0102030405
Bagaimana cara mengatasi penyusutan dan perubahan bentuk?
24 Juli 2025
Plastik Pencetakan Injeksi Plastik secara inheren menyusut karena kepadatan polimer berubah ketika suhu proses turun ke suhu ruangan, menyebabkan penyusutan. Perbedaan penyusutan seluruh bagian plastik dan penampangnya akan menyebabkan tegangan sisa internal, yang memiliki efek yang sama dengan gaya eksternal. Jika tegangan sisa lebih tinggi daripada kekuatan struktur bagian plastik selama pencetakan injeksi, bagian plastik akan melengkung setelah dilepas dari cetakan atau retak karena gaya eksternal.
Tegangan sisa
Tegangan sisa adalah tegangan yang disebabkan oleh aliran plastik cair atau efek termal saat bagian plastik dibentuk, dan membeku di dalam bagian plastik tersebut. Jika tegangan sisa lebih tinggi daripada kekuatan struktural bagian plastik, bagian plastik tersebut dapat melengkung selama pencetakan injeksi, atau patah di bawah beban di kemudian hari.
Tegangan sisa merupakan penyebab utama penyusutan dan perubahan bentuk pada bagian plastik. Kondisi pencetakan yang baik dan desain yang dapat mengurangi tegangan geser yang disebabkan oleh pengisian rongga cetakan dapat mengurangi tegangan sisa yang disebabkan oleh aliran lelehan. Demikian pula, penahanan tekanan yang cukup dan pendinginan yang seragam dapat mengurangi tegangan sisa yang disebabkan oleh efek termal. Untuk material dengan tambahan serat, peningkatan kondisi pencetakan dengan sifat mekanik yang seragam dapat mengurangi tegangan sisa yang disebabkan oleh efek termal.
1. Tegangan sisa yang disebabkan oleh aliran lelehan
Dalam kondisi tanpa tekanan, polimer rantai panjang berada dalam keadaan keseimbangan dengan penggulungan sembarangan pada suhu yang lebih tinggi dari titik lelehnya. Selama proses pembentukan, polimer mengalami geser dan peregangan, dan rantai molekulnya sejajar dengan arah aliran.
Jika rantai molekuler mengeras sebelum sepenuhnya rileks dan seimbang, orientasi rantai molekuler akan membeku di bagian plastis. Keadaan pembekuan tegangan ini disebut tegangan sisa akibat aliran, yang akan menyebabkan sifat mekanik yang tidak merata dan penyusutan searah aliran dan tegak lurus terhadap arah aliran. Secara umum, tegangan sisa akibat aliran satu pangkat lebih kecil daripada tegangan sisa yang disebabkan oleh efek termal.
Orientasi permukaan bagian plastik yang tinggi di dekat dinding cetakan akan langsung membeku karena interaksi tegangan geser tinggi dan laju pendinginan tinggi, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1. Jika bagian plastik disimpan dalam lingkungan suhu tinggi, bagian plastik akan melepaskan sebagian tegangan, yang mengakibatkan penyusutan dan perubahan bentuk.
Efek isolasi panas dari lapisan yang mengeras menjaga lapisan inti polimer pada suhu yang lebih tinggi, yang dapat melepaskan lebih banyak tegangan, sehingga rantai molekul dalam lapisan inti memiliki orientasi yang lebih rendah. Kondisi pembentukan yang dapat mengurangi tegangan geser lelehan juga akan mengurangi tegangan sisa yang disebabkan oleh aliran, termasuk:
•Suhu leleh tinggi.
•Suhu dinding cetakan tinggi.
•Waktu pengisian lama (kecepatan leleh lambat).
•Kurangi tekanan penahan.
•Jalur aliran pendek.
Gambar 1. Orientasi rantai molekuler yang membeku selama tahap pengisian dan pengemasan menyebabkan tegangan sisa akibat aliran.
(1) menunjukkan laju pendinginan tinggi, tegangan geser tinggi atau orientasi tinggi; (2) menunjukkan laju pendinginan rendah, tegangan geser rendah atau orientasi rendah.
2. Tegangan sisa yang disebabkan oleh efek termal
Penyebab tegangan sisa akibat efek termal meliputi hal-hal berikut:
(1) Plastik menyusut ketika suhunya turun dari suhu proses yang ditetapkan ke suhu ruangan.
(2) Ketika plastik mengeras, bagian plastik mengalami proses termal dan mekanis yang berbeda dari permukaan ke lapisan tengah, seperti waktu pendinginan yang berbeda dan tekanan penahan yang berbeda.
(3) Perubahan tekanan, suhu, orientasi rantai molekul, dan orientasi serat akibat perubahan densitas dan sifat mekanik.
(4) Desain cetakan membatasi penyusutan bagian plastik pada arah tertentu.
