化學發泡成型概論

化學發泡成型（Chemical Foaming Molding, CFM）是藉由化學反應產生氣體而達成填滿模穴的成型工藝，聚氨酯(polyurethane, PU)發泡成型為化學發泡成型中最常見的一種。聚氨酯發泡體根據其機械性質可區分為硬質及軟質發泡體兩大類，硬質發泡體為施加載重后會破壞而不能回復者，軟質發泡體則為去除載重后會回復原形，并具可撓性與高彈性。聚氨酯發泡體可應用于汽車工業如儀表板、方向盤、座椅，冷凍工業如冰箱的隔熱層、保溫夾層，制鞋工業如鞋底，與醫療工業如病床床墊、手模等等。聚氨酯樹脂為主要為由含有OH基團的聚酯或聚醚類等多元醇(Polyol)與異氰酸酯 (Isocyanate) 反應而成，藉由此反應可使分子成長，并形成交聯的網狀結構。若原料加入水作為發泡劑，異氰酸酯則與水反應產生CO₂并形成多孔隙之聚氨酯發泡體。藉由原料成分或比例配方的改變，可制造出具有不同密度的硬質或軟質聚氨酯發泡體。

聚氨酯發泡成型的基本制程為，將多元醇、異氰酸酯，與水等原料混合均勻后注入模穴。通常注入階段不會完全填滿，接著再藉由發泡膨脹填滿模穴剩余的空間。在此過程中聚氨酯會因化學發泡反應釋出二氧化碳氣體，聚氨酯的黏度也會因交聯反應的進行而不斷升高。同時化學反應導致的放熱效應也會使模內溫度增高，進一步使二氧化碳在相對高溫的狀況下不斷釋入于聚氨酯中，直到模穴內充滿聚氨酯泡沫或聚氨酯完全固化為止。

化學發泡成型制程的挑戰是如何使用較少的原料充滿模穴而不短射。如果注入的原料過少，同時若發泡量也不足或聚氨酯固化速率過快，就會造成短射。但如果注入的原料過多，雖然能充飽模穴但后續的發泡行為會產生大量廢料。藉由化學發泡成型模塊的仿真可以更準確地預測聚氨脂的充填行為與注入原料的優化。

聚氨酯發泡制程示意圖

轉注成型是一種廣泛應用于橡膠加工產業的制程，而發泡橡膠則常被用來生產汽車、電子、建筑等產品。但是當橡膠加入發泡劑時，其制程會變得與傳統轉注成型的有點不同。如下圖所示，一熱固性預填料被放入料槽后，再由柱塞施加壓力讓橡膠流進加熱的模穴中。柱塞之后則快速回抽讓原來料槽變得像是溢流區，以此釋放模穴中發泡過程產生的多余壓力來強化發泡產品的質量。

轉注成型的化學發泡制程可視化 

(Ref: Groover, M. P. Fundamentals of Modern Manufacturing: Materials, Processes, and Systems. John Wiley & Sons, Inc., (2010))

壓縮成型也可以用作發泡熱固產品的制程，但預填料不是由柱塞而是由加熱后的可動式模座來擠壓成型。于此將不會有回抽的程序，故預填料的量會需要更好的控制。

壓縮成型的化學發泡制程可視化

(Ref: Groover, M. P. Fundamentals of Modern Manufacturing: Materials, Processes, and Systems. John Wiley & Sons, Inc., (2010))

Moldex3D化學發泡成型模塊功能介紹

Moldex3D的化學發泡成型模塊 (CFM) 支持聚氨酯化學發泡產品的制程仿真，包含了射出型(沒壓縮區)、轉注型與壓縮型。在設計與3D模擬方面，通過充填/熟化的分析，用戶可以更容易評估決定適合的生產條件。此外，Moldex3D化學發泡成型模塊提供智能化的精靈工具和前后處理器，能夠協助早期缺陷診斷和設計修改。

1. 模型建構 (Model Preparation)

建立新項目

要開始化學發泡成型(CFM)項目，在新建項目選單點選化學發泡成型應用制程。化學發泡成型分析的設置程序跟的標準射出成型相似（參考標準射出成型的章節），除了是在第三步需選擇化學發泡成型 (chemical foaming molding)。接下來在項目精靈的引導下，輸入項目信息、匯入預先準備好的化學發泡成型網格，并利用材料精靈選擇適合的材料模型，需注意在化學發泡模塊中目前只支持熱固性材料的分析。然后，點選成型條件和計算參數來利用精靈接口修改參數，如果有需要（詳情參見下面的章節）。在檢查目前組別數據的訊息顯示OK后，單擊完成(Finish)完成創立除非出現任何明顯的警告訊息。

