技術分享 | Moldflow解決流動問題之剪切應力過高的解決辦法

剪切過高，可能導致很多的外觀和強度問題，如澆口附近銀紋、料花、亮印、暗色、焦痕和開裂等都是剪切應力過高的不同表現形式。有時一些氣常常是在高剪切應力時，導致摩擦生熱多，熔體升溫高，以至于塑料氣化而生成的瓦斯氣體，從而在產品表面產生氣痕。

1. 什么是剪切應力

說到剪切應力，不得不先提剪切速率。剪切速率被定義為一個分子滑過另一分子的速度，剪切速率是熔體在流路中其流速V對距離Z(厚度或半徑方向的坐標)的偏微分。下圖中A點的剪切速率就是其上下二流層的流速差(V_i+1 - V_i)除以其上下二流層在厚度方向或半徑方向的距離(Z_i+1 - Z_i)，也就是塑料熔體在Z方向的速度梯度(velocity gradient)。如下圖所示。

剪切應力則是上述二流層之間單位面積承受的剪力(shear force)。剪切應力等于熔體的黏度(viscosity)乘以剪切速率(shear rate)，如下公式表示。

τ=η*γ

注：
τ：剪切應力
η：黏度
γ：剪切速率
剪切應力和剪切速率在流動中的關系如下圖所示。

2. 噴泉流動與剪切應力

在填充期間，分子取向、剪切應力和零件橫截面的剪切速率分布有非常顯著的變化。前文提到剪切速率被定義為一個分子滑過另一分子的速度，或隨著距離的推移速度的變化，以 1/s 為單位。剪切應力是面積上的力，以 MPa 或 psi 為單位。雖然零件以噴泉流方式填充，橫截面中心的分子移動的速度較高，卻相當均勻，如下圖中所示。

中心層因為速度均勻，因而剪切速率較低，并且分子上有極少的剪切拉伸力。在凍結層附近，速度較低、并且存在明顯的速度梯度從而產生高剪切速率，這將導致在分子上產生較高的剪切應力，從而沿流動方向拉伸或對齊分子。下圖中的曲線表示橫截面的剪切速率。凍結層的剪切速率是 0 s^-1，靠近凍結層處是橫截面內最大的剪切速率，同樣，橫截面中心的剪切速率也接近 0 s^-1，如下圖所示。

3. 剪切應力過高導致的問題

剪切過高，可能導致很多的外觀和強度問題，如澆口附近銀紋、料花、亮印、暗色、焦痕和開裂等都是剪切應力過高的不同表現形式。

零件生產完成幾天或幾周之內，可能并不會有明顯的開裂，但是在使用過程中會出現開裂，從而導致零件失效、零件壽命短和外觀無法接受等。因此，最好在生產之前就能意識到潛在的開裂問題并將其解決。探究其原因，主要體現在以下幾個方面。

3.1.  殘余應力高

一是因為高殘余應力，開裂可能會發生在零件中內部剪切應力凍結的區域。Moldflow應力結果可以查看第一主方向上翹曲的初始應力結果、第二主方向上翹曲的初始應力結果、壁上剪切應力或von-Mises 應力結果，如下圖所示。

3.2.  熔接線缺陷

如果在填充過程中有兩條或多條流動路徑相遇，就會發生結構問題和/或明顯無法接受的結果。

熔接線對強度的影響是顯著的，?其強度一般在原始材料強度上衰減10%-20%之間。熔接線是注塑成型制品中常見的一種缺陷，?它發生在熔融塑料在型腔中遇到嵌件、?孔洞、?流速不連貫的區域或充模料流中斷的區域時，?兩股流動熔體前沿在另一側匯合時又結合起來形成的線，在其形狀上實質上是一個V形槽。?這種結合處由于熱量損失和兩相的差異導致不能完全熔合，使其強度遠低于周圍塑料的強度。?具體來說，?熔接線的位置強度是周圍塑料強度的80%到95%，?這個范圍取決于塑料、產品結構和工藝條件。?

熔接線的形成機理涉及到熔融材料在型腔內流動時，?從料的芯層向外翻，?貼近模具型腔的熔融材料會快速冷卻。?這種快速冷卻導致熔接線處的融合不完整，?從而影響了制品的整體強度。?

對于像增強纖維PA66等材料，?熔接線區的纖維取向方向因平行于熔接方向而大大降低其熔接線強度，?導致制件整體強度下降。?這表明，?即使是增強型材料，?熔接線也會對其強度產生負面影響。熔接線的結果如下圖所示。

3.3.  收縮不均

取向、保壓和冷卻的差異導致收縮不均，在凍結時產生較高的內部應力等級，從而導致開裂的發生。

收縮不均會導致應力分布不均，?進而影響材料的性能和結構穩定性。?

收縮不均主要指的是材料在固化或冷卻過程中各部分收縮程度不一致，?導致內部產生應力。?這種應力如果超過材料的剛度，?會導致材料變形、?翹曲或尺寸不穩定，?尤其是在注塑件中，?不均勻收縮往往造成內應力分布不均，?進而影響材料的尺寸穩定性。Moldflow里體積收縮的結果如下圖所示。?

4. 解決方法

使殘余應力降至最小，調控螺桿速度曲線或加大壁厚，以減少流體產生的應力。檢查材料的推薦最大剪切應力值（記錄在Autodesk Moldflow材料數據庫中），讓壁上剪切應力結果盡量偏低，同時成型過程中使收縮不均降至最小程度。

在對標最大剪切應力時，可以參照以下經驗法則：最大的剪切應力應保持在許用剪切應力τ(20 *τ^* )以下。τ^* 是下圖所示Cross-WLF黏度模式(viscosity model)中的7個黏度系數(viscosity constants) 之一 。τ(20*τ^* )可以做為許用剪切應力的初始采用標準，具體的項目可因特定的產品功能和客戶特殊要求而作修正。

剪切應力主要受剪切速率和黏度的影響，要降低剪切應力，可以想辦法降低黏度或者降低剪切速率，這兩方面同時采取措施效果更好，同時增加壁厚也往往可以降低剪切應力。

降低黏度常用的方法是提高模溫、提高料溫、更換低粘度的材料、材料改性或者調整注射速度曲線等。降低剪切速率的方法則包括了調低射速、增加流道直徑、加大澆口尺寸等。

提高模溫，目前業界用的急冷急熱(或動態模溫控制也稱RHCM)制程，就是一有效降低剪切應力的制程，充填階段的高模溫和低射速可以將熔體黏度和剪切速率雙雙降到較低的水平，剪切應力自然隨之保持在很低的水平，這樣前面所提到的問題缺陷就可以得到大幅度的優化和改善。

5. 小結

剪切應力隨材料流動速率或材料粘度的增加而增加。注射速度較高時，澆口附近通常會產生剪切應力，而使用恒定流動速率時，流動的末端會產生剪切應力。剪切應力較高會導致塑料由于應力開裂而降解或成型失敗。常用的解決方法有降低流動速率、使用螺桿曲線、增大壁厚、避免不同的取向和收縮不均等。

了解剪切應力的機理，就能在解決剪切引起的缺陷方面時事半功倍、對陣下藥、藥到病除。