化學(xué)發(fā)泡成型概論

化學(xué)發(fā)泡成型（Chemical Foaming Molding, CFM）是藉由化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氣體而達成填滿模穴的成型工藝，聚氨酯(polyurethane, PU)發(fā)泡成型為化學(xué)發(fā)泡成型中最常見的一種。聚氨酯發(fā)泡體根據(jù)其機械性質(zhì)可區(qū)分為硬質(zhì)及軟質(zhì)發(fā)泡體兩大類，硬質(zhì)發(fā)泡體為施加載重后會破壞而不能回復(fù)者，軟質(zhì)發(fā)泡體則為去除載重后會回復(fù)原形，并具可撓性與高彈性。聚氨酯發(fā)泡體可應(yīng)用于汽車工業(yè)如儀表板、方向盤、座椅，冷凍工業(yè)如冰箱的隔熱層、保溫夾層，制鞋工業(yè)如鞋底，與醫(yī)療工業(yè)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(yīng)而成，藉由此反應(yīng)可使分子成長，并形成交聯(lián)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。若原料加入水作為發(fā)泡劑，異氰酸酯則與水反應(yīng)產(chǎn)生CO2并形成多孔隙之聚氨酯發(fā)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(zhì)或軟質(zhì)聚氨酯發(fā)泡體。

聚氨酯發(fā)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(fā)泡膨脹填滿模穴剩余的空間。在此過程中聚氨酯會因化學(xué)發(fā)泡反應(yīng)釋出二氧化碳氣體，聚氨酯的黏度也會因交聯(lián)反應(yīng)的進行而不斷升高。同時化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致的放熱效應(yīng)也會使模內(nèi)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(nèi)充滿聚氨酯泡沫或聚氨酯完全固化為止。

化學(xué)發(fā)泡成型制程的挑戰(zhàn)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(fā)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(xù)的發(fā)泡行為會產(chǎn)生大量廢料。藉由化學(xué)發(fā)泡成型模塊的仿真可以更準確地預(yù)測聚氨脂的充填行為與注入原料的優(yōu)化。

聚氨酯發(fā)泡制程示意圖

轉(zhuǎn)注成型是一種廣泛應(yīng)用于橡膠加工產(chǎn)業(yè)的制程，而發(fā)泡橡膠則常被用來生產(chǎn)汽車、電子、建筑等產(chǎn)品。但是當(dāng)橡膠加入發(fā)泡劑時，其制程會變得與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)注成型的有點不同。如下圖所示，一熱固性預(yù)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(qū)，以此釋放模穴中發(fā)泡過程產(chǎn)生的多余壓力來強化發(fā)泡產(chǎn)品的質(zhì)量。

轉(zhuǎn)注成型的化學(xué)發(fā)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(fā)泡熱固產(chǎn)品的制程，但預(yù)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(yù)填料的量會需要更好的控制。

壓縮成型的化學(xué)發(fā)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(xué)發(fā)泡成型模塊功能介紹

Moldex3D的化學(xué)發(fā)泡成型模塊 (CFM) 支持聚氨酯化學(xué)發(fā)泡產(chǎn)品的制程仿真，包含了射出型(沒壓縮區(qū))、轉(zhuǎn)注型與壓縮型。在設(shè)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(chǎn)條件。此外，Moldex3D化學(xué)發(fā)泡成型模塊提供智能化的精靈工具和前后處理器，能夠協(xié)助早期缺陷診斷和設(shè)計修改。

1. 模型建構(gòu) (Model Preparation)

建立新項目

要開始化學(xué)發(fā)泡成型(CFM)項目，在新建項目選單點選化學(xué)發(fā)泡成型應(yīng)用制程?；瘜W(xué)發(fā)泡成型分析的設(shè)置程序跟的標準射出成型相似（參考標準射出成型的章節(jié)），除了是在第三步需選擇化學(xué)發(fā)泡成型 (chemical foaming molding)。接下來在項目精靈的引導(dǎo)下，輸入項目信息、匯入預(yù)先準備好的化學(xué)發(fā)泡成型網(wǎng)格，并利用材料精靈選擇適合的材料模型，需注意在化學(xué)發(fā)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(shù)來利用精靈接口修改參數(shù)，如果有需要（詳情參見下面的章節(jié)）。在檢查目前組別數(shù)據(jù)的訊息顯示OK后，單擊完成(Finish)完成創(chuàng)立除非出現(xiàn)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(xué)發(fā)泡成型。

2. 材料 (Material Wizard)

由于化學(xué)發(fā)泡成型過程會涉及到交聯(lián)反應(yīng)動力與發(fā)泡反應(yīng)動力，在材料精靈第六步可選擇反應(yīng)動力的模型，并指定對應(yīng)的參數(shù)值。在材料精靈第七步可選擇發(fā)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(yīng)機制的人來使用(一般為料商或研發(fā)者)，Combined模型 /Modified combined模型則需使用逆向工程反推發(fā)泡機制。

3. 成型條件 (Process Wizard)

Moldex3D的化學(xué)發(fā)泡成型模塊(CFM)支持充填分析，使用者可以根據(jù)建議成型條件或設(shè)計規(guī)格設(shè)定成型參數(shù)。設(shè)定接口選擇CAE模式后，下一步以啟動流程精靈。

充填參數(shù)設(shè)定

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