33ฉบับที่ 76 ปีที่ 24 เมษายน - มิถุนายน 2554

Analysis of Residual Stress within Injection-Molded Parts via Computer-Aided Engineering Program

ชนิตา นำเกียรติขจรวุฒิ 1 สมเจตน์ พัชรพันธ์ 2

การวิเคราะห์ความเค้นตกค้างภายในชิ้นงาน

ที่ผ่านกระบวนการฉีดขึ้นรูปโดยใช้โปรแกรม

คอมพิวเตอร์เพื่อการวิเคราะห์

ทางวิศวกรรม

1 นิสิตปริญญาตรี สาขาวิชาวิศวกรรมวัสดุ คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ วิทยาเขตบางเขน 2 อาจารย์ ภาควิชาวิศวกรรมวัสดุ คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร ์วิทยาเขตบางเขน

บทคัดย่อ

งานวิจัยนี้ได้ทำการวิเคราะห์การกระ-

จายตัวของความเค้นตกค้างที่เกิดขึ้นภายในชิ้น

งานที ่ผ่านกระบวนการฉีดขึ ้นรูป โดยเปรียบ

เทียบผลการทดลองจริงกับผลการวิเคราะห์ที่ได้

จากโปรแกรมคอมพิวเตอร์เพื่อการวิเคราะห์ทาง

วิศวกรรม ซึ่งได้แก่ โปรแกรม Moldex3D โดย

ปัจจัยในกระบวนการฉีดสำคัญที ่ได้ทำการ

ศึกษา ได้แก่ อุณหภูมิพอลิเมอร์หลอมเหลว

ความเร็วในการฉีด ความดันคงค้าง รวมถึง

ลักษณะและความหนาของชิ้นงาน จากผลการ

ทดลองพบว่า เม ื ่ออ ุณหภูม ิในการฉ ีดและ

ความเร็วในการฉีดเพิ ่มสูงขึ ้น ทำให้เกิดแนว

Analysis of

Residual

Stress within

Injection-Molded

Parts via

Computer-Aided Engineering Program

ความเค้นตกค้างมากที่บริเวณใกล้ทางเข้าชิ้น

งาน และหากทำการฉีดที่อุณหภูมิและความเร็ว

ในการฉีดต่ำ ส่งผลให้เกิดแนวความเค้นตกค้าง

มากที่บริเวณปลายของชิ้นงาน ทั้งนี้เนื่องมาจาก

อิทธิพลของอุณหภูมิและความเร็วในการฉีด ที่มี

ต่อความเร็วในการไหลและความหนาของชั้น

ผิวที่แข็งตัวของพอลิเมอร์หลอมเหลวขณะไหล

ภายในแม่พิมพ์ ในขณะที่การเพิ่มความดันคง

ค้างส่งผลให้เกิดความเค้นตกค้างเพิ่มมากขึ้น

เฉพาะบริเวณใกล้ทางเข้าชิ้นงานเท่านั้น จากผล

การวิเคราะห์ความเค้นตกค้างภายในชิ้นงานที่มี

ความหนาผนังที่แตกต่างกัน พบว่า ชิ้นงานที่มี

34วิ ศ ว ก ร ร ม ส า ร ม ก .

ความหนาผนังน้อยกว่า เกิดความเค้นตกค้าง

ภายในชิ้นงานมากกว่า ผลการวิเคราะห์ความ-

เค้นตกค้างที่ได้จากโปรแกรมคอมพิวเตอร์ แสดง

ให้เห็นว่าให้ผลที่สอดคล้องกับผลการทดลองจริง

อย่างไรก็ตาม หากพิจารณาถึงตำแหน่งของการ

เกิดความเค้นตกค้างภายในชิ้นงาน พบว่า ผล

การวิเคราะห์ท ี ่ได ้ย ังคงแตกต่างจากผลการ

ทดลองจริง ทั้งนี้อาจมีสาเหตุมาจากสมมติฐาน

ที่กำหนดไว้ในการวิเคราะห์ของโปรแกรมคอม-

พิวเตอร์

คำสำคัญ : กระบวนการฉ ีดข ึ ้นรูป

ความเค้นตกค้าง โปรแกรมคอมพิวเตอร์เพื่อการ

วิเคราะห์เชิงวิศวกรรม ปัจจัยในกระบวนการฉีด

ขึ้นรูป

Abstract

This research aimed to analyze the

residual stress distribution within injection

molded parts by the use of a Computer-Aided

Eng ineer ing Program (CAE) , Moldex3D.

