塑膠件射出成型縮水、凹陷(sink mark)的原因和解決方法,首先要了解,大部分的物體都有”熱漲冷縮的現象”,塑膠產品也是一樣,塑膠在射出時必須用高溫來熔融塑膠原料,當塑膠注入模腔後,冷卻塑形。所以塑膠件(塑件)從模具內成型後一定會有收縮(shrinkage)的情形發生,所以各種的塑膠原料的的物性表也會註明縮水率。因此我們看到塑膠件縮水問題是屬於局部收縮不均所造成的外觀現象。

目錄
一、塑件收縮凹痕
、縮水問題難解決時須留意的工藝條件
、硬質塑膠件縮水問題相對軟質塑膠件難解決的問題
、塑膠件外表面在柱位縮凹嚴重時的解決措施
.射出件表面凹痕發生在小孔處時,是何原因引起應如何加以解決?
、射出製品表面凹陷發生在澆口附近時,是何原因引起?應如何加以解決?
、射出製品表面凹陷發生在遠離澆口時,是何原因引起?應如何加以解決?

☆ 案例
☆ 其他參考資料及文章

 

一、塑件收縮凹痕
“凹痕”是由於澆口封口後或者缺料射出引起的局部內收縮造成的。塑件表面產生的凹陷或者微陷是射出成型過程中的一個老問題。凹痕一般是由塑料製品壁厚增加引起製品收縮率局部增加而產生的,它可能出現在外部尖角附近或者壁厚突變處,如凸起、加強筋或者支座的背後,有時也會出現一些不常見的部位。產生凹痕的根本原因是材料的熱漲冷縮,因為熱塑性塑料的熱膨脹係數相當高。
膨脹和收縮的程度取決於許多因素,其中塑料的性能,最大、最小溫度範圍以及模腔保壓壓力是最重的因素,還有塑件的尺寸和形狀,以及冷卻速度和均勻性等也是影響因素。
塑料成型過程中膨脹和收縮量的大小與所加工塑料的熱膨脹係數有關,成型過程的熱膨脹係數稱為”模塑收縮”。隨著塑件冷卻收縮,塑件與模腔冷卻表面失去緊密接觸,這時冷卻效率下降,塑件繼續冷卻後不斷收縮,收縮量取決於各種因素的綜合作用。
塑件上的尖角冷卻最快,比其他部位更早硬化;接近塑件中心處較厚的部分離型腔冷卻面最遠,成為塑件上最後釋放熱量的部分;邊角處的材料固化後,其強度沒有尖角處材料的強度高。塑件中心處塑料的冷卻收縮,將部分冷卻與冷卻程度較大的尖角相對較弱的表面內拉。這樣,在塑件表面上產生了凹痕,凹痕的存在說明尺寸的收縮率高於其周邊部位的收縮率。
如果塑件在一處的收縮高於另外一處,那麼塑件就會產生翹曲。模內殘餘應力會將低塑件的衝擊強度和耐溫性能。在有些情形下,調整工藝條件可以避免凹痕的產生。例如,在塑件的保壓過程中,向模腔額外注入塑料熔體,以補償成型收縮。在大多數情況下,澆口比塑件其他部分薄得多,在塑件仍然很熱而且持續收縮時,小的澆口已經固化,固化後,保壓對型腔內的塑件就不起作用了。
半結晶型塑料的塑件收縮率高,這使得凹痕問題更嚴重;非結晶型塑料的塑件收縮較低,會最大限度地減小凹痕;加入玻璃纖維增強的塑料,其收縮率更低,產生凹痕的可能性更小。
現將造成收縮凹陷的主要原因與對策歸納如下。

  • 1. 射出機方面

a. 射嘴孔尺寸太大或太小,太大會造成熔料回流而且出現收縮;太小又會因阻力大射出量不足而出現收縮。
b. 鎖模力不足。鎖模力不足會造成毛邊,使型腔內熔體減少也會出現收縮,應檢查鎖模系統是否有問題。
c. 塑化量不足。應選用塑化量大的射出機。檢查螺桿與料管是否磨損。

