塑料發泡成型的案例
塑料發泡成型技術介紹
塑料發泡成型技術介紹
關于低發泡塑料注射成型技術的幾個問題
低發泡塑料是指發泡率在5倍以下、密度為0.2～1.0g/cm3的塑料，有時也稱合成木材。在某些塑料中加入一定量的發泡劑，通過注射成型獲得內部低發泡、表面不發泡的塑料制件的工藝方法稱為低發泡注射成型。
低發泡注射成型方法主要有兩種，即所謂低壓法和高壓法。
低發泡注射成型的低壓法是什么？
低壓法又稱不完全注入法，其模具型腔壓力很低通常約為2～7MPa。低壓法的特點是將體積小于模腔容積的塑料熔體（模腔容積的75%～85%）注射入模腔后，在發泡劑的作用下使熔體膨脹后充滿型腔成型為塑件。
在普通注射機上安裝一個閥式自鎖噴嘴和液控自鎖噴嘴，便能進行低壓成型注射，也有專門生產的大型低壓發泡注射機。
低發泡注射成型的高壓法是什么？
高壓法又稱完全注入法，其模具壓力比低壓法要高，約為7～15MPa。高壓法的特點是用較高的注射壓力將含有發泡劑的熔料注滿容積小于塑件體積的閉合模腔，通過輔助開模動作，使模腔容積擴大到塑件所要求的形狀和尺寸。
低發泡注射成型溫度怎樣？
溫度包括料溫和模具溫度。注射的料溫對型腔內氣泡的形成和擴散具有重要的影響。提高溫度可以增大發泡成型時的氣體擴散系數，有利于在塑件內部形成較多和較均勻的氣泡，但是，溫度過高，充模過程中又會產生噴射現象，影響塑件的發泡成型質量，因此，在生產中要嚴格控制注射時料筒的溫度。
模具的溫度對塑件內氣泡的分布及其大小有影響，對塑件的表面質量也有影響。熔體等溫充填型腔時，塑件內的氣泡數量較多，分布較均勻，在非等溫條件下充填型腔時，低溫下產生的氣泡數量要比高溫時產生的氣泡少得多，因此，在低發泡注射成型時，除需選擇合適的模具溫度外，盡量采用等溫充模。
展開 物理發泡注塑成型
物理發泡注塑成型
微細物理發泡成型工藝
微細物理發泡成型工藝
微細發泡射出的輕量化塑料件
也經由科技的進步，高性能工程的漸進推出，慢慢在取代金屬件，例如：PEEK這種塑料，可耐高溫且尺寸穩定性不錯，可用于半導體業的晶圓盒，中原大學已有PEEK材料的微細發泡產品的開發。
現在全球的已開發及開發中國家都在推ESG，要求廠家要做好廢棄物回收，PEEK很難100%回收，但只要加入奈米材料(Clay)就可以100%回收，奈米黏土(Clay)對塑料有不