不同注射方法下大尺寸聚碳酸酯平板的翘曲与应力分析

Warpage and Residual Stress Analysis of Large Polycarbonate Plate by Different Injection Molding Methods

摘要

针对透明件的高精度和高光学质量等要求，选择4 mm大尺寸聚碳酸酯平板，开展不同成型方法下的翘曲、厚度和残余应力分析，其中常规注射成型（CIM）考察熔体温度、模具温度、保压压力和保压时间等参数，注射压缩成型（ICM）考察熔体温度、模具温度、压缩行程和压缩速度等参数。结果显示，CIM的保压参数对平板的厚度及其均匀性、翘曲变形和残余应力的影响显著，而ICM的模具温度、压缩参数则对厚度和翘曲影响更大。对比得出，ICM不仅可以控制平板在厚度方向上的收缩和尺寸均匀性，使厚度偏差从CIM的0.25 mm左右降低至0.05 mm，降幅达到80%，最大翘曲变形也从CIM的0.62 mm减小至0.51 mm，改善幅度达到18%。ICM还可以显著降低产品的残余应力，减小产品后期装配及使用中的开裂风险，是制造低应力、高精度、低畸变光学产品的有效途径。

Abstract

In response to the requirements of high precision and high optical quality for transparent components, a 4 mm thick large-sized polycarbonate plate was selected to conduct analyses on warpage, thickness, and residual stress under different forming methods. For conventional injection molding (CIM), parameters such as melt temperature, mold temperature, holding pressure, and holding time were examined. For injection compression molding (ICM), parameters including melt temperature, mold temperature, compression stroke, and compression speed were investigated. The results indicate that the holding parameters of CIM significantly affect the thickness and its uniformity, warpage deformation, and residual stress of the plate. In contrast, the mold temperature and compression parameters of ICM have a greater impact on thickness and warpage. Comparisons reveal that ICM can not only control the shrinkage and dimensional uniformity of the plate in the thickness direction but also reduce the thickness deviation from approximately 0.25 mm in CIM to 0.05 mm, achieving an 80% reduction. The maximum warpage deformation also decreased from 0.62 mm in CIM to 0.51 mm, with an improvement of 18%. Moreover, ICM can significantly lower the residual stress of the product, thereby reducing the risk of cracking during subsequent assembly and use. It is an effective method for manufacturing low-stress, high-precision, and low-distortion optical products.

Graphical abstract

关键词

常规注射成型 / 注射压缩成型 / 厚度 / 翘曲变形 / 残余应力

Key words

Conventional injection molding / Injection compression molding / Thickness / Warpage / Residual stress

透明件的尺寸精度和残余应力是困扰产品成型的难题^[1-4]，厚度均匀性会影响几何外形的光顺性，从而导致产品光学性能的不连续。翘曲变形和残余应力不仅影响后期的加工装配，还会导致应力集中，威胁产品的服役安全性。影响尺寸精度和残余应力的因素很多，不仅包括模具温度等注射成型工艺条件^[5-7]，还涉及产品结构设计、模具设计等^[8-10]，不同影响因素间还会彼此交互，使产品的性能控制变得异常复杂。

作为一种适用于低应力和高精度制造的新型成型方法，注射压缩成型(ICM)^[11-14]可以减小熔体注射压力，降低流动残余应力，也可以通过压缩补缩实现厚度的精确控制，已经在诸多领域获得成功应用^[15-17]。HUANG等^[18]分析工艺参数对收缩、翘曲和残余应力的影响，发现保压压力对翘曲的影响程度最大，其次为模具温度、熔体温度和保压时间，而充填时间和浇口的影响最小。WANG等^[19]采用注射压缩成功制备PP超疏水表面微结构。LEE等^[20]选择注射成型和注射压缩成型两种方法，研究正交各向异性板的翘曲特点，发现注射压缩可以有效减少翘曲变形量。MATSUOKA等^[21]从工艺条件、纤维取向、材料性能等方面考虑，预测纤维增强聚丙烯的翘曲变形量，预测值与实验测量值吻合度良好。陈宇宏等^[22]综合分析注塑平板的残余应力、收缩以及翘曲的分布状况，发现平板的中间区域具有较低且均匀的残余应力和厚向收缩率，同时翘曲变形量从中心向四周均匀递减。上述工作从仿真及试验等方面研究不同方法的工艺影响，但未涉及不同方法间的对比，对工艺影响根本原因缺乏深入探究。

