如何用模溫改善注塑件因為內應力引起的翹曲變形

我們具體來講一下，模溫到底是怎么影響到內應力？

PART.01
內應力的概念
我們先來明確一個概念，什么是內應力？
內應力指聚合物（塑料分子）在注射成型后，被凍結在制品內部的、自平衡的殘余應力。其產生根源在于聚合物從熔融態到固態的冷卻過程是一個非平衡態過程，分子鏈的弛豫時間與冷卻時間尺度不匹配，導致體系無法達到熱力學平衡狀態。
簡單說就是：熔融塑料注射成型后，由于快速冷卻定型，被凍結在內部的塑料分子之間想要收縮回彈的趨勢，由于模具型腔的限制而無法釋放的矛盾狀態。是一種“想釋放又釋放不了”的僵持。
就像一個成年男人心里的苦，想講又講不出口，長時間積攢在心里，就有了壓力。而在注塑過程中，這種“壓力”就是--應力。
PART.02
內應力的主要來源
塑料的內應力主要來自于兩個方面:
流動取向產生的取向內應力

  • 拉伸： 在注塑時，熔融的塑料分子鏈是雜亂無章的。在通過狹窄的澆口和流道時，它們被強大的剪切力強行拉伸、捋直，順著流動方向排列（形成取向）。
  • 凍結： 理想情況下，如果冷卻緩慢，這些被拉伸的分子鏈有足夠的時間松弛，重新回縮到卷曲的自然狀態（熵增驅動）。但現實中，模具是冷的，冷卻速度極快。
  • 應力產生： 分子鏈還沒來得及縮回去，就被瞬間“凍結”在了這種被拉伸的、不自然的伸直狀態。

不均勻溫度場導致的熱應力

  • 溫差： 熔融的塑料（例如200°C以上）被注入冰冷的模具（例如60°C）。當它接觸冰冷的模壁時，表層會瞬間冷卻、固化，形成一個堅硬的“外殼”。
  • 不同步收縮： 此時，制品內部的核心部分仍然處于高溫熔融狀態。當內部也開始慢慢冷卻并試圖收縮時，它發現自己的行動被外面那個早已固化定型的“硬殼”緊緊地束縛住了。
  • 應力產生：
    內部：想收縮，但被外部殼層拉著，因此內部產生拉應力（被拉伸的應力）表層：被內部收縮的趨勢向里拉扯，因此表層產生壓應力（被壓縮的應力）。

PART.03
內應力導致的問題
上面寫了內應力是一種“想釋放卻釋放不了”的矛盾狀態，因為有模具型腔的限制。如果一旦脫離型腔的限制呢？就會出現以下問題。

  • 翹曲變形： 這是最常見的后果。當內應力分布不均時，它會試圖讓材料向應力小的方向彎曲，以尋求平衡，導致產品尺寸不穩定，無法裝配。
  • 應力開裂： 這是最致命的后果。在存放、使用或接觸化學溶劑時，外部的一點刺激就可能與內部巨大的內應力里應外合，導致產品毫無征兆地開裂。
  • 尺寸精度下降： 內應力釋放會導致產品隨時間推移而緩慢變形，無法滿足精密零件的尺寸要求。
  • 產品發白、光學性能下降： 在應力集中區域，材料密度發生變化，可能導致光線散射，出現“銀紋”或應力發白現象。

PART.04
模溫對改善內應力的作用
取向應力也好，熱應力也好。在注塑成型過程中，我們為了應對應力而產生的不良現象，就要從本質上通過控制凍結的時間和收縮的時間來進行調整。
怎么調整呢？工藝上有兩個方向。

  • 一是通過多段保壓調整制品凍結層冷卻時間和調整各部位密度收縮。理解不了的可以去翻我前面的文章講到保壓的實例講解。
  • 二就是用到我們的模溫。通過模溫控制凍結時間減小應力，和通過模溫調整補償制品各部位的不均勻收縮。

PART.05
模溫差控制變形的原理
這里，我以變形為例，來具體講一講模溫差為什么能控制變形？
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