設計培訓：塑膠制品設計缺陷之翹曲變形
翹曲(bend)
產品的翹曲程度是設計熱塑性塑料的注塑產品最難預測的現象之一。產品重要部位的翹曲會導致產品尺寸超過其公差或其功能的喪失。因此最理想的是塑料產品的翹曲程度減到最小。如何使產品的翹曲減到最小關鍵是要知道翹曲的原因。熱塑性塑料產品當它的內應力足夠大而可以克服材料的硬度時就會使產品產生翹曲變形。收縮的差異是引起產品的內應力或殘余應力的根本原因。導致收縮差異的因素多種多樣。分析產品的翹曲原因必需從以下四個方面考慮：材料，產品設計，模具設計，成型過程。
材料
材料的選擇運用直接影響產品最終的尺寸穩定性。使用大收縮率的材料很難保持產品的尺寸穩定性。考慮到小的收縮率，當產品的公差要求非常嚴格時通常選用非結晶性塑料而不用結晶性塑料。材料收縮率的是否等向性比材料的收縮率大小更重要。如果材料的收縮率是各向異性的（材料在流動方向與流動垂直方向的收縮率不同）就會使產品內部存在收縮的差異。材料的收縮差異可能導致產品的翹曲。材料的各向等性的收縮使產品內部的收縮差異減到最小，殘余應力最小，尺寸穩定性最好。
結晶性塑料具有大的收縮率，并且其橫向和縱向的收縮差異也大。非結晶性塑料產品的翹曲很小取決于非結晶性塑料小的收縮率以及收縮率的各向同性。在材料中加入增強纖維可以降低產品的翹曲，甚至減少產品的收縮。當模具填充時纖維的方向與熔膠的流動方向一致時，纖維的方向性會增大材料各方向的收縮差異。結果導致在熔膠的流動方向上的收縮大大減小而與熔膠流動方向垂直的方向上的收縮減小很少。數據顯示在材料中加入10%到30%的增強玻纖時上述的情況非常明顯。
產品設計
產品設計對產品的尺寸穩定也非常重要。如果塑料產品的肉厚設計的很不均勻, 則產品可能出現很多因收縮差異產生的問題。收縮的差異產生的原因是不同肉厚產品內引起的收縮時間及收縮程度的差異。產品肉厚較厚的地方聚集的熱量多于肉厚較薄的地方，其冷卻就較慢。因此，肉厚較薄的地方就比肉厚較厚的地方先冷卻而導致產品中的收縮差異。收縮的差異產生的原因是不同肉厚產品內引起的收縮時間及收縮程度的差異。
產品肉厚較厚的地方收縮的差異和收縮的程度都比產品肉厚較薄的大。這種影響在結晶塑料中更明顯。產品的肉厚變化直接影響到產品內塑料的結晶程度。產品中肉厚較厚的地方相對肉厚較薄的地方冷卻慢而結晶程度高。不同肉厚的區域結晶程度不同,導致其收縮不同因而發生翹曲。
不均勻的產品肉厚設計會導致產品的收縮時間及收縮程度的不同。如上所述,收縮的差異導致應力的產生而形成翹曲。
產品肉厚越厚,產品的翹曲機會就越大,程度也會越大。這是塑料產品設計要保持平均肉厚的首要原因。
產品局部的設計可能影響產品的翹曲和產品的強度。硬的產品比柔的產品更能抵抗變形。產品的內應力是產品產生翹曲或變形的原因,如果產品的強度足夠克服其內應力就不會發生扭曲。肋和角板是不改變產品厚度而提高產品強度的最有效方法。
模具設計
模具設計也是影響產品尺寸穩定性的原因,產品進澆點位置的選擇可以使產品的翹曲減到最低。理想的澆口位置是保證模具的沖填平衡,即能夠使熔膠同時到達最后填充區。導致充填不平衡的原因有兩個,填充過飽和冷卻不均勻。填充過飽和冷卻不均勻引起收縮不均而導致產品翹曲。
