減少殘留應力的方法

在塑膠射出成型的製程上，殘留應力一定會存在；只能夠減少殘留應力的 量而已。目前業界使用減少殘留應力的方式，主要分為下列三種方法：

1. 調整充填（材料成形溫度、螺桿行程-速度、充填時間）/保壓（保壓時 間與保壓壓力）/冷卻（冷卻時間）等成形條件。

調整成形條件雖然簡單，但是這些因素往往會互相干擾，成形業者 反而不易找出正確的解決方法。例如：充填速度太慢，塑料與模壁之間 的固化層成長速度會太快，塑件不易充填完成；但是太快的充填速度反 而會提高剪切應力，造成過高的殘留應力。

2. 採用新型成形方式，如射出壓縮（injection-compression）製程，或是超 高速射出成型（ super high-speed injection molding / ultra-high speed injection molding process）製程。

射出壓縮製程[22]如圖 2.10 所示，在充填前，模具會略微開啟，當 充填結束瞬間，模具會進行完全閉合，射出成型機再繼續進行保壓製程。

在第一階段，略微開啟的模具等於是讓產品的厚度增加，塑料可以用較 低的射速進行充填而不至於短射；第二階段模具完全閉合並且進行保

壓，則是由射出成型機對模具可動側施力，利用機台的鎖模力達到對模 穴均勻施壓，這樣能夠減少保壓階段機台所需增加的保壓壓力。此種成 型方式不但可以降低充填模穴所需之射出壓力，且由於均勻加壓使得整 個成型製程可以 在低壓的環境下完成而得到模穴內熔膠均勻的壓力分 佈。與傳統的射出成型製程相比，射出壓縮成型能夠有效的降低射出壓 力，減少殘留應力，均勻的保壓能夠減少產品的收縮，並且改善產品發 生變形的狀況。不過由於第一階段的模具開啟動作，這種製程目前僅能 應用於簡單造型的產品（例如光碟片或是光學鏡片）。

超高速射出成型[23]則是在充填階段以高速進行射出成型的一種方 式。傳統的射出成型機，最高充填速度多在 180mm/sec ~ 200mm/sec； 所 謂的超高速成形，泛指充填速度在 600mm/sec（也有指定為 800mm/sec）

以上的射出成型速度。在這麼高的射出成型速度下，塑料會因為充填過 程中的黏滯熱而讓黏度再次降低，提高塑料的流動性，降低射出壓力。

低黏度/高流速的充填方式能夠降低產品的殘留應力，但是這種成形方式 受限於機台規格，目前僅能在特定尺寸以下的產品使用。

3. 利用二次加工，對塑件施加能量（熱能、機械能、光能，化學能等），讓 塑膠產生應力鬆弛的效果，進而達到消除殘留應力的要求。

過去的研究中，大多以熱處理的方式進行殘留應力消除的研究。

Thompson 與 White[24]以射出成形方式製作 PS、PP、添加玻璃纖維之 PS，

以及添加玻璃纖維之 PP 的圓棒，再將圓棒進行冷熱循環測試，量測成形品 在開模後以及冷熱循環測試後之殘留應力及變形量，確認產品表面會形成 壓縮應力，中心則是形成拉伸應力；在冷熱循環過程中，高溫時中心的拉 伸應力範圍會增加，增加量讓產品在低溫作用時減緩其變形量； Choi 與 Broutrnan [25]則是採用 PE 材料，以 120℃進行一小時的熱處理，結論顯示 熱處理溫度之影響比熱處理時間更加敏感。Thakkar 與 Broutman [26]將冷 作 PC 板（cold worked polycarbonates）進行不同溫度的熱處理（25°C~125

°C, 2 小時），實驗證明在熱處理過後，拉伸應力可提昇，殘留應力可降低，

而且降低幅度與加熱溫度有關； Wang 與 Zhang [27]針對鹼性蓄電池塑膠 外殼常用的幾種材料（ABS、MBS、AS，PA）進行不同的熱處理條件測試，

驗證了在不同的熱處理條件測試下，可消除產品的殘留應力。

在前述研究中，大部分的研究是以玻璃轉換點溫度或是熱變形溫度為 基礎加以調整，熱處理時間大多在 2 小時內完成，對於長時間熱處理溫度 對於殘留應力的影響並沒有做詳細的探討。本研究希望能夠進一步了解加 熱溫度與加熱時間長短對於殘留應力的影響。

圖 2.1 塑膠產品上之結合線痕跡

圖 2.2 噴泉流（fountain flow）[2]

圖 2.3 V 形缺口的形成方式

圖 2.4 因為肉厚差異形成的結合線（右下角圖檔為 weld angle 輸出，以塑 料會合時之角度顯示結合線的形成；分析軟體為 3D TIMON）

圖 2.5 ECO-MAK^® 系統示意圖[28]

圖 2.6 排氣入子示意圖[29]

圖 2.7 透氣鋼[30]

圖 2.8 在充填及保壓階段的高分子配向造成的流動殘留應力[2]

(1) High cooling, shear, and orientation zone (2) Low cooling, shear, and orientation zone

圖 2.9 熱殘留應力的形成原因[2]

圖 2.10 射出壓縮（injection compression）製程[31]