技术分享 | Moldflow解决流动问题之剪切应力过高的解决办法

剪切过高，可能导致很多的外观和强度问题，如浇口附近银纹、料花、亮印、暗色、焦痕和开裂等都是剪切应力过高的不同表现形式。有时一些气常常是在高剪切应力时，导致摩擦生热多，熔体升温高，以至于塑料气化而生成的瓦斯气体，从而在产品表面产生气痕。

1. 什么是剪切应力

说到剪切应力，不得不先提剪切速率。剪切速率被定义为一个分子滑过另一分子的速度，剪切速率是熔体在流路中其流速V对距离Z(厚度或半径方向的坐标)的偏微分。下图中A点的剪切速率就是其上下二流层的流速差(V_i+1 - V_i)除以其上下二流层在厚度方向或半径方向的距离(Z_i+1 - Z_i)，也就是塑料熔体在Z方向的速度梯度(velocity gradient)。如下图所示。

剪切应力则是上述二流层之间单位面积承受的剪力(shear force)。剪切应力等于熔体的黏度(viscosity)乘以剪切速率(shear rate)，如下公式表示。

τ=η*γ

注：
τ：剪切应力
η：黏度
γ：剪切速率
剪切应力和剪切速率在流动中的关系如下图所示。

2. 喷泉流动与剪切应力

在填充期间，分子取向、剪切应力和零件横截面的剪切速率分布有非常显著的变化。前文提到剪切速率被定义为一个分子滑过另一分子的速度，或随着距离的推移速度的变化，以 1/s 为单位。剪切应力是面积上的力，以 MPa 或 psi 为单位。虽然零件以喷泉流方式填充，横截面中心的分子移动的速度较高，却相当均匀，如下图中所示。

中心层因为速度均匀，因而剪切速率较低，并且分子上有极少的剪切拉伸力。在冻结层附近，速度较低、并且存在明显的速度梯度从而产生高剪切速率，这将导致在分子上产生较高的剪切应力，从而沿流动方向拉伸或对齐分子。下图中的曲线表示横截面的剪切速率。冻结层的剪切速率是 0 s^-1，靠近冻结层处是横截面内最大的剪切速率，同样，横截面中心的剪切速率也接近 0 s^-1，如下图所示。

3. 剪切应力过高导致的问题

剪切过高，可能导致很多的外观和强度问题，如浇口附近银纹、料花、亮印、暗色、焦痕和开裂等都是剪切应力过高的不同表现形式。

零件生产完成几天或几周之内，可能并不会有明显的开裂，但是在使用过程中会出现开裂，从而导致零件失效、零件寿命短和外观无法接受等。因此，最好在生产之前就能意识到潜在的开裂问题并将其解决。探究其原因，主要体现在以下几个方面。

3.1.  残余应力高

一是因为高残余应力，开裂可能会发生在零件中内部剪切应力冻结的区域。Moldflow应力结果可以查看第一主方向上翘曲的初始应力结果、第二主方向上翘曲的初始应力结果、壁上剪切应力或von-Mises 应力结果，如下图所示。

3.2.  熔接线缺陷

如果在填充过程中有两条或多条流动路径相遇，就会发生结构问题和/或明显无法接受的结果。

熔接线对强度的影响是显著的，‌其强度一般在原始材料强度上衰减10%-20%之间。熔接线是注塑成型制品中常见的一种缺陷，‌它发生在熔融塑料在型腔中遇到嵌件、‌孔洞、‌流速不连贯的区域或充模料流中断的区域时，‌两股流动熔体前沿在另一侧汇合时又结合起来形成的线，在其形状上实质上是一个V形槽。‌这种结合处由于热量损失和两相的差异导致不能完全熔合，使其强度远低于周围塑料的强度。‌具体来说，‌熔接线的位置强度是周围塑料强度的80%到95%，‌这个范围取决于塑料、产品结构和工艺条件。‌

熔接线的形成机理涉及到熔融材料在型腔内流动时，‌从料的芯层向外翻，‌贴近模具型腔的熔融材料会快速冷却。‌这种快速冷却导致熔接线处的融合不完整，‌从而影响了制品的整体强度。‌

对于像增强纤维PA66等材料，‌熔接线区的纤维取向方向因平行于熔接方向而大大降低其熔接线强度，‌导致制件整体强度下降。‌这表明，‌即使是增强型材料，‌熔接线也会对其强度产生负面影响。熔接线的结果如下图所示。

3.3.  收缩不均

取向、保压和冷却的差异导致收缩不均，在冻结时产生较高的内部应力等级，从而导致开裂的发生。

收缩不均会导致应力分布不均，‌进而影响材料的性能和结构稳定性。‌

收缩不均主要指的是材料在固化或冷却过程中各部分收缩程度不一致，‌导致内部产生应力。‌这种应力如果超过材料的刚度，‌会导致材料变形、‌翘曲或尺寸不稳定，‌尤其是在注塑件中，‌不均匀收缩往往造成内应力分布不均，‌进而影响材料的尺寸稳定性。Moldflow里体积收缩的结果如下图所示。‌

4. 解决方法

使残余应力降至最小，调控螺杆速度曲线或加大壁厚，以减少流体产生的应力。检查材料的推荐最大剪切应力值（记录在Autodesk Moldflow材料数据库中），让壁上剪切应力结果尽量偏低，同时成型过程中使收缩不均降至最小程度。

在对标最大剪切应力时，可以参照以下经验法则：最大的剪切应力应保持在许用剪切应力τ(20 *τ^* )以下。τ^* 是下图所示Cross-WLF黏度模式(viscosity model)中的7个黏度系数(viscosity constants) 之一 。τ(20*τ^* )可以做为许用剪切应力的初始采用标准，具体的项目可因特定的产品功能和客户特殊要求而作修正。

剪切应力主要受剪切速率和黏度的影响，要降低剪切应力，可以想办法降低黏度或者降低剪切速率，这两方面同时采取措施效果更好，同时增加壁厚也往往可以降低剪切应力。

降低黏度常用的方法是提高模温、提高料温、更换低粘度的材料、材料改性或者调整注射速度曲线等。降低剪切速率的方法则包括了调低射速、增加流道直径、加大浇口尺寸等。

提高模温，目前业界用的急冷急热(或动态模温控制也称RHCM)制程，就是一有效降低剪切应力的制程，充填阶段的高模温和低射速可以将熔体黏度和剪切速率双双降到较低的水平，剪切应力自然随之保持在很低的水平，这样前面所提到的问题缺陷就可以得到大幅度的优化和改善。

5. 小结

剪切应力随材料流动速率或材料粘度的增加而增加。注射速度较高时，浇口附近通常会产生剪切应力，而使用恒定流动速率时，流动的末端会产生剪切应力。剪切应力较高会导致塑料由于应力开裂而降解或成型失败。常用的解决方法有降低流动速率、使用螺杆曲线、增大壁厚、避免不同的取向和收缩不均等。

了解剪切应力的机理，就能在解决剪切引起的缺陷方面时事半功倍、对阵下药、药到病除。