Compar ison between the s imulat ion and

experimental results was also made in order to

investigate the effec of processing parameters

such as injection temperature, injection speed

and holding pressure. The effec of mold geometry

such as part thickness was also investigated. It

was found that the residual stress within the

molded parts, especially near the gate area,

increased with the rise in melt temperature,

injection speed and holding pressure. However,

at the far end of the specimen, higher residual

stress was found when the melt temperature

and the injection speed were decreased. This

was attributed to the velocity profiles and the

solidified skin layer of molten polymer flow

developed during the injection process. With

regard to mold geometry, the lower the wall

thickness, the higher the residual stress was

found within molded parts. The experimental

and simulation results were compared and

found to be in good agreement. However,

slight discre-pancies were observed which

might have been due to the assumptions

made in the simulation procedures.

Keywo rd s : In ject ion Mold ing

Process, Residual stress, Computer-Aided

Engineering, Processing parameters

1. คำนำ

ปัจจุบันอุตสาหกรรมการผลิตผลิต-

ภัณฑ์พลาสติกภายในประเทศมีความสำคัญ

เป็นอย่างมาก เนื่องจากประเทศไทยมีอุตสาห-

กรรมการขึ้นรูปผลิตภัณฑ์พลาสติกติดอันดับ 1

ใน 10 ของโลก โดยกระบวนการผลิตผลิตภัณฑ์

พลาสติกที่มีการใช้งานมากที่สุด คือ กระบวน-

การฉีดขึ้นรูป (Injection molding process) ซึ่ง

เป็นกระบวนการผลิตที ่ให้อัตราการผลิตสูง

และสามารถทำการผลิตชิ ้นงานที ่ม ีรูปร ่าง

ซับซ้อนได้เป็นอย่างดี อย่างไรก็ตามคุณภาพ

ของผลิตภัณฑ์ที่ได้จากกระบวนการฉีดขึ้นรูป

35ฉบับที่ 76 ปีที่ 24 เมษายน - มิถุนายน 2554

นั ้น ยังคงขึ ้นอยู ่กับปัจจัยในกระบวนการฉีด

ยกตัวอย่างเช่น ลักษณะการออกแบบแม่พิมพ์

(Mold design) และการตั ้งค ่าพารามิเตอร ์

ในระหว่างกระบวนการฉีดขึ้นรูป (Processing

parameters) เป็นต้น ซึ่งปัจจัยเหล่านี้ล้วนมีผล

ต่อการเกิดข้อบกพร่องขึ้นบนผลิตภัณฑ์ ส่งผล

ทั้งในด้านของความสวยงามและความแข็งแรง

ของผลิตภัณฑ์ ยกตัวอย่างเช่น การเกิดการ

โก ่งงอหรือบิดเบี ้ยว (Warpage) การหดตัว

(Shrinkage) และการเกิดรอยแตกร้าวบนชิ้นงาน

(Crazing/Cracking) ที่มีสาเหตุมาจากความเค้น

ตกค้าง (Residual stress) ที่เกิดขึ้นเนื่องจากการ

ไหลและการถ่ายเทความร้อนของพอลิเมอร์

หลอมเหลว (Flow and thermal-induced residual

stress) ภายในแม่พิมพ์ฉีด ส่งผลให้เกิดความ-

เค้นตกค้างสูงภายในชิ้นงานและเป็นสาเหตุหลัก

ทำให้ชิ้นงานเกิดความเสียหายตรงบริเวณนั้นได้

[1,2,3]

ดังนั้นในงานวิจัยนี้จึงได้ทำการวิเคราะห์

การกระจายตัวของความเค้นตกค้าง (Residual

distribution) ที ่เก ิดขึ ้นภายในชิ ้นงานที ่ผ ่าน

กระบวนการฉีดขึ ้นรูป โดยเปรียบเทียบผล

การทดลองจริงกับผลการวิเคราะห์ที ่ได้จาก

โปรแกรมคอมพิวเตอร์เพื ่อการวิเคราะห์ทาง

วิศวกรรม ซึ่งได้แก่ โปรแกรม Moldex3D ปัจจัย

ในกระบวนการฉีดสำคัญที ่ได้ทำการศึกษา

ได้แก่ อุณหภูมิฉีดพอลิเมอร์หลอมเหลว (Injection

melt temperature) ความเร็วในการฉีด (Injection

speed) ความดันคงค้าง (Holding pressure) รวม

ถึงลักษณะและความหนาของชิ ้นงาน (Wall

thickness of part) เพื่อเป็นแนวทางในการหลีก

เลี่ยงการเกิดความเค้นตกค้างภายในชิ้นงาน ซึ่ง

เป็นสาเหตุหลักของการเกิดข้อบกพร่องต่าง ๆ

นอกจากนี้ยังสามารถนำโปรแกรมคอมพิวเตอร์

ไปประยุกต์ใช้ในภาคอุตสาหกรรมการผลิตเพื่อ

แก้ไขข้อบกพร่อง รวมถึงการลดเวลาและต้นทุน

ในกระบวนการผลิตที่เกิดขึ้น

2. อุปกรณ์และวิธีการ

2.1 การฉีดขึ้นรูปชิ้นงานทดสอบ

งานวิจัยนี้ได้ทำการฉีดขึ้นรูปชิ้นงานพอ-

ลิเอทิลีนเทเรฟทาเลต (Polyethylene tereph-

thalate, PET) และพอลิสไตรีน (Polystyrene, PS)

