塑胶残余应力解析.pdf

塑膠殘留應力解析 一、塑膠殘留應力介紹: 當一塑膠成品在應用上發生破裂或破壞時，就材 料力學的觀點，即表示該塑膠件在破壞區域上，其 所承受之應力數值總合超過了材料本身之物性強度 數值。 因此要解決成品在使用上的破壞或破裂問題，就 必須要從如何增加材料物性強度或從如何減少成品 應力值來著手。 塑膠製品承受的應力作用通常可依應力來源區分 為外部應力及內部應力兩種 塑膠殘留應力解析 外部應力 : 是成品在使用時所遭受之外力作用 ，此部分將視 產品應用場合而定，通常是無法控制其程度，一般 產品設計者會依照常態之外部應力值，乘上一安全 係數值來設計產品之強度。 內部應力 : 通常是成品在加工成型過程中所產生而留存在成 品內部。 塑膠殘留應力解析 塑膠材料由於具有高黏特性，所以一般在成型加 工時都面臨高溫、高壓、高剪切等加工條件，來有 效降低塑膠熔膠黏度至容易成型加工之範圍，另外 由於塑膠具低的熱傳導係數，是熱的不良導體 ，所 以在高溫成型後需要長時間方能達到均勻溫度之冷 卻。 然而現代塑膠射出成型加工，一般為求高效益快 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就需要要求射速快、冷卻時間 短 ，而對於塑膠成品而言過大之速度差或不均勻冷 卻 ，往往會造成成品內部形成應力。 塑膠殘留應力解析 所謂塑膠殘留應力就是指塑膠成品在經過製造或 成形過程後，在無外力作用下或無溫度梯度存在時， 物體內部仍維持承受應力之狀況。 通常塑膠件常見之內部應力可分為兩種: 剪切流動一. 造成之流動應力 。 冷卻收縮二. 所造成之熱應力 。 塑膠殘留應力解析 一.剪切流動造成之流動應力。 塑膠材料在成型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。 二.冷卻收縮所造成之熱應力。 塑膠材料在成型過程中因不均勻之冷卻造成成品 內分子鏈的不均勻收縮，當成品溫度快速冷卻到塑 鏈間應力無法完全釋放，此種是屬於冷卻所形成之 應力。 塑膠殘留應力解析 所謂殘留應力就是指在塑膠成型過程中，造成分 子結構不是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週圍分子鏈之拘束，而呈 現不穩定之高能態，極易釋放出應力而達到其最穩 定之組態。 若再有外界能量給於此受應力作用之分子鏈，則 此分子將更易釋放出應力，造成成品尺寸翹曲變形， 應力破壞的加速等不良現象。 塑膠殘留應力解析 在一般塑膠射出成型加工過程中，由成品厚度方 向來觀察，可以發現成品可依分子鏈之微觀結構差 異，來區分不同之區域，如【圖一】所示。 塑膠殘留應力解析 熔膠流動層。 層是充填時緊靠A層的高剪切區域所形成的，由於 與A層具有最大之速度差，所以形成最大之剪切流 動應力效果 ，塑膠充填結束時本區尚未完全凝固， 因外層之A固化層有絕熱效果，使B層熱散失較慢。 而C層反而較無剪切作用現象，若產品厚度有變化， 則主要會影響C層厚度，若是薄件成品則C層的厚度 將會變小。 塑膠殘留應力解析 塑膠殘留應力解析 大部分區域是屬於熔膠流動層，而這區域主要之內 部應力形成是由於不均勻冷卻造成，塑膠件厚度方 向之冷卻是由與模壁接觸之成品表面開始向成品內 部延伸，所以中心層是最慢冷卻之位置。所以當塑 膠成品成型後，開始進行冷卻階段時，在某一特定 位置上之分子鏈會受到其外部已冷卻收縮之分子鏈 牽引，所以會感受到早先冷卻收縮之分子鏈的拉伸 應力。所以嚴格來看在成品厚度方向靠近表面之區 域，分子鏈是處在壓縮應力狀況，而內部區域是處 於拉伸應力狀況。 塑膠殘留應力解析 【圖三】是射出成品厚度方向應力分佈情況。 塑膠殘留應力解析 簡單的說，塑膠件薄的地方先冷卻，厚的