本文选择常规注射成型(CIM)和ICM两种方法作为对象，研究不同方法下大尺寸聚碳酸酯平板的厚向尺寸、翘曲变形和残余应力分布，比较不同工艺参数对平板性能的影响规律，获得不同成型方法下不同性能的工艺优化方向，建立高尺寸精度和低应力的注射工艺路线。

1 实验部分

1.1 主要原料

光学级聚碳酸酯树脂(PC)，熔体质量流动速率(MFR)8.5 g/10 min(负荷1.2 kg，温度300 ℃)，L-1250，日本Teijin公司。

1.2 仪器与设备

超声数显测厚仪，45MG，日本Olympus公司；激光跟踪仪，API T3，美国API公司；高精密注射成型机，CX-650，德国Kraussmaffei公司；高温式模具温度控制器，HB-180Z2，瑞士HB-Therm公司；残余应力检测仪，Stress Viewer，台湾科盛科技有限公司。

1.3 样品制备

采用4 mm平板开展注射成型实验。图1为平板制件的几何形状及尺寸。图2为注射模具，可以实现CIM和ICM等多种成型工艺。表1和表2分别为CIM和ICM参数，其中CIM主要考虑熔体温度、模具温度、保压压力和保压时间的影响，而ICM则考虑熔体温度、模具温度、压缩行程和压缩速度的影响。前者的注射压力达100 MPa，后者不足60 MPa，其他工艺参数相同。考察不同参数影响时，以表中下划线工艺为基准。为保证成型制品工艺条件的稳定性，每次实验前均进行连续10~15模次的压力监测和质量监测，待工艺稳定后，选择之后的3件平板进行相关性能的测试与分析。

1.4 性能测试与表征

平板厚度：实验平板的厚度采用几何精度达到0.001 mm的数显超声测厚仪进行测量，所选择的5个测量点分布如图3所示，其中P1点和P5点分别距离边界25 mm，P1~P5之间每两个点的间隔为125 mm。此外，样件在成型之后要在室温下静置48 h以上再进行测量，使其充分蠕变并达到稳定状态。

翘曲变形量：平板的翘曲变形量采用API激光跟踪测量系统进行测试，利用激光返回光束确定待测目标不同位置的坐标，通过拟合平面得到平板的最大翘曲变形量。

残余应力：采用如图4所示的残余应力检测仪测定残余应力。大多数非晶体透明材料存在应力时，表现为光学各向异性，白光经过后会发生不同波长光之间的干涉，呈现与应力分布对应的不规则彩色条纹，彩色条纹越明显、越集中，对应残余应力越大。

2 结果与讨论

2.1 厚度

2.1.1 CIM聚碳酸酯平板的厚度分布

图5为不同工艺条件下CIM平板的厚度分布。从图5可以看出，厚度实际测量值大于设计值，主要源于聚碳酸酯熔体的黏弹特性，其在脱模后产生厚向回弹。从图5a可以看出，不同熔体温度下，距离浇口越远，压力损失越大，回弹越小，厚度越小。CIM中补缩主要是靠浇口的保压来实现，离浇口越远，压力降越大，保压效果越弱，体积收缩也就越严重。随着熔体温度的升高，熔体的流动性提高，压力传递得到改善，但热收缩也会变大，两者之间彼此制约，表现出厚度随着熔体温度升高而减小的趋势，厚度均匀性得到明显改善。从图5b可以看出，近浇口的厚度随着模具温度的升高而增大，在110 ℃达到4.26 mm，进一步升温至120 ℃则出现厚度降低的现象，较高的模具温度使平板脱模后与环境的温差增大，相应的热收缩变大，厚度减小且整体厚度均匀性得到改善。从图5c和图5d可以看出，距离浇口越远，厚度越小，且不同工艺下的充填末端的尺寸接近相同。随着保压压力的增大，保压补缩作用愈加明显，流动方向上的厚度差增加，100 MPa保压下的厚度差超过0.5 mm；保压时间越长，平板厚度也越厚，11 s保压下的厚度差甚至接近0.6 mm。保压工艺对厚度的影响程度显著超过熔体温度和模具温度，建议合理设置保压参数，从而实现几何精度和尺寸稳定性的控制。