填充過飽可能導致沖填不平衡。填充不平衡就是一部分模穴在填充過程中過早的被填充,過早被填充開始冷卻, 后來的熔膠為到達這些區域就必需克服更大的阻力推動這些冷的熔膠去填充剩下的模穴。結果, 過早填充而先冷卻的這部分熔膠在后來熔膠的壓力作用下到達空的模穴,因此這部分就殘留著很大的應力。部分區域先填充會導致填充過飽。產品中充填密度大的區域收縮小于充填密度較小的區域引起產品的收縮差異,而收縮的差異就可能使產品發生翹曲。
澆口的位置及數量對產品的成型過程是至關重要。使用多個澆口可以減小流長,并且可以同時為整個模穴提供更多的,均勻的壓力。模穴里壓力的均勻分布才能使產品收縮均勻,這樣就可以使產品的翹曲控制到最小。
模具的冷卻系統是嚴重影想到整個產品的尺寸穩定性的模具局部性設計。模具冷卻系統的不均勻分布會導致成型過程中產品冷卻不均勻,溫度低的區域其熔膠會較早冷卻收縮,這就致使產品內部的收縮程度和收縮時間的差異。溫度較高區域冷卻較慢導致其收縮增大,尤其是結晶性塑料由于冷卻速度的降低其收縮的增大更為明顯。恰當的冷卻系統設計應使模穴內熔膠同時冷卻達到合適的成型溫度。
盒形零件的翹曲是因為冷卻不均導致產品翹曲的最好例子。在成型過程中,在盒子的內角因與熔膠的接觸較多而會殘留大量的熱量,來自三個方向的熔膠熱量傳遞到模仁上。溫度的不同致使盒子的內角處的冷卻和收縮較其側壁慢,先冷卻的側壁因為轉角的冷卻和收縮而被向內拉伸。轉角處的收縮程度可能很大,特別是結晶性塑料。
恰當的模具冷卻設計可以及時的將盒子內角的熱量轉移走,使模具保持均一的溫度。
成型過程
恰當的成型條件, 填充時間, 也是保證產品尺寸穩定性的重要因素。如果填充時間太短, ( 例如,填充太快)大量的成型壓力殘留在產品里,過快的填充產生高的剪切速率致使熔膠產生剪切應力從而在產品中殘留很高的水平剪切應力。高的充填壓力導致產品翹曲,這是不同于收縮不同導致產品翹曲的另外的原因。
如果填充時間太長, 可能導致冷卻的不均。如果模具的填充時間太長會使整個填充過程中溫差過大,由于溫度的嚴重下降使模具中各處熔膠溫度不同,溫度的不同冷卻也不同。最后填充區比澆口區先冷卻收縮,這就導致收縮程度和時間的差異。
有效的填充也是使產品保持最小翹曲的重要因素。過度填充或者填充不足都會引起尺寸穩定問題,靠近澆口的位置成型壓力較高, 當流長過長時,遠離澆口的區域壓力損失很大,這些壓力較低的區域收縮的程度不一樣會產生翹曲。
填充不足可能產生翹曲或尺寸穩定性問題,澆口壓力過小或保壓時間過短通常導致填充不足,最終的結果是模具內熔膠在沒有壓力情況下冷卻和收縮,沒有額外的塑料被填充進模具以彌補材料的收縮,填充不足通常會增大產品的整體收縮和翹曲傾向。
概括的講, 雖然熱塑性塑料產品的翹曲是非常難以預測的,下面的方法有助于減小產品的翹曲:
1.使用各向同性的塑料原料
2.設計產品時保持其均勻肉厚
3.在產品上增加肋(ribbing)和角片(gussets)以增加其強度
4.恰當的設計澆口位置以保證填充平衡及流長最短
5.優化模具冷卻系統設計以保持整個成型過程中均一的模溫
6.保證適當的填充周期
7.有效的填充:保證澆口不會過早冷卻,保持足夠的保壓時間
8.增加澆口、縮短流長,以減少不均勻收縮