ที่มีลักษณะแบบดัมเบลล์ (Dumbbell) และแบบ

แผ่นทดสอบ (Plate) ซึ ่งสามารถปรับเปลี ่ยน

ความหนาชิ้นงาน และตำแหน่งของทางเข้าได้

ดังแสดงในภาพที่ 1 โดยใช้เครื่องฉีดพลาสติก

ARBURG รุ ่น 320C ใช้อุณหภูมิแม่พิมพ์ฉีด

(Mold temperature) เท่ากับ 30 ํC และใช้เงื่อนไข

ในกระบวนการฉีดขึ้นรูป แสดงในตารางที่ 1

ตารางที่ 1 แสดงเงื่อนไขในกระบวนการฉีดขึ้นรูปชิ้นงานทดสอบ

วัสดุ ลักษณะชิ้นงาน อุณหภูมิฉีดพอลิเมอร์

หลอมเหลว ( ํC )

ความเร็วในการฉีด

(ccm/s)

เวลาในการเย็นตัวภายใน

แม่พิมพ์ฉีด (s)

PET แบบดัมเบลล์ 290, 300, 310 10 20

PS แบบแผ่นทดสอบ 240 5, 10, 20 10, 40

36วิ ศ ว ก ร ร ม ส า ร ม ก .

2.2 การวิเคราะห์ความเค้นตกค้าง

ภายในชิ้นงาน

งานวิจัยนี้ได้ใช้เครื่องวิเคราะห์ความ-

เค้นตกค้าง (Stress viewer) ในการวิเคราะห์

ลักษณะการกระจายตัวของความเค้นตกค้างที่

เกิดขึ้นจริงภายในชิ้นงานที่ผ่านกระบวนการฉีด

ขึ ้นรูป และได้ใช้โปรแกรมคอมพิวเตอร์เพื ่อ

การวิเคราะห์ทางวิศวกรรม (Computer Aided

Engineering, CAE) ซึ่งได้แก่ โปรแกรม Moldex3D

ของบริษัท CoreTech System ในการวิเคราะห์

ลักษณะการกระจายตัวของความเค้นตกค้างที่

เกิดขึ้นภายในชิ้นงานจำลอง เพื่อเปรียบเทียบ

กับผลการทดสอบจริง สำหรับการวิเคราะห์

ความแม่นยำของโปรแกรมดังกล่าว

3. ผลการทดลองและวิจารณ ์

3.1 อิทธิพลของอุณหภูมิในการฉีด

พอลิเมอร์หลอมเหลวที่มีต่อลักษณะความ-

เค้นตกค้างที่เกิดขึ้น

ภาพที่ 1 (ก) แสดงลักษณะชิ้นงานทดสอบแบบดัมเบลล์ (ข) แสดงลักษณะชิ้นงานทดสอบแบบแผ่น

ทดสอบ

(ก) (ข)