2.1.2 ICM聚碳酸酯平板的厚度分布

图6为不同工艺条件下ICM平板的厚度分布。

从图6可以看出，与CIM熔体温度的影响规律相同，ICM下的熔体温度升高使得收缩增大，厚度减小。从图6a可以看出，为消除注射-压缩阶段转变的迟滞痕和防止回流现象，ICM在注射结束后增加了保压，以保证整个成型过程熔体流动的连续性，压缩和保压的共同作用使平板厚度的变化范围在0.06~0.08 mm，与熔体温度的相关性不大。从图6b可以看出，模具温度升高，制件的厚度收缩减小，厚度更接近设计值。其影响规律与CIM下的模具温度正好相反，主要原因为压缩和保压两种补缩方式同时存在，模具温度越高，补料越容易，型腔内的熔体量越多，后期收缩也越小，近浇口端的影响更加明显。从图6c可以看出，增加压缩行程可以有效减少厚度方向上的收缩，但会增大厚度的不均匀性，压缩行程1 mm增大至5 mm，对应的厚度偏差从0.07 mm增至1.10 mm，压缩行程增大相应扩大了ICM中压缩充填区域的占比，使弹性回弹效应增大。从图6d可以看出，增大压缩速度可以提高制件厚度的均匀性，增大压缩速度可以提高压缩效果，减少厚向收缩及其差异性。1 mm/s的压缩速度下厚度偏差最大，达到0.24 mm左右；当压缩速度增至9 mm/s，厚度收缩再次增大，源于压缩过快导致的高温熔体过早充满型腔，充填末端的收缩会略有增加。

对比发现，ICM可以有效减小厚度方向上的弹性回弹并改善厚度均匀性，使厚度偏差从CIM下的0.25 mm左右降低至0.05 mm，幅度达到80%，采用较低的熔体温度、模具温度以及适中的压缩间隙、压缩速度，有望获得尺寸精度更高的产品。

2.2 翘曲变形量

2.2.1 CIM聚碳酸酯平板的翘曲变形量

图7为不同工艺条件下CIM平板的翘曲变形量。从图7a可以看出，随熔体温度升高平板翘曲变形量呈现显著增大的趋势，在320 ℃下超过1.1 mm。高熔体温度使厚度均匀性得到改善，但却加剧与模具及出模后环境的温度梯度，较大的热应力使其翘曲变形量增加。同时，热流道的存在使定模温度高于动模，特别是近浇口区域，进一步增大了模具温度的不对称性，易增大翘曲变形量。从图7b可以看出，模具温度升高，翘曲量减小，平板变形得到明显改善。较高的模具温度可以在一定程度上改善厚度均匀性，且降低残余应力，两种效应均有助于降低平板的翘曲变形量。从图7c和图7d可以发现，随着保压压力和保压时间的增大，翘曲变形量均呈现先减小后增大的U形变化趋势，两者的转折点分别在80 MPa和9 s。出现上述现象的原因是保压压力越大、保压时间越长，熔体补缩作用越明显，虽然平板厚度差异增大，但其模内自由收缩得到控制，对应翘曲变形的程度降低；但当压力或者时间超过一定数值时，脱模后的厚向回弹进一步增大且不同区域差别明显，浇口附件存在较大的残余应力，两者叠加进一步增大平板的翘曲变形量。合理的保压有望将平板翘曲变形量控制在0.6 mm以下。

2.2.2 ICM聚碳酸酯平板的翘曲变形量

图8为不同工艺条件下ICM平板的翘曲变形量。从图8a可以看出，熔体温度升高，翘曲变形量有所增加，其变化规律与CIM相似，平板中心温度与熔体温度呈正相关，其与外界的温度差导致较大的热应力，出模后的应力释放导致变形较大。同时，熔体温度越高导致的厚度收缩越大，收缩的差异也会使翘曲变形量增大。从图8b可以看出，翘曲变形量随着模具温度的升高而降低，与CIM相似。提高模具温度可以很好地控制平板在厚度方向上的收缩及其均匀性，残余应力也会降低，两者的共同作用改善了翘曲变形情况。从图8c可以看出，增大压缩行程不仅可以降低熔体充填的注射压力，还可以有效降低残余应力，两个方面均会减小制件的翘曲变形量。当压缩行程增加到一定程度时，压缩作用效果变化不大，平板的应力状态趋于稳定，翘曲变形量出现平台区，维持在0.5 mm左右。从图8d可以看出，随着压缩速度的增大，平板翘曲变形量先减小后增加，呈现U形的变化趋势，最低值在0.75 mm。当压缩速度低于5 mm/s时，增加压缩速度可以改善其厚向尺寸均匀性，且降低残余应力，减小了脱模后的翘曲变形；当压缩速度大于7 mm/s后，厚向收缩略有增加，源于厚度的均匀性变差，且压缩过快导致熔体局部二次升温，应力相应变大，综合导致翘曲变大。

