很短的週期下冷卻而快速凍結，因此在薄件中流動應力的釋放較少而佔有主導的地位，而熱殘餘應力則在厚件中佔有主導的地位。
未來的產品發展，在實際應用的許可下，逐漸走向輕薄短小的方向發展，消費型產品可以更輕便貼近使用者需求，而泛用型產品可以盡量節省材料。因而預期在未來，在充填過程中狹小的流動空間將會使得流動殘餘應力所導致的問題逐日嚴重，也將逐漸被重視。以往黏彈性分析發展受限於計算耗時與求解過程不穩定，不但只能發展於2.5D薄殼理論下，且侷限在學術上的討論與研究。幸而在電腦計算技術逐漸加快與數值模擬方法不斷發展下，發展出足以應付複雜工業案例及真實三維模擬過程的黏彈性分析已經不再是遙不可及。
本文整合真實三維熱流求解核心與黏彈性模型模擬熔膠在射出成型製程中的流動殘餘應力。本文以一長方形平板的模穴充填分析作為探討，最後再以一工業界的產品之實驗與模擬的比較作為現有數值方法的可信度的展示，其結果可進一步以應用至光學性質的預測與翹曲行為的影響等。