  • 2. 模具方面

a. 塑料製品設計要做到壁厚均勻,保證收縮一致。厚的塑件冷卻時間長,會產生較大的收縮,因此厚度大是凹痕產生的根本原因,設計時應加以注意,要盡量避免厚壁部位,若無法辨免,應設計成空心的(圖1)。厚的部件因平滑過渡到主體壁厚(圖2),用大的圓弧代替尖角(圖2),可以消除或者最大限度地減輕尖角附近產生的凹痕。

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b. 模具的冷卻、加熱系統要保證型腔各處的溫度基本一致。
c. 流道系統要保證熔體通暢,阻力不能過大,如豎澆道、分流道、澆口的尺寸要適當,粗糙度要合理,分流道拐彎時要圓弧過渡。
d. 對薄壁塑件應提高溫度,保證料流順暢,對厚壁塑件應適當降低模溫。
e. 澆口要對稱開設,盡量開設在塑件壁厚部位,應增加冷料井容積。

  • 3. 塑料方面

結晶型塑料比非結晶型塑料收縮率高,加工時要適當增加射出量,或在塑料中加成核晶,以加快結晶,減少收縮凹陷。成核劑是適用於聚乙烯、聚丙烯等不完全結晶型塑料,透過改變塑脂的結晶行為,加快結晶速率、增加結晶密度和促使晶粒尺寸微細化,達到縮短成型週期、提高製品透明性、表面光澤、拉伸強度、剛性、熱變形溫度、抗沖擊性、抗蠕變性等物理機械性能的新功能助劑。
4. 成型工藝方面
a. 料管溫度過高,容積變化大,易出現收縮凹陷。但對流動性差的塑料應適當提高溫度,特別是前段溫度,可提高榮體的流動性。
b. 射出壓力、射出速度、背壓過低,射出時間過短,使射出量或密度不足而出現收縮凹痕;射出壓力、射出速度、背壓過大,射出時間過長,造成毛邊也會出現收縮凹陷。
c. 射出量過大時,會消耗射出壓力;射出量過小時,充填不足,又會出現收縮凹陷。
d. 對於不要求精度的塑件,在射出保壓完畢,外層基本冷凝硬化而內部尚柔軟但又能頂出的塑件,可及早脫模,讓其在空氣或熱水中緩慢冷卻,這樣可以使收縮凹陷平緩而不那麼明顯,而且不會影響使用。


二、縮水問題難解決時須留意的工藝條件

  • 1.兩個不利於解決縮水難題的溫度條件

a.模具溫度太高不利於解決縮水難題

硬質塑件縮水問題(表面縮凹和內部縮孔)都是因為融體冷卻收縮時,集中收縮留下的空間得不到來自澆口方向的融體充分補充而造成的缺陷。所以,不利於補縮的因素都會影響到解決縮水的問題。
ㄧ般射出成型人員都知道,模具溫度太高容易產生縮水問題,通常都喜歡降低模具溫度來解決問題。但是有時如果模具溫度過低,也不利於解決縮水的問題,這是很多人不太注意到的。
模具溫度太高,融體冷卻太快,離澆口處較遠的稍厚膠位,由於中間部分冷卻太快而被封死了補償的通道,遠處便得不到融體的充分補充,致使縮水問題更難解決,厚大塑膠件的縮水問題尤為突出。
再者,模具溫度太高,也不利於增加塑膠件的整體收縮,使集中收縮量增加,縮水問題更加嚴重明顯。
因此,在解決比較難的縮水問題時,檢查一下模具溫度會有好處。有經驗的技術人員通常會用手去觸摸一下模具型腔表面,看是否太冰涼或是太燙手了。每種原料都有它合適的模具溫度。例如PC塑料的縮孔問題,如果用熱油(油溫機),縮孔會得到較好的改善,但模溫如果太高了,塑膠件又會出現縮水問題。