ภาพที่ 2 แสดงลักษณะชิ้นงานทดสอบ

แบบดัมเบลล์ของ PET ที่ผ่านกระบวนการฉีดขึ้น

รูปที่อุณหภูมิฉีดต่าง ๆ กัน จากผลการทดลอง

พบว่า ที่บริเวณช่วงแรกของการไหลหรือบริเวณ

ใกล้ทางเข้า (บริเวณที่ 1) ของชิ้นงานที่อุณหภูมิ

ฉีดเท่ากับ 310 ํC เกิดแนวของความเค้นตกค้าง

ภายในชิ้นงานมากกว่าที่อุณหภูมิ 290 และ 300 ํC

ทั้งนี้เนื่องจากในช่วงแรก พอลิเมอร์หลอมเหลว

ที่อุณหภูมิสูงมีค่าความหนืดที่ต่ำกว่า ส่งผลให้มี

ความเร็วในการไหลของพอลิเมอร์หลอมเหลวที่

สูงกว่า ซึ ่งความเร็วในการไหลที่สูงทำให้เกิด

ความเค้นเฉือน (Shear stress) ที ่ก ่อให้เกิด

ความเค้นตกค้างภายใต้บริเวณชั้นผิวที่เกิดการ

เย็นตัวหรือแข็งตัว (Solidified skin layer หรือ

Frozen layer) มากเช่นเดียวกัน โดยความเค้น

ตกค้างสามารถพิจารณาได้จากแถบสีดำซึ ่ง

สามารถระบุถึงความเค้นตกค้างที่เกิดขึ้นภายใน

ชิ้นงานได้ เมื่อพิจารณาส่วนตรงกลางชิ้นงาน

(บริเวณที่ 2) พบว่าความเค้นตกค้างที่เกิดขึ้น

มีแนวโน้มไม่ชัดเจน ซึ ่งทางผู ้ว ิจ ัยคาดว่าที ่

37ฉบับที่ 76 ปีที่ 24 เมษายน - มิถุนายน 2554

อุณหภูมิฉีดที่สูงกว่าน่าจะส่งผลให้ส่วนบริเวณ

ตรงกลางของชิ้นงานเกิดมีความเค้นตกค้างที่

น้อยกว่าเนื่องจากความหนาชั้นผิวที่แข็งตัวมี

ค่าน้อยกว่า ส่งผลให้ความเร็วในการไหลของ

พอลิเมอร์หลอมเหลวลดลง อย่างไรก็ตามหาก

พิจารณาที่บริเวณส่วนปลายของชิ้นงาน (บริเวณ

ที ่ 3) ที ่อุณหภูมิ 290 ํC พบว่าเกิดความเค้น

ตกค้างที่มากกว่าที่อุณหภูมิฉีด 310 ํC ทั้งนี้มี

สาเหตุมาจากที่อุณหภูมิ 290 ํC เกิดความหนา

ของชั้นผิวที่มากกว่าทำให้ความเร็วในการไหลมี

ค่าเพิ่มสูงขึ้นเมื่อระยะทางการไหลเพิ่มมากขึ้น

ส่งผลให้เกิดความเค้นตกค้างสูงขึ ้นที ่บริเวณ

ส่วนปลายของชิ้นงาน

ที่ทำการฉีดขึ้นรูปเท่ากับ 5 ccm/s เกิดความเค้น

ตกค้างภายในชิ้นงานมากกว่าโดยเฉพาะอย่าง

ยิ่งที่บริเวณส่วนปลายของชิ้นงาน ทั้งนี้มีสาเหตุ

มาจาก ที่ความเร็วในการฉีดขึ้นรูปต่ำกว่าพอลิ-

เมอร์หลอมเหลวที่บริเวณชั้นผิว (Skin layer) มี

ระยะเวลาในการเย็นตัวที ่ยาวนานขึ ้น ทำให้

ความหนาของชั้นผิวที่แข็งตัวมีค่าเพิ่มมากขึ้น

(หรือช่องทางการไหลเริ ่มแคบลง) ดังแสดงใน

ภาพที่ 4 ส่งผลให้ความเร็วในการไหลของพอลิ-

เมอร์หลอมเหลวที่บริเวณชั้นแกนกลางเริ่มเพิ่ม

สูงขึ ้นเมื ่อระยะทางการไหลเพิ ่มขึ ้น ซึ ่งเป็น

สาเหตุของการเกิดความเค้นตกค้างที่เพิ่มมาก

ขึ้นที่บริเวณส่วนปลายของชิ้นงาน

ภาพที่ 2 แสดงลักษณะความเค้นตกค้างที่เกิด

ขึ้นภายในชิ้นงานทดสอบแบบดัมเบลล์ของ PET

ที่อุณหภูมิในการฉีดขึ้นรูปเท่ากับ 290 ํC 300 ํC

และ 310 ํC

3.2 อิทธิพลของความเร็วในการฉีด

ขึ้นรูปที่มีต่อลักษณะความเค้นตกค้างที่เกิด

ขึ้น

ภาพท ี ่ 3 แสดงล ักษณะความเค ้น

ตกค้างที่เกิดขึ้นภายในชิ้นงาน PS แบบแผ่นที่

มีลักษณะทางเข้าแบบใบพัดเมื ่อใช้ความเร็ว

ในการฉีดขึ ้นรูปเท่ากับ 5 10 และ 20 ccm/s

ตามลำดับ จากผลการวิเคราะห์พบว่า ชิ้นงาน

ภาพที่ 3 แสดงลักษณะความเค้นตกค้างที่เกิด

ขึ้นภายในชิ้นงานแบบแผ่นเมื่อทำการฉีดขึ้นรูปที่

ความเร็ว 5 10 และ 20 ccm/s ตามลำดับ

ภาพที่ 4 แสดงความหนาของชั้นผิวที่แข็งตัวเมื่อ

ทำการฉีดที่ความเร็วในการฉีดที่แตกต่างกัน [4]

38วิ ศ ว ก ร ร ม ส า ร ม ก .

