塑膠產品成型收縮率

塑料通常是在高溫熔融狀態下充滿模具型腔而成型,當塑件從塑模中取出冷卻到室溫後,其尺寸會比原來在塑模中的尺寸小,這種特性稱為收縮性。它可用單位長度塑件收縮量的百分數來表示,既收縮率(S)。
收縮率

1. 塑件的尺寸收縮

由於塑件的熱漲冷縮以及塑件內部的物理化學變化的原因,導致塑件脫模冷卻到室溫後發生尺寸縮小的現象,為此在設計模具的成型零部件時必須考慮通過設計對它進行補償,避免塑件尺寸出現超差。
這裡的塑件尺寸,指的是塑件總體尺寸(外形尺寸),而不是壁厚、孔徑等尺寸、其設計原則如下。

● 受到塑料的流動性制約,流動性好的塑料可以成型較大尺寸的塑件,反之能成型的塑件尺寸就較小。
● 受到成型設備的限制,射出成型的塑件尺寸要受到射出機的射出量、鎖模力和模板尺寸的限制。
● 在滿足使用要求的前提下,應盡量將塑件設計得緊湊,尺寸小巧一些。

2. 塑件的收縮

塑件從模具中取出冷卻到室溫後,成型塑件的尺寸發生收縮,稱為收縮性,塑件的收縮形式有以下幾種。

2.1 尺寸收縮
由於熱脹冷縮,塑件脫模時的彈性回復、塑性變形等原因導致塑件脫模且冷卻到室溫後發生尺寸縮小,因此,進行模具型腔設計時必須予以補償。

2.2 收縮的方向性
塑料在成型過程中高分子沿流動方向的取向效應會導致塑件的各向異性,塑件的收縮必然會因方向的不同而不同。通常沿料流的方向性收縮大、強度高、而與料流垂直的方向收縮小、強度低。同時,由於塑件各個部位添加劑不均勻,密度不均勻,故收縮也不均勻,從而使塑件收縮產生收縮差,容易造成塑件產生翹曲,變形以致開裂。

2.3 後收縮
成型時,由於受到成型壓力,剪切應力,各向異性、密度不均勻、塑件變形等因素的影響,引起一系列應力的作用,這些作用在黏流太時不能全部消失,故塑件在應力狀態下成形時存在殘留應力。脫模後由於應力趨向平衡及儲存條件的影響,殘留應力發生變化而使塑件發生再收縮現象,稱為後收縮。
通常,一般塑件脫模後10h內的後收縮較大,24h後基本定型,但要達到最終定型,則需要很長時間,一般熱塑性塑料的後收縮大於熱固性塑料。

2.4 後處理收縮
為了穩定塑件成型後的尺寸,有時根據塑料的性能及工藝要求,塑件在成型後須進行熱處理,熱處理後也會導致塑件的尺寸發生收縮,稱為後處理收縮。在對高精度塑件的模具設計應補償後收縮和後處理收縮產生的誤差。

3. 塑件尺寸精度

塑件尺寸精度是指所獲得的塑件尺寸與產品圖中尺寸的符合程度,即所獲得塑件尺寸的準確度。在滿足使用要求的前提下,應盡可能設計得低一些。
對塑件的精度要求要根據具體情況來分析,一般配合部分尺寸精度高於非配合部分尺寸精度。塑膠件的精度要求越高,模具的製造精度要求也越高,模具的製造難度及成本亦越高,而塑件的廢品率也會增加。

4. 收縮率計算

塑件成型收縮率分為實際收縮率和計算收縮率,實際收縮率表示模具或塑件在成型溫度的尺寸與塑件在常溫時的尺寸之間的差別,計算收縮率則表示模具在常溫時的尺寸與塑件在常溫時的尺寸之間的差別計算公式如(圖1)。
因實際收縮率與計算收縮率數值相差很小,所以在普通中、小型模具設計時常採用收縮率來計算型腔及型芯等的尺寸。而對大型、精密模具設計時一般採用實際收縮率來計算型腔及型芯等的尺寸。

5. 影響收縮率的因素

實際成形時,不同塑料的收縮率差異較大,即使同種塑料,不同牌號或是不同廠商的塑料以及同一塑件的不同部位其收縮率也經常不同,主要影響因素有如下幾個方面:

5.1 塑料的品種
工程塑料一般分為結晶塑膠和非結晶(無定形)塑膠兩種(圖2),結晶型塑膠具有比非結晶型塑膠成型收縮率大的特點,因此在模具設計中要認真考慮其成型收縮率,其影響模具收縮率的因數如下。

