第二章 研究內容與方法
2-1殘留應力概述
當塑膠製品在應用上發生破裂或破壞時，就材料力學的觀點，即代表 該塑膠件在破壞區域上所承受之應力數值總合超過了該材料之材料強度 [10][11]。因此要解決製品在使用上的破壞或破裂問題，就必須要增加材 料強度或減少製品之應力值。塑膠製品承受的應力作用通常可依照來源區 分為外部應力及內部應力兩種，外部應力是製品在使用時因遭受外力作用 而造成之應力，此部分將依產品應用場合而定，通常無法控制其程度，一 般在設計上會依照常態之外部應力值，乘上安全係數來設計產品之強度。
而內部應力通常是塑膠製品在加工過程中所產生而留存在於成品內部。 所 以要有效解決塑膠製品破壞問題，唯有降低內部殘留應力作用或提高材料 強度兩種方法。
塑膠材料由於具有高黏度特性，所以一般在成型加工時都需要利用高 溫、高壓等加工條件來降低塑膠熔膠黏度至容易加工之範圍，另外由於塑 膠具有較低之熱傳導係數，為熱的不良導體，所以在高溫後需要長時間才 能達到均勻溫度之冷卻。
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然而現代塑膠射出成型製程，一般為求經濟效益快速生產，所以對於 射出成型週期都盡量縮短，而所對應之射出成型條件即要求射速快、冷卻 時間短；然而射出與保壓的過程中，模內非等溫流動造成的剪切應力被過 快的冷卻所凍結，會導致塑品產生流動殘留應力 ( Flow residual stress)，同 時因為塑件成型時膨脹收縮受到模具限制，快速冷卻時溫度分佈不均，冷 卻層從外而內推進，塑件各部位降至玻璃轉化點的時間不一而導致應力產 生，稱為熱殘留應力 ( Thermal residual stress)，通常熱殘留應力比流動應力 殘留大一個數量級。
殘留應力對塑膠製品的影響常見的有下列幾種：
1. 塑膠製品的外觀尺寸變形及翹曲問題
由於剪切流動造成分子鏈的排向或是由於成品幾何造成流動的定向效 果，在塑膠製品脫模時容易因應力鬆弛而造成尺寸發生變形，另外由於塑 膠製品尺寸的不對稱性或在製品厚度方向冷卻收縮的不平衡性，所形成的 熱應力都將造成成品在脫模後發生翹曲變形現象。此現象對於尺寸精密度 有要求或有組裝搭接需求之塑膠射出製品，將會是一大問題。
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2. 環境應力破壞（Environment Stress Cracking , ESC）
環境應力破壞當屬塑膠製品在使用上比例最高的破壞型式，例如太陽 UV 光照射破壞、老化破壞、氣候性乾溼冷熱循環破壞等等，其他像塑膠件 的蠕變性破壞、疲勞性破壞等，殘留應力的存在都是遠因之一。
3. 塑膠製品在使用上或二次加工上發生問題
例如表面接著、表面電鍍或表面塗裝等加工方法，都會因為塑膠製品 表面高度分子定向之高應力情況，而產生介面不相容性。 另外如接觸到溶 劑、化學品等也會造成在應力區域的加速劣化。
總括而言，塑膠殘留應力是指塑膠製品在經過成型或二次加工過程後，
在無外力作用下或無溫度梯度存在時，物體內部仍然維持承受應力之狀況。
也就是塑膠分子結構並非處在最低能量之最穩定狀態，分子鏈受到流動定 向影響或是受到周圍分子鏈之拘束，而呈現不穩定之高能量狀態，所以一 旦有外界能量給於此受應力作用之分子鏈時，則此分子鏈將極易釋放出應 力而達到穩定之組態。
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2-2裂紋與開裂
高分子物質所發生的裂紋(craze)、開裂(crack)破壞，其微觀區別為:分子 局部配向影響所致出現細微空洞為裂紋，分子鏈間完全斷裂則為開裂，裂 紋累積一定量之後有機會斷開形成開裂，見圖 2- 1[12]。
一個開裂破壞依照時間前後可分為開始、成長、停止三個階段。
[10][11]
1. 開始階段:承受應力到產生裂紋的期間長短會因環境條件而有差異，也 因此我們可以利用溶劑、紫外線或熱循環等等方式加速開裂的產生；
這期間相當於超過發生裂紋所必須能量障壁的時間或發生點分子移動 的時間，發生點為聚合物中不均勻的部分，通常會由物品表面向內部 成長。
2. 成長階段：開始發生裂紋後，由於其周遭聚合物接連降伏，導致裂紋 越來越大，周遭聚合物會急速重新分子配向，造成裂紋寬度的成長。
3. 停止階段：停止的原因很多，一是裂痕變大導致周遭應力被分散，殘 留應力值降到破壞值以下，也有可能遇到異物而被強制終止。
當破壞尚在裂紋狀態時，利用退火是有效消除的，原因為退火能讓應
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力集中處的分子重新配向，成為較穩定的狀態。
2-3 嵌入式射出成型
嵌入式射出成型(insert molding)是射出成型製程中一種常見的方法，
也有人稱之為埋入射出或鑲件射出，嵌入式射出成型機常搭配機械手臂等 機構自動放置嵌入件(圖 2- 2)，再施以傳統射出，用以簡化組裝製程，減少 整體製程花費時間；常見的製品有連結器、各種閥、3C 產品外殼、LED 等 等，見圖 2- 3。