3.3 อิทธิพลของความดันคงค้างที่มี

ต่อลักษณะความเค้นตกค้างที่เกิดขึ้น

หากพิจารณาอิทธิพลของความดันคง

ค้างที่มีต่อลักษณะความเค้นตกค้างที่เกิดขึ้น

ภายในชิ ้นงาน PS แบบแผ่นที ่ม ีรอยเช ื ่อม

ประสาน เมื่อใช้ความดันคงค้างเท่ากับ 0 และ

650 bar ดังแสดงในภาพที่ 5 พบว่าการเพิ ่ม

ความดันคงค้างไม่ส่งผลต่อลักษณะความเค้น

ตกค้างที่บริเวณด้านหน้าหรือส่วนปลายของชิ้น

งาน (พิจารณาที่บริเวณตรงกลางของชิ้นงาน

คือ บริเวณที่มีรอยเชื่อมประสาน) อย่างไรก็ตาม

จากผลการวิเคราะห์พบว่าการเพิ่มความดันคง

ค้างส่งผลให้เกิดความเค้นตกค้างขึ้นที่บริเวณ

ใกล้ทางเข้าชิ้นงานเท่านั้น ทั้งนี้เนื่องจากหลัก

การของการให้ความดันคงค้างเพื่อชดเชยการ

หดตัวของชิ้นงานที่สามารถเริ่มให้ได้ภายหลัง

จากที่พอลิเมอร์หลอมเหลวไหลเต็มโพรงแม่-

พิมพ์ (Cavity) แล้ว ดังนั้นการเพิ่มความดันคง-

ค้างจึงอาจทำให้เกิดการไหลของพอลิเมอร์

หลอมเหลวเพิ ่มมากขึ ้นที ่บริเวณใกล้ทางเข้า

เท่านั้น

3.4 อิทธิพลของความหนาชิ้นงานที่

มีต่อลักษณะความเค้นตกค้างที่เกิดขึ้น

งานวิจัยได้ทำการวิเคราะห์ความเค้น

ตกค้างที่เกิดขึ้นเมื่อทำการฉีดขึ้นรูปชิ้นงานที่มี

ความหนา ชนิดและตำแหน่งทางเข้าที่แตกต่าง

กัน โดยจากผลการวิเคราะห์ความเค้นตกค้าง

ภายในชิ้นงานที่ความหนา 2 และ 4 mm ดัง

แสดงในภาพที่ 6 พบว่าชิ้นงานที่มีความหนา 2

mm เกิดแนวความเค้นตกค้างภายในชิ้นงาน

มากกว่า ทั้งนี้เนื่องจากอิทธิพลความหนาผนัง

(Wall thickness) ที่มีต่อรูปร่างและความเร็วใน

การไหลรวมถึงประสิทธิภาพในการถ่ายเทความ

ร้อนที่เกิดขึ้น กล่าวคือ ความหนาผนังชิ้นงานที่

บางกว่ามีประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อน

ออกจากชิ้นงานได้ดีกว่าจึงมีความหนาชั้นผิวที่

แข็งตัวที่หนากว่า ทำให้เกิดความเร็วในการไหล

ใต้บริเวณชั้นผิวที่แข็งตัว (Secondary flow) ที่สูง

และก่อให้เกิดความเค้นเฉือนที่เพิ่มขึ้นเนื่องจาก

การไหลซึ่งเป็นสาเหตุหลักที่ทำให้ชิ้นงานบาง

เกิดความเค้นตกค้างภายในชิ้นงานมากกว่า ใน

ทางกลับกันหากพิจารณาชิ้นงานที่มีความหนา

4 mm พบว่า แนวความเค้นตกค้างมีลักษณะ

กว้างกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับชิ้นงานที่มีความ

หนา 2 mm ทั้งนี้เนื่องมาจากชิ้นงานที่มีความ

หนา 4 mm จำเป็นต้องใช้เวลาในการเย็นตัว

ภายในแม่พิมพ์ที ่ยาวนานกว่า (จากเวลา 10

วินาที เป็น 40 วินาที) ดังแสดงในตารางที่ 1

เพื่อให้ชิ้นงานมีความสามารถในการคงรูปร่าง

ในขณะที่ถูกนำปลดออกจากแม่พิมพ์ฉีด ดังนั้น

สายโซ่โมเลกุลของพอลิเมอร์ภายในชิ้นงานหนา

4 mm ซึ่งมีระยะเวลาในการคลายตัว (Relaxation

time) ที ่ เพิ ่มมากขึ ้นส่งผลให้เก ิดความเค้น

ตกค้างภายในชิ้นงานลดลง

ภาพที่ 5 แสดงลักษณะความเค้นตกค้างที่เกิด