Penyusutan plastik selama pencetakan injeksi Hal ini dapat dijelaskan dengan contoh pendinginan bebas. Jika suatu bagian plastik dengan suhu seragam tiba-tiba dijepit oleh dinding cetakan dingin di kedua sisinya, pada tahap awal pendinginan, ketika permukaan bagian plastik mendingin dan mulai menyusut, polimer di dalam bagian plastik masih dalam keadaan cair pada suhu tinggi dan dapat menyusut dengan bebas.
Namun, ketika suhu pusat bagian plastik turun, penyusutan termal lokal dibatasi oleh lapisan permukaan yang mengeras, sehingga menghasilkan distribusi tegangan khas dengan tegangan tarik di lapisan tengah dan tegangan tekan di lapisan permukaan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.
Perbedaan laju pendinginan dari permukaan ke bagian tengah komponen plastik akan menyebabkan tegangan sisa termal. Terlebih lagi, jika laju pendinginan dinding cetakan di kedua sisi cetakan berbeda, hal itu juga akan menyebabkan tegangan sisa termal asimetris. Distribusi tegangan tarik dan tegangan tekan yang asimetris pada penampang komponen plastik akan menyebabkan momen lentur, yang menyebabkan komponen plastik melengkung, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.
Komponen plastik dengan ketebalan yang tidak merata dan area dengan pendinginan yang buruk akan menyebabkan pendinginan yang tidak seimbang ini, sehingga mengakibatkan tegangan sisa. Komponen plastik yang kompleks memiliki distribusi tegangan sisa yang lebih kompleks yang disebabkan oleh efek termal akibat faktor-faktor seperti ketebalan yang tidak merata, pendinginan cetakan yang tidak merata, dan pembatasan cetakan pada penyusutan bebas.
Gambar 3 Pendinginan yang tidak merata pada penampang bagian plastik menyebabkan tegangan sisa akibat efek termal asimetris, sehingga menyebabkan bagian plastik melengkung.
Gambar 4 mengilustrasikan perubahan volume spesifik lapisan yang mengeras akibat riwayat tekanan penahanan. Gambar sebelah kiri adalah kurva distribusi suhu dari sebagian bagian plastik. Untuk memudahkan penjelasan, bagian plastik dibagi menjadi 8 lapisan sepanjang arah ketebalan, dan waktu pembekuan setiap lapisan ditunjukkan pada kurva sebagai t1~t8.
Perhatikan bahwa bagian plastik mengeras dari lapisan terluar, dan semakin lama waktu pengerasan, semakin dekat ke lapisan tengah. Grafik tengah menunjukkan riwayat tekanan tipikal dari pengerasan setiap lapisan, P1~P8. Tekanan pada tahap pengisian biasanya meningkat secara bertahap, mencapai tekanan tertinggi di awal penahanan tekanan, dan kemudian secara bertahap menurun karena pendinginan dan pengerasan gerbang.
Akibatnya, lapisan permukaan dan tengah bagian plastik membeku pada tekanan rendah, dan lapisan perantara lainnya membeku pada tekanan penahan tinggi. Gambar di sebelah kanan mengilustrasikan riwayat volume spesifik lapisan ke-5 pada diagram PvT, serta volume spesifik setiap lapisan pada pembekuan akhir, dan ditandai dengan titik-titik padat.
Mengingat volume spesifik pembekuan setiap lapisan, perilaku penyusutan setiap lapisan bagian plastik akan menyusut secara berbeda sesuai dengan kurva PvT. Dengan asumsi bahwa lapisan-lapisan tersebut terpisah seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5, hasilnya adalah penyusutan ke bagian tengah gambar. Lapisan tengah 2, 5, 6, 7 menyusut lebih sedikit karena volume spesifik pembekuan yang rendah (atau densitas pembekuan yang tinggi). Faktanya, lapisan-lapisan tersebut terhubung bersama, menghasilkan distribusi penyusutan kompromi, lapisan tengah terkompresi, dan lapisan luar serta lapisan tengah meregang.
Gambar 5. Perbedaan volume spesifik dari setiap lapisan yang mengeras berinteraksi satu sama lain, menghasilkan tegangan sisa dan deformasi yang berbeda pada bagian plastik.
3. Tegangan sisa akibat proses dan tegangan sisa rongga
Dalam hal simulasi pencetakan injeksi, tegangan sisa yang disebabkan oleh proses lebih penting daripada tegangan sisa di dalam rongga cetakan. Berikut ini memperkenalkan definisi dari kedua istilah tersebut dan memberikan contoh untuk mengilustrasikan perbedaannya.
Setelah bagian plastik dikeluarkan, hambatan yang diberikan pada bagian plastik oleh rongga cetakan dilepaskan, dan bagian plastik dapat menyusut dan berubah bentuk secara bebas hingga mencapai keadaan seimbang.