对比发现，在一定范围内调整工艺，CIM和ICM均可改善聚碳酸酯平板的翘曲变形量。CIM最小可达0.62 mm，ICM最小可达0.51 mm。后者较前者改善幅度达到18%，可有效降低产品后期装配及使用中的应力集中。

2.3 残余应力

2.3.1 CIM聚碳酸酯平板的残余应力

图9为不同工艺条件下CIM平板的偏光应力照片，可以反映残余应力分布。从图9a可以看出，熔体温度升高，最高级彩色应力条纹的颜色变暗，残余应力变小，靠近浇口附近的区域变化尤其明显，对应该处的残余应力也最大。熔体温度越高导致热应力更大，但分子链的松弛现象也更加明显，对应充填流动过程中形成的分子取向也就越小，流动残余应力越低，后者的影响更为显著，对应整体残余应力降低。从图9b可以看出，模具温度升高减小了彩色应力条纹级数和区域大小，对应平板的残余应力明显降低，上述结果在KIM等^[23]的研究中也得到证实。模具温度升高，聚合物熔体的热运动加剧，残余应力的松弛明显，表现出低应力分布状态。从图9c和图9d可以看出，随着保压压力的增加和保压时间的延长，彩色条纹的数量越多，条纹覆盖区域扩大，残余应力增大。当保压时间达到11 s时，浇口附件的彩色应力条纹已延伸到平板的中间区域，残余应力集中区域较大，与保压阶段熔体补缩所引起的压力与温度梯度有关，热应力与流动应力均明显增大。

2.3.2 ICM聚碳酸酯平板的残余应力

图10为不同工艺条件下ICM平板的偏光应力照片。从图10可以看出，ICM平板的残余应力与CIM相比显著降低。从图10a可以看出，平板残余应力随着熔体温度升高而降低，与CIM的规律相同。高熔体温度导致平板冷却时间增加，对应压缩的有效作用时间延长，熔体分子链的松弛愈加明显，对应残余应力明显减小。从图10b可以看出，模具温度升高，彩色应力条纹的颜色略有变亮，其覆盖范围也在扩大，表明残余应力有升高的趋势，但相比CIM的模具温度影响要小很多，上述应力的变化趋势同相关报道的结果相反^[24]。平板残余应力是热应力和流动应力的叠加，注射压缩成型中，高模温在减小流动残余应力的同时也增加了热残余应力，反映到最终制件的应力水平上是略有增加。从图10c可以看出，压缩行程越大，彩色应力条纹的颜色越暗，表明残余应力越小。出现该现象的原因是增大模具型腔，减小了熔体充填时的阻力，进而降低了流动残余应力。从图10d可以看出，随着压缩速度的增大，应力呈现降低的趋势。原因可能是高压缩速度会引起熔体前沿的高剪切作用和温度升高，分子链的取向与解取向彼此竞争，最终变现为流动应力降低。

对比发现，ICM的残余应力较CIM显著降低，提高熔体温度和模具温度，增大压缩行程和提高压缩速度，均可在一定范围内降低残余应力，进而提高服役使用的安全性。

3 结论

CIM中保压压力和保压时间对厚度的影响显著，会引起较大的厚度偏差；ICM中压缩速度的影响更大，较低的熔体温度、模具温度可以进一步改善厚度均匀性。

CIM中保压参数与模具温度对翘曲变形量的影响显著，适中的保压作用可降低翘曲变形量；ICM中较大的压缩间隙和适中的压缩速度可以获得较低的翘曲变形。

CIM中保压压力和保压时间对残余应力的影响较大；ICM下的残余应力明显降低，且在提高温度和增大压缩作用下可进一步改善。

ICM不仅可以控制平板在厚度上的收缩和尺寸均匀性，还可以显著降低制件的残余应力，减小翘曲变形，是成型制造低应力、高精度光学产品的有效方法。

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