ขึ้นภายในชิ้นงานแบบแผ่นที่มีรอยเชื่อมประสาน

เมื่อใช้ความดันคงค้างเท่ากับ 0 และ 650 bar

39ฉบับที่ 76 ปีที่ 24 เมษายน - มิถุนายน 2554

3.5 การวิเคราะห์เปรียบเทียบลักษณะ

ความเค้นตกค้างที่เกิดขึ้นภายในชิ้นงานโดย

ใช้โปรแกรมคอมพิวเตอร ์

หากพิจารณาผลการว ิ เคราะห์จาก

โปรแกรมคอมพิวเตอร์เปรียบเทียบกับผลการ

ทดลองจริงดังแสดงในภาพที่ 7 โดยพิจารณา

อิทธิพลของอุณหภูมิในการฉีดขึ้นรูป พบว่า ผล

การวิเคราะห์ที่ได้จากโปรแกรมคอมพิวเตอร์ให้

ผลที ่สอดคล้องกับผลการทดลองจริง กล่าว

คือ เมื่ออุณหภูมิในการฉีดขึ้นรูปเท่ากับ 290 ํC

เกิดความเค้นตกค้างมากกว่าที่ 310 ํC ดังแสดง

ในภาพที ่ 7 อย่างไรก็ตามหากพิจารณาถึง

บริเวณการเกิดความเค้นตกค้าง พบว่า ยังคงมี

ความแตกต่างกัน กล่าวคือ ผลที ่ได้จากการ

วิเคราะห์ตำแหน่งความเค้นตกค้าง โปรแกรม

คอมพิวเตอร ์แสดงให้เห ็นว ่าเก ิดความเค้น

ตกค้างมากที่บริเวณภายหลังจากที่พอลิเมอร์

หลอมเหลวเกิดการพัฒนาความเร็วในการไหล

เพิ่มมากขึ้น โดยมีสาเหตุมาจากลักษณะการ

ไหลแบบลู่เข้า (Convergent flow) ในขณะที่ผล

การวิเคราะห์ที่ได้จากผลการทดลองจริงพบว่า

ความเค้นตกค้างเกิดขึ้นมากที่บริเวณปลายของ

ชิ ้นงาน การที ่ผลการวิเคราะห์จากโปรแกรม

คอมพิวเตอร์แตกต่างจากผลการทดลองจริงอาจ

มีสาเหตุมาจากสมมติฐานที่ถูกกำหนดไว้ในการ

วิเคราะห์ของโปรแกรมคอมพิวเตอร์ ยกตัวอย่าง

เช่น ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อน (Heat

transfer coefficient; α) ระหว่างพอลิเมอร์หลอม

เหลวกับผนังแม่พิมพ์ซึ ่งถูกกำหนดให้เป็นค่า

คงที่และมีค่าสูงมากเท่ากับ 1,200 W/m2.K [5]

ซึ่งหมายความถึงประสิทธิภาพการถ่ายเทความ

ร้อนของพอลิเมอร์หลอมเหลวเข้าสู่ผนังแม่พิมพ์

ที่ดีมาก แต่ในความเป็นจริงแล้วจากงานวิจัย

ของ Mennig และคณะ [4] ซึ่งได้ทำการวัดค่า

สัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อน ระหว่างพอลิ-

เมอร์หลอมเหลวและแม่พิมพ์ พบว่าค่าดังกล่าว

ควรมีค่าอยู่ที ่ประมาณ α = 550 W/m2.K ทั้ง

นี้เนื่องจากการหดตัวของพอลิเมอร์หลอมเหลวที่

บริเวณผิวก่อให้เกิดช่องว่างระหว่างพอลิเมอร์

กับผิวสัมผัสของแม่พิมพ์ที่มีอากาศแทรกตัวอยู่

ทำให้ประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนของพอ-

ลิเมอร์หลอมเหลวออกสู่ผนังแม่พิมพ์มีประสิทธิ-

ภาพลดลงอย่างมาก นอกจากนี้สมมติฐานจาก

โปรแกรมคอมพิวเตอร์ได้กำหนดให้ค่าการนำ

ความร้อน (Thermal conductivity; K) ของพอลิ-

เมอร์หลอมเหลวมีค่าคงที่ อย่างไรก็ตามจาก

งานวิจัยที่ผ่านมาในอดีต พบว่าค่าการนำความ

ร้อนของพอลิเมอร์หลอมเหลวมีค่าขึ ้นอยู ่กับ

อุณหภูมิและความดันที่เกี่ยวข้อง [6]

ภาพที่ 6 แสดงล ักษณะความเค ้นตกค ้าง

ภายในชิ้นงาน PS แบบแผ่นที่ความหนา 2 และ

4 mm

40วิ ศ ว ก ร ร ม ส า ร ม ก .