Pada saat ini, tegangan yang tersisa di bagian plastik adalah tegangan sisa yang disebabkan oleh proses tersebut, atau disingkat sebagai tegangan sisa. Ini termasuk tegangan sisa yang disebabkan oleh aliran dan tegangan sisa yang disebabkan oleh efek termal, dengan efek termal sebagai pengaruh utama.
Ketika bagian plastik masih tertahan oleh rongga cetakan, tegangan internal yang tersimpan akibat pembekuan bagian plastik disebut tegangan sisa rongga cetakan. Tegangan sisa ini akan menyebabkan bagian plastik menyusut dan melengkung setelah dikeluarkan dari cetakan.
Gambar 6 di bagian kiri atas menunjukkan tegangan sisa di dalam rongga cetakan (biasanya tegangan tarik yang ditunjukkan pada gambar) dari bagian plastik cetakan sebelum dikeluarkan, yang masih dibatasi oleh cetakan.
Setelah dikeluarkan, cetakan terbebas dari pengekangan pada bagian plastik, dan bagian plastik akan melepaskan tegangan sisa di rongga cetakan dan menyusut serta melengkung. Kurva distribusi tegangan sisa akibat efek termal yang disebabkan oleh distribusi penyusutan bagian plastik yang dikeluarkan ditunjukkan pada gambar kiri bawah Gambar 6. Tanpa adanya gaya eksternal, tegangan tarik pada penampang bagian plastik sama dengan tegangan tekan dan mencapai keadaan seimbang.
Gambar 6 di bagian kanan bawah menunjukkan bahwa ketebalan bagian plastik mengalami pendinginan yang tidak merata, sehingga menghasilkan tegangan sisa asimetris dan pembengkokan.
Gambar 6 (atas) Kurva distribusi tegangan sisa di dalam rongga cetakan dan (bawah) kurva distribusi tegangan sisa yang disebabkan oleh proses dan bentuk bagian plastik setelah dikeluarkan.
Kondisi yang dapat menghasilkan tekanan penahan yang memadai dan suhu dinding cetakan yang seragam dapat mengurangi tegangan sisa yang disebabkan oleh efek termal. Kondisi-kondisi tersebut meliputi:
(1) Tekanan dan waktu penahanan yang sesuai.
(2) Semua permukaan bagian plastik didinginkan secara merata.
(3) Bagian plastik memiliki ketebalan penampang yang seragam.
Kontraksi
Ketika bagian plastik cetakan injeksi Ketika didinginkan dari suhu proses ke suhu ruangan, penyusutan volumenya bisa mencapai 20%. Ketika material kristalin dan semi-kristalin didinginkan di bawah suhu transisi kaca, molekul-molekulnya tersusun lebih teratur dan membentuk kristal, yang sangat rentan terhadap penyusutan termal;
Material amorf tidak mengalami perubahan mikrostruktur selama perubahan fasa, dan penyusutan termalnya relatif kecil. Oleh karena itu, perbedaan volume antara fasa leleh dan fasa padat (kristalisasi) material kristalin dan semi-kristalin lebih besar daripada material amorf, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7. Selain itu, laju pendinginan juga memengaruhi perilaku PvT material kristalin dan semi-kristalin.
Gambar 7 Kurva PvT polimer amorf dan kristalin.
Perubahan dari keadaan proses (titik A) ke keadaan tekanan normal dan suhu ruangan menyebabkan perubahan volume spesifik △υ.
CATATAN: Saat tekanan meningkat, volume spesifik menurun.
Penyebab penyusutan berlebihan pada bagian plastik meliputi tekanan injeksi yang terlalu rendah, waktu penahanan atau pendinginan yang tidak cukup, suhu leleh yang terlalu tinggi, suhu cetakan yang terlalu tinggi, tekanan penahanan yang terlalu rendah, dan hubungan antara penyusutan, parameter proses, dan ketebalan dinding ditunjukkan pada Gambar 8:
Selama pencetakan injeksiJika penyusutan volume bagian plastik tidak dikompensasi, hal itu akan menyebabkan cekungan pada permukaan bagian plastik atau lubang udara di dalamnya. Oleh karena itu, penyusutan bagian plastik harus dipertimbangkan saat mendesain cetakan. Mengontrol tingkat penyusutan bagian plastik sangat penting untuk desain bagian plastik, desain cetakan, dan pengaturan kondisi proses, terutama untuk bagian plastik gabungan.
Menahan rongga cetakan setelah pengisian dapat mengurangi/menghilangkan tanda penyusutan dan pori-pori untuk menentukan ukuran bagian plastik. Perangkat lunak analisis aliran cetakan dapat memprediksi penyusutan bagian plastik dan memberikan panduan untuk desain cetakan yang tepat.