b. 熔體溫度過低也不利於於解決縮水難題

融體溫度太高,塑膠件容易產生縮水問題,適當將低溫度10~20°C,縮水問題就會得到改善。
如果塑膠件在某處比較厚大的部位出現縮水時,再把熔體溫度調得過低,比如接近塑膠熔體溫度的下限時,反而不利於解決縮水問題,甚至還會更加嚴重,塑膠件越厚情況就越明顯。
原因和模溫太高相似,熔體冷凝太快,從縮水位置到澆口之間無法形成較大有利於補縮的溫度差,縮水位置的補償通道會過早被封死,問題的解決就變得更加困難了。由此也可看出,融體冷凝速度越快越不利於解決縮水問題,PC塑料就是一個冷凝相當快的原料,因此它的縮孔問題可以說是射出的大難題。
此外,融體溫度太高也依樣不力於增加整體收縮的量,導致集中收縮的量增加,從而加劇了縮水的問題。
因此,在調機解決較難的縮水問題時,也應檢查一下熔體溫度是否調得過低了極為重要,除了看溫度表,用空射的方法檢查一下融體的溫度和流動性比較直觀。

  • 2. 射出速度過快不有利於解決縮水嚴重的問題

解決縮水問題,首先會想到的是提高射出壓力和延長射出時間。但如果射出速度已調得很快,就不利於解決縮水問題了。因此有時縮水難以消除時,應配合降低射出速度來解決。
降低射出速度,可使走在前面的熔體與澆口之間形成較大的溫度差,因而有利於熔體由遠至近順序凝固和補縮,同時也有利於澆口較遠的縮水位置獲得較高壓力補充,對問題的解決會有很大的幫助。由於降低射出速度,早在前面的熔體溫度較低,速度又以放慢,射出件便不易產生毛邊,射出壓力和時間就可以在升高和放長一些,這樣還更有利於解決縮水嚴重的問題。
此外,如果再採用速度更慢、壓力更高、時間更長的最後一級末端充填和逐級緩慢並加壓的保壓方式,效果將會更加明顯。因此當無法一開始採用較慢的速度射出時,從射出後期開始採用此法也是個很好的補救辦法。
但要值得提醒的是,充填實在太慢了反而又會不利於解決縮水問題。因為等到充滿型腔的時候,熔體都已經完全冷凍,就像熔體溫度過低一樣,根本就沒有能力再對遠處的縮水進行補縮了。


三、硬質塑膠件縮水問題相對軟質塑膠件難解決的問題
軟質塑料相對硬質塑料的彈性要大很多,因此,軟質塑料可以背壓縮和儲存壓力的能力比硬質塑料要強的多。射出件產生縮水問題的原因,是因為熔體冷凝收縮時留下的空間得不到熔體補充而造成的。由於軟質塑料在射滿型腔之後能然可以繼續壓縮,也較是說可以在型腔內儲存較高的壓力和較多的熔體,因此型腔即使得不到來自澆口方向的熔體補充,所儲存的壓力和熔體也足夠已進行自我補充,所以軟質塑料件的縮水問題就比較容易解決,只需要給夠射出的壓力和時間就可以。
有時還會見到這樣的情況,當壓力太大的時候,PVC軟質塑膠件不但不會縮水,甚至還會出現膨脹的現象。
而硬質塑膠在這方面的能力就差很多了,當澆口冷凝封死後,儲存在型腔之中的壓力和熔體,不足以補充熔體冷凝收縮後留下的空間,因此來自澆口方向的補充就成為硬質塑膠件補縮的重要來源。
由此可見,硬質塑膠件的縮水問題相對軟質塑膠件較容易產生,而且射出件越厚,問題就越難解決,而軟質塑膠件就不用擔心這個問題。


四、塑膠件外表面在柱位縮凹嚴重時的解決措施
有時由於模具製造或是產品結構的缺陷,塑膠件在Boss柱(圖3-1)位置外表面的縮凹(圖3-2)無論如何調機都難以解決。就算勉強解決,塑膠件的分模面也是一堆毛邊。造成BOSS柱凹陷嚴重的原因主要有兩個,以下這兩種情況在試模時最常碰到。