จากผลการวิเคราะห์ที่ได้จากโปรแกรม

คอมพิวเตอร์เปรียบเทียบกับผลการทดลองที่ได้

จากชิ้นงานแผ่นทดสอบที่มีลักษณะแบบทางเข้า

แบบคู ่ขนานและชิ ้นงานพรีฟอร์มดังแสดงใน

ภาพที่ 8 และ 9 แสดงให้เห็นว่าผลการวิเคราะห์

ที ่ได้จากโปรแกรมคอมพิวเตอร์ยังคงให้ผลที ่

สอดคล้องกับผลการทดลองจริง กล่าวคือ ใน

กรณีผลการวิเคราะห์ท ี ่ได ้จากแผ่นชิ ้นงาน

ทดสอบที ่มีลักษณะทางเข้าแบบคู ่ขนานเกิด

ความเค้นตกค้างมากที ่บริเวณทางเข้า โดย

เฉพาะอย่างยิ่งที่ความหนา 2 mm ดังแสดงใน

ภาพที่ 8 ในขณะที่ผลการวิเคราะห์ที่ได้จากชิ้น

งานพรีฟอร์มแสดงให้เห็นความเค้นตกค้างที่เกิด

ขึ้นบริเวณคอขวด ดังแสดงในภาพที่ 9 ซึ่งเกิด

การเพิ่มขึ้นของความเร็วในการไหลจากการที่

ผนังของชิ้นงานบางลง ณ บริเวณดังกล่าว

ภาพที่ 7 แสดงผลการว ิเคราะห์ความเค้น

ตกค้างภายในชิ ้นงานแบบดัมเบลล์ที ่ได้จาก

โปรแกรม Moldex3D ที ่อ ุณหภูม ิในการฉีด

เท่ากับ 290 ํC และ 310 ํC

ภาพที่ 8 แสดงการเปร ียบเท ียบล ักษณะ

ความเค้นตกค้างภายในชิ้นงานที่มีทางเข้าแบบ

คู ่ขนานที ่ได้จากการวิเคราะห์โดยโปรแกรม

คอมพิวเตอร์กับการฉีดขึ้นรูปจริงที่ความหนาชิ้น

งานเท่ากับ 2 และ 4 mm

ภาพที่ 9 แสดงการเปร ียบเท ียบล ักษณะ

ความเค้นตกค้างภายในชิ้นงานพรีฟอร์มที่ได้

จากโปรแกรมคอมพิวเตอร์ และการฉีดขึ ้นรูป

จริง

41ฉบับที่ 76 ปีที่ 24 เมษายน - มิถุนายน 2554

สรุป

งานวิจัยนี้ได้ทำการวิเคราะห์ลักษณะ

การกระจายตัวของความเค้นตกค้างที่เกิดขึ้น

ภายในชิ้นงานที่ผ่านกระบวนการฉีดขึ้นรูป โดย

การเปรียบเทียบผลการทดลองจริงกับผลการ

วิเคราะห์ที่ได้จากโปรแกรมคอมพิวเตอร์เพื่อการ

วิเคราะห์ทางวิศวกรรม ซึ ่งได้แก่ โปรแกรม

Moldex3D โดยปัจจัยสำคัญในกระบวนการฉีดที่

ได ้ทำการศึกษา ได้แก ่ อ ุณหภูม ิในการฉีด

ความเร็วในการฉีด ความดันคงค้าง รวมถึง

ลักษณะและความหนาของชิ้นงาน จากผลการ

วิเคราะห์ความเค้นตกค้างที่เกิดขึ้นภายในชิ้น

งานสามารถสรุปได้ดังนี้

- เมื่ออุณหภูมิในการฉีดและความเร็ว

ในการฉีดเพิ่มสูงขึ ้น ทำให้เกิดแนวความเค้น

ตกค้างมากที่บริเวณใกล้ทางเข้าชิ้นงาน ในขณะ

ที่หากทำการฉีดที่อุณหภูมิและความเร็วในการ

ฉีดต่ำ ส่งผลให้เกิดแนวความเค้นตกค้างมาก

ที ่บริเวณปลายของชิ ้นงาน ทั ้งนี ้เนื ่องมาจาก

อิทธิพลของการเพิ ่มอุณหภูมิและความเร ็ว

ในการฉีด ที่ส่งผลต่อความหนืด รูปแบบและ

ความเร็วในการไหล รวมถึงความหนาของชั้นผิว

ที ่แข็งตัวของพอลิเมอร์หลอมเหลวขณะไหล

ภายในแม่พิมพ์

- อิทธิพลของการเพิ่มความดันคงค้าง

ส่งผลให้เกิดความเค้นตกค้างเพิ่มมากขึ้นเฉพาะ

บริเวณใกล้ทางเข้าชิ้นงานเท่านั้น โดยไม่ส่งผล

ต่อลักษณะความเค้นตกค้างที่บริเวณด้านหน้า

หรือส่วนปลายของชิ้นงาน ทั้งนี้เนื่องจากหลัก

การของการให้ความดันคงค้าง เพื่อชดเชยการ

หดตัวของชิ้นงาน ที่สามารถเริ่มให้ได้ภายหลังที่

พอลิเมอร์หลอมเหลวไหลเต็มโพรงแม่พิมพ์แล้ว

- จากผลการวิเคราะห์ความเค้นตกค้าง

ภายในชิ้นงานที่มีความหนาแตกต่างกัน พบว่า

ชิ ้นงานที่มีความหนาผนังน้อยกว่า (บางกว่า)