2-3-1 嵌入式射出成型優缺點
其優點為:
1. 結合塑膠(易組裝、複雜造型的製造成本低、自我潤滑、重量輕、不生 鏽與絕緣)與金屬特性(高強度、高硬度與良好導電性)兩者結合加強零 件的功能與特性，可減少產品體積。
2. 塑膠與嵌入件一體化，無相對位置偏移，機械強度大，提升裝配生產 性、自動化性、可靠度。
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3. 大部分難以組裝的小型零件，精密及複雜零件可直接嵌入模具，取代 二次組裝，提升生產效率。
缺點如下：
1. 大件的嵌入件在塑膠中容易應力集中。
2. 因結合兩種或兩種以上的不同性質的材質，其熱膨脹係數不同，易造 成變形或破壞。
3. 須加裝自動化操作設備：定位、棘輪、進料裝置等等。
4. 然而最大的問題則是多種材質結合在一起，報廢料件回收困難。
2-3-2 嵌入式射出成型步驟
傳統射出成型最基本的步驟就是充填、保壓、冷卻、螺桿鬆退及頂出 固化塑料等步驟，如圖2- 4，而嵌入式射出成型即是充填之前增加在模具中 置入嵌入件這一步驟再進行傳統射出成型。
射出成型機的構造中，一般是使用往復式螺桿進行射出機之進料、熔 膠及充填，其中螺桿之旋轉乃利用油壓作動來完成。圖2- 5所示為射出機之
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射出單元:塑料從進料筒以一般重力的方式落入料管，旋轉螺桿將塑料推向 料管之加熱區。由於螺桿旋轉是以高速進行，在將塑料推向加熱區的同時，
其螺牙對塑料所施予的剪切作用會產生極大的剪切熱，促使塑料提前熔化，
以確保塑料在獲得加熱區之熱源後，能夠達到完全熔融的狀態。圖2- 6為單 螺桿之三段區域示意圖，當熔融的塑料從進料區被推向計量區時，由塑料 對螺桿螺牙所施與的反作用力，將迫使螺桿向後退至原先設定位置，螺桿 轉動才會停止。此時料管前端已儲存足夠的射膠量，等待接著而來的充填 製程。
由於塑膠熔融狀態時之密度較塑膠冷凝為固態時之密度為小，而冷凝 後體積則相對縮小，保壓製程即是為了改善這種情形而設計，當模穴充填 完畢後，再以較高的壓力將模穴外的熔膠再次擠入模穴，並持續一段時間 後，使模穴內塑膠熔膠密度提高，以彌補冷卻後所收縮的體積。
冷卻的目的是將熔膠所含的熱量移除，使塑料從黏稠的熔膠凝結成為 固體狀態，以利成品於脫模時被頂出。模具中冷卻系統效率是影響冷卻時 間的主要因素，依不同模穴的幾何形狀、位置及大小等，必須設計不同冷 卻系統。冷卻劑的不同、冷卻管路相對位置、冷卻管路的大小及冷卻溫度
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設計等因素都影響到冷卻時間長短及冷卻系統之效益。
料管內之塑料經高溫融化又經壓縮，當螺桿停止轉動後，塑料會膨脹 從射嘴流出，為使膨脹熔膠不從射嘴流出，故需在射膠動作結束時，將射 膠螺桿後退少許，以增加料管前端之空間，使塑料有多餘的空間膨脹而不 至於從噴嘴流出。最後打開模穴，將成品、澆道系統及廢料頂出。
2-3-3 射出成型製程各階段重點 1. 塑化過程要完全熔化且溫度需一致。
2. 充滿模穴時，模內各處溫度要盡量一致，並且模穴內各處之固化層厚度 盡量小且一致，才能有效傳遞保壓階段之壓力。
3. 充填過程波前速度要穩定，使表層分子拉伸程度及剪切應力一致。
4. 保壓階段模穴各處壓力保持一致，才能有相同的收縮率。
5. 冷卻過程中模穴各處壓力與溫度降低速率應一致，才能有一致之密度。
6. 參數設定不要超越塑料之性質極限，如溫度、剪切率、剪切應力，以免 破壞塑料分子。
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模溫控制之所以重要，是因為模溫高低與冷卻速率將大為影響塑膠製 品之外觀尺寸精度與殘留應力發生，其影響包括以下三點：
1. 對成形性及成形效率而言，模溫高則流動性佳。模溫低則能夠縮短固化 時間，提高效率。
2. 對成形品物性而言，模溫高則塑膠材料之結晶度高，表面性質較佳。模 溫低則材料迅速固化，容易不均勻冷卻造成殘留應力。
3. 對防止成品變形而言，冷卻不足容易發生收縮下陷。冷卻不均則容易收 縮不平均，引起翹曲、扭曲。
2-4 嵌入式射出成型製品殘留應力成因
通常塑膠製品常見之內部應力可分為兩種，一種是剪切流動造成之流 動應力，另一種是冷卻收縮所造成之熱應力。塑膠材料在成形過程中會因 為高剪切作用造成分子鏈結構的高度定向現象，此種是屬於熔膠剪切流動 所形成之應力，另外因為不均勻之冷卻造成塑膠製品內分子鏈的不均勻收
通常塑膠製品常見之內部應力可分為兩種，一種是剪切流動造成之流 動應力，另一種是冷卻收縮所造成之熱應力。塑膠材料在成形過程中會因 為高剪切作用造成分子鏈結構的高度定向現象，此種是屬於熔膠剪切流動 所形成之應力，另外因為不均勻之冷卻造成塑膠製品內分子鏈的不均勻收