塑料發(fā)泡射出制程中，會先透過螺桿將超臨界狀態(tài)流體(N2或CO2)與融膠混煉成均勻單相流體，而勻相混合物在射出過程中因瞬間釋壓造成熱力學(xué)不平衡，使得熔膠中的超臨界流體透過相變化產(chǎn)生數(shù)以萬計之微小氣泡，經(jīng)模具冷卻固化而得到具有泡孔結(jié)構(gòu)之成品。

若采用Han and Yoo 氣泡成長動力模型，可以仿真出氣泡成長的過程與氣泡成長動力。然而，當(dāng)產(chǎn)品的幾何外觀復(fù)雜度變高，以及使用不同制程時，模內(nèi)壓力并非都是低壓狀態(tài)，例如肉薄處的熔膠壓力還是非常大，甚至大過飽和壓力；另一方面，抽芯制程(圖一)還會帶來額外的保壓，因此模內(nèi)的氣泡并不會因釋壓而持續(xù)成長，反而可能會因為模內(nèi)熔膠壓力增加而萎縮。此時Han and Yoo模型就有所局限，而無法準(zhǔn)確模擬出氣泡縮小的現(xiàn)象。

 

圖一 抽芯過程示意圖

為了改善舊有模型的不足，Moldex3D與日本金澤大學(xué)(Kanazawa University)合作開發(fā)出Modified Han and Yoo。由金澤大學(xué)Prof. Taki提供的氣泡動力模型與試片實驗數(shù)據(jù)[1]得知，隨著壓力釋放(如圖二右上角所示)，氣泡會超越自由能量障壁(Energy Barrier)而成核成長；如果對氣泡增加壓力，氣泡則會逐漸萎縮直到溶解回熔膠中(可以說是回到熔膠與氣體混和的初始狀態(tài))。這時若再將壓力釋放，氣泡將會在相同位置成核成長。實驗結(jié)果也與此氣泡動力模型有非常貼近的趨勢，驗證了氣泡被加壓而導(dǎo)致萎縮的歷程(圖三)。

圖二 氣泡萎縮實驗

圖三 模擬結(jié)果與實驗比對

以往使用Han and Yoo 模型進行肉薄幾何仿真時，無法精準(zhǔn)掌握氣泡萎縮的歷程，因此有許多因加壓而消失的氣泡數(shù)量被低估。現(xiàn)在Moldex3D 2021版本中，新增了Modified Han and Yoo的選項(圖四)。與原有的Han and Yoo 模型比較后可發(fā)現(xiàn)，使用Modified Han and Yoo 模型可以較精準(zhǔn)地預(yù)測出這些萎縮的氣泡(圖五)。同理，若將此模型應(yīng)用于抽芯制程，亦可更精確得知氣泡全部溶回熔膠所需要的保壓時間。

圖四 Moldex3D 2021新增了Modified Han and Yoo選項

圖五 Han and Yoo與Modified Han and Yoo模型功能比較

發(fā)泡制程非常多樣且復(fù)雜，應(yīng)用范圍也很廣泛，因此精準(zhǔn)掌握其過程的變化顯得格外重要。若能透過微觀模型準(zhǔn)確預(yù)測氣泡尺寸，將有助于熱傳、機械強度、聲學(xué)吸收、低介電系數(shù)等巨觀性質(zhì)的預(yù)測，進而提高產(chǎn)品設(shè)計與生產(chǎn)效能。

Reference

[1] K. Taki et al., “3D NUMERICAL SIMULATION AND EXPERIMENTAL OBSERVATION OF BUBBLE GROWTH AND COLLAPSE IN NITROGEN-GAS SATURATED MOLTEN POLYMER FOR THE CORE-BACK FOAM INJECTION MOLDING”, ANTEC? 2021 – SPE.