เกิดความเค้นตกค้างภายในชิ ้นงานมากกว่า

ทั้งนี้เนื่องมาจากอิทธิพลของความหนาผนังที่มี

ต่อรูปร่างและความเร็วในการไหลของพอลิเมอร์

หลอมเหลวในช่องทางการไหล รวมถึงประ-

สิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนจากพอลิเมอร์

หลอมเหลวออกสู่ผนังแม่พิมพ์ที่ดีกว่าชิ้นงานที่มี

ความหนามาก ซึ่งส่งผลต่อความหนาของชั้นผิว

ที ่แข็งตัวของพอลิเมอร์หลอมเหลวขณะไหล

ภายในแม่พิมพ์

- จากผลการวิเคราะห์การเกิดความเค้น

ตกค้างภายในชิ้นงานที่ได้จากโปรแกรมคอม-

พิวเตอร์ พบว่า ให้ผลที่สอดคล้องกับผลการ

ทดลองจริง กล่าวคือ อิทธิพลของการเพิ ่ม

อุณหภูมิฉีด ความเร็วในการฉีด และความดัน

คงค้าง ส่งผลให้ความเค้นตกค้างภายในชิ ้น

งานมีแนวโน้มเพิ่มมากขึ้น นอกจากนี้ผลการ

วิเคราะห์ยังแสดงให้เห็นว่า ชิ้นงานที่มีผนังบาง

เก ิดความเค้นตกค้างภายในชิ ้นงานที ่มาก

กว่าชิ ้นงานที ่มีผนังหนา อย่างไรก็ตาม หาก

พิจารณาถึงตำแหน่งของการเกิดความเค้น

ตกค้างภายในชิ้นงาน พบว่า ผลการวิเคราะห์ที่

ได้ยังคงแตกต่างจากผลการทดลองจริง ทั ้งนี ้

อาจมีสาเหตุมาจากสมมติฐานที่กำหนดไว้ใน

การวิเคราะห์ของโปรแกรมคอมพิวเตอร์

42วิ ศ ว ก ร ร ม ส า ร ม ก .

กิตติกรรมประกาศ

- ภาควิชาวิศวกรรมวัสดุ คณะวิศวกรรมศาสตร์

มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์

- สถาบันค้นคว้าและพัฒนาเทคโนโลยีการผลิต

ทางอุตสาหกรรม (RDIPT)

- บริษัท CoreTech System ประเทศไทย จำกัด

เอกสารอ้างอิง

[1] Chen X., Y. C. Lam and D.Q. Li. 2000.

Analysis of Thermal Residual Stress in

Plastic Injection Molding. Journal of

Materials Processing Technology.

(101): 275-280.

[2] Kansal G., P. N. Rao. and S. K. Atreya.

2001. Study: Temperature and Residual

Stress in an Injection Molded Gear.

Journal of Materials Processing Tech-

nology. (108): 328-337.

[3] Wang T. H. and W. B. Young. 2005.

Study on Residual Stresses of Thin-

Walled Injection Molding. European

Polymer Journal. (41): 2511-2517.

[4] Menn ig G . , K . Lunkw i t z and D .

Lehmann. 2005. Chemische Oberfl

ächenmodif iz ierung beim Spritzgi

eßen und dessen Wechselwirkung mit

dem Verarbeitungsverhalten, DFG-Abs-

chlussbericht, Technische Universit

ät Chemnitz.

[5] A inoya K . and O. Amano. 2001.

Accuracy of Filling Analysis Program.

Society of Plastics Engineers Annual

Technical Conference. 726-730.

[6] Patcharaphun S. and Mennig G. 2005.

Influence of Processing Parameters

and Glass-Fiber Content on Material

Distribution in Sandwich Injection

Mold ing. Journa l of Research in

Engineering and Technology. (2): 262-

275.

[7] Sombatsompop N. and A. K. Wood.

1997 . Measurement o f Therma l

Conductivity of Polymers using an

Improved Lee’s Disc Apparatus.

Polymer Testing. 16(3): 203-223.