  • a. Boss柱的套筒太長(圖3-3),致使塑膠件與頂針套筒端頭(套筒頂針)處的壁厚太薄(比如小於0.5mm),造成塑膠件此處的熱強度非常低。塑膠件脫模時,套筒頂針往外抽,套筒孔內部就形成真空,外面的大氣壓力就會將塑膠件表面壓凹,形成凹縮。
    因此在解決這樣的縮凹問題前,應將塑膠件切開觀察,發現塑膠件該位置太厚,一般不要厚過塑膠件的壁厚,就可用打磨機將套筒頂針磨短,凹縮問題就可以得到解決。
  •  b.Boss柱的套筒頂針太短或太細(圖3-4),致使塑膠件在套筒頂針根部位置的塑膠太厚(比如大於3mm,而起其他的位置的壁厚只有2mm),縮水問題就難免了,而且越厚越難解決,甚至無法通過調機來解決。生產(試模)中出現的多數是這樣的情況。

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五.射出件表面凹痕發生在小孔處時,是何原因引起應如何加以解決?

  • 產生原因

如果凹痕發生在塑膠件的小孔(凹陷結構)處時,一般是由於小孔處的模具結構中,圓形模芯對熔料的充模阻礙作用,使熔料流動不暢,妨礙壓力傳遞,易造成小孔處熔料充填不足或壓時程度不夠。另外,小圓形模芯通常沒有加熱裝置,溫度較低時,會使熔料在小孔處流動性差,從而使小孔處熔料填充不足。若圓形模芯溫度過高,會造成周圍的熔料溫度高,也易引起該處產生收縮凹痕。

  • 解決的措施

解決的措施主要有以下幾種。
a. 採用多級(段)射出條件與保壓,是當提高小孔處的射出壓力和保壓壓力。
b. 可採取改變模具冷卻系統的設置,降低冷卻水溫度,或在盡量保持模具表面及各部位均勻冷卻的前提下,對產生凹陷的部位適當強化冷卻或提高溫度。
c. 適當延長冷卻時間,保證塑膠件在冷卻充份的條件下脫模。


六、射出製品表面凹陷發生在澆口附近時,是何原因引起?應如何加以解決?

  • 1. 產生的原因

射出製品表面出現凹陷發生在澆口附近時,通常主要是由於對於模腔熔料補縮不足所引起。在射出過程中造成對模腔補縮不足的原因主要有以下幾種。
a. 保壓時間短,或保壓壓力太低。
b. 澆口截面太小,保壓時澆口出現過凝封。
c. 塑料的玻璃化溫度高,或塑料溫度、模具溫度太低,凝固速率太快。
d. 塑料黏度大,流動性差。
e. 塑料溫度或模具溫度太高。

  • 2. 解決的辦法

塑件表面出現發生在澆口附近的凹痕時,通常解決的有以下幾種。
a. 延長保壓時間,提高保壓壓力。
b. 根據塑件的形狀或厚度,在容易出現凹陷的部位增加或增大進澆口。
c. 控制室當的模具溫度及塑料溫度,保證塑料具有合適的流動性,有足夠的補縮作用。


七、射出製品表面凹陷發生在遠離澆口時,是何原因引起?應如何加以解決?

  • 1. 產生的原因

如果凹痕發生在遠離澆口處,一般是由於模具結構中某一部位熔料流動不暢,妨礙壓力傳遞,使該處的熔料充填不足或壓實程度不夠,而出現收縮凹痕。常見的原因主要有以下幾種。
a. 模具的流道及澆口截面太小,充模阻力太大,模腔充填不足。
b. 進澆口位置設置不合理或澆口設置不對稱,充模速度不均衡。
c. 射出壓力低,或塑料黏度大,流動性較差。

  • 2. 解決的措施

解決的措施主要有以下幾種。
a. 適當擴大模具的流道及澆口截面尺寸,特別是對於阻礙熔料流動的”瓶頸”處必須增加流動的截面,最好是將澆口延伸到產生凹陷的部位。
b. 澆口要採用對稱設置,使模腔各處充填保持平衡。
c. 採用多級射出與保壓,適當提高凹痕部位的射出壓力和保壓壓力


☆ 案例
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☆ 其他參考資料及文章

  • Designing of Plastic Products for Injection Moulding - Rib Thickness and Sink Mark

  • How Sink Marks Can Occur - Injection Molding Part Problems & Solutions

  • Sink Marks in Injection Molding - How To Fix Them

  • Webinar Eliminating Sink Mark and Voids in Injection Molded Parts

  • Sink marks in injection molding

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