第一步開啟Moldex3D Studio，選擇新增建立新項目，第二步按下確定。

第三步，選擇化學發泡成型。

2. 材料 (Material Wizard)

由于化學發泡成型過程會涉及到交聯反應動力與發泡反應動力，在材料精靈第六步可選擇反應動力的模型，并指定對應的參數值。在材料精靈第七步可選擇發泡動力的模型，支持PU模型與修改Combined模型。

注：PU模型一般是給知道原料組分與反應機制的人來使用(一般為料商或研發者)，Combined模型 /Modified combined模型則需使用逆向工程反推發泡機制。

3. 成型條件 (Process Wizard)

Moldex3D的化學發泡成型模塊(CFM)支持充填分析，使用者可以根據建議成型條件或設計規格設定成型參數。設定接口選擇CAE模式后，下一步以啟動流程精靈。

充填參數設定

充填設定步驟與傳統射出成型非常類似。可分別設定充填時間, 壓力控制時間, 料溫, 模溫等成型條件。

發泡參數設定

在發泡參數設定頁應詳細輸入發泡設定的信息。射出控制由體積百分比 (%)： 表示熔膠與產生的氣體混合的總澆注體積比例到整個模穴體積的指定比例時停止澆注。射出控制由射出體積 (cm³)：表示熔膠與產生的氣體混合的總澆注體積到指定體積時停止澆注。射出控制由射出量 (g)：表示與熔膠的澆鑄重量到指定重量時停止澆注。

在進階設定中可控制發泡計算的結束時間：

?若選擇發泡成型持續到冷卻過程結束：將根據設定的冷卻時間計算到冷卻過程結束的時間。

?若選擇自動決定發泡時間：會計算到固化程度平均值大于凝膠點固化程度（αg）。

?若選擇發泡成型持續時間，并設定如60秒：以射出控制切換時間加發泡成型持續時間 (60秒) 做為發泡計算結束時間。

旋轉參數設定

Moldex3D的化學發泡成型模塊(CFM)支持化學發泡旋轉模具分析，其中，模具旋轉發泡計算和動畫輸出支持模具旋轉周期和角速度設置、通過重力和離心力來模擬模具旋轉過程的流動行為、支持發泡動畫輸出，使用者可以透過模具旋轉觀察熔膠流動和發泡的均勻性。

設定一旋轉原點(以點)及一旋轉軸(以向量)來決定模腔旋轉的3D方向。再來是設置旋轉速度，先設定好最大角速度的值再點擊角速度多段設定來定義旋轉速度依時間的變化(類似流率與壓力的多段設定只是有負值)。

4. 開始分析 (Run Analysis)

上述設定完成后即可進行分析。返回Moldex3D Studio，點擊射出分析2 –F W 進行充填與翹曲的分析并選擇開始分析 (Run now)。將會出現工作監控器，顯示實時的計算狀態。

注：對于計算參數，充填設定步驟與傳統射出成型相同。

5. 后處理 (Post-processing)

如要檢視化學發泡成型模塊的分析結果，在窗口中展示流域分布圖標。基本步驟如下：

步驟1：從Studio工作區中選擇適合的項目：

?選擇想要的組別。

?在分析結果（Result）中選擇想要的結果。

?選擇特定的結果，例如：流動波前時間、密度、溫度、轉化率、發泡轉化率等。

步驟2：如下圖所示，從顯示工具欄中選擇圖標，在窗口中指定想要的模型特征與組件。下列為范例。

檢視充填階段時的流動波前時間

在后處理的階段，提供充填保壓與冷卻階段時的屬性。例如：為顯示組別1的流動波前時間結果，在Studio樹狀目錄中選擇組別（Run）> 分析結果（Result）> 充填分析（Filling）> 流動波前時間（Melt-front time）。不同充填百分比的結果顯示如下。

檢視充填階段時的多段結果

由于Moldex3D化學發泡成型模塊的充填分析到發泡結束時間；因此充填階段的結果可藉由選擇不同的多段時間點而得，如下圖所示。

化學發泡成型常見結果項

密度：由于發泡反應進行會放出大量氣體，因此隨著充填過程時間增加，密度會愈來愈輕。

溫度：由于發泡反應進行會大量放熱，因此隨著充填過程時間增加，溫度會增加，但若內部溫度高于模溫則溫度會從模壁進行散熱，如下圖切剖面結果。

轉化率：轉化率代表化學交聯反應的程度，轉化率愈高代表產品愈接近固化，溫度愈高轉化速率愈快。

發泡轉化率：發泡轉化率代表化學發泡反應的程度，發泡轉化率愈高代表愈多氣體產生，溫度愈高發泡轉化速率愈快。