● 原材料基材:結晶塑膠的模具收縮率一般比非結晶塑膠的大,而且具有各向異性。
● 材料的結晶:材料結晶度越高,收縮率越大,取向性也越高。
● 材料的取向:結晶材料和玻纖/碳纖填充材料都會發生各向異性,流動方向的收縮率小,垂直於流動方向的收縮率大,通常結晶度越高,玻纖長度越長,取向越明顯。
● 填充材料:工程塑料添加無機填充材料後(如玻璃纖維、碳纖維等)收縮率通常會減小,添加分量越多材料收縮率越小。

各種塑料都有其各自的收縮率範圍,但即使是同一種塑膠料,由於分子量、填料及配比等不同,則其收縮率及各向異性也各不相同。無定型塑料的收縮率小於1%,結晶型塑料的收縮率均超過1%,結晶型塑料射出的塑件,具有後收縮現象,需再冷卻24h厚測量其尺寸,精確度可達0.02mm。常用塑料收縮表見(圖3)。

5.2 塑件結構
塑件的形狀、尺寸、壁厚、有無嵌件、嵌件數量及布局等對收縮率有很大影響,一般塑件壁厚越大,收縮率越大,形狀複雜的塑件的收縮率小於形狀簡單的塑件的收縮率,有嵌件因嵌件阻礙使收縮率減小。

5.3 模具結構
塑模的分型面、加壓方向及流道系統的結構形式、布局及尺寸等直接影響料流方向、密度分布、寶壓補償作用及成型時間,對收縮率及方向性影響很大,尤其是擠出成型和射出成型更為突出。

5.4 成型條件工藝

5.4.1料管溫度:
料管溫度(塑料溫度)較高時,壓力傳遞較好而使收縮力減小。但用小澆口時,因澆口固化早而使收縮率仍較大。對於厚壁塑件來說,即使料管溫度較高,其收縮仍較大。

5.4.2 模具溫度:
模具溫度高,則融料冷卻慢、密度高、收縮率大。尤其是對結晶塑料、因其體積變化大,其收縮率更大,模具溫度分布均勻性也直接影響塑件個部分收縮率的大小和方向性。但對於薄壁塑件,模具溫度高則熔料的流動阻抗小,而收縮率反而較小。

5.4.3 保壓壓力:
較高的保壓壓力和模腔壓力使型腔內製品密實,收縮減小,尤其是保壓階段的壓力對製品的收縮率產生影響更大。這可解釋為熔融樹脂在成型壓力作用下受到壓縮,壓力越高,發生的壓縮量越大,壓力解除後的彈性恢復也越大,使得塑件塑件尺寸更加接近型腔尺寸,因此收縮量越小。
在一般情況下,壓力較大的時因材料的密度大,收縮率就較小;保壓時間長,則收縮率小,但方向性明顯。

5.4.4 射出壓力:
提高射出壓力能夠降低製品的收縮率。這是因為壓力增大,使射出速度提高,充模過程加快後,一方面因塑膠熔體的剪切發熱而提高了熔體溫度、減小了流動阻力(熔料黏度差小);另一方面還可以在熔體溫度尚高、流動阻力較小的狀態下較早進入保壓補料階段。尤其對於薄壁塑件和小澆口塑件,由於冷卻速度快,更應該儘量縮短充模過程。

5.4.5射出速度:
射出速度對收縮率的影響較小。但對於薄壁塑件或澆口非常小,以及使用強化材料時,射出速度加快則收縮率小。

由於收縮率不是一個固定值,而是在一定範圍內波動,收縮率的變化將引起塑件尺寸變化,因此,在模具設計時應根據塑料的收縮率範圍、塑件厚度、形狀、進澆口形式、尺寸、位置成型因素等綜合考慮確定塑件各部位的收縮率。對精度高的塑件應選取收縮率波動範圍小的塑膠,並留有修模餘地,試模後逐步修正模具,以達到塑件尺寸、精度要求。

6. 物性表收縮率標準

收縮率係指塑膠製品冷卻固化經脫模成形後,其尺寸與原模具尺寸間之誤差百分比,物性表常見的測試方式有ASTM D955和ISO 294-4這兩種測試方法。

參考網址:https://www.rutlandplastics.co.uk/materials-datasheets-summary/materials-datasheets-shrinkage/

☆ 其他參考資料及文章

塑膠材料的介紹
http://www.gymwon.com.tw/msg/message-%E6%9D%90%E6%96%99%E4%BB%8B%E7%B4%B9-13.html
塑膠射出材料-模具縮水率表
https://www.lon-so.com/m/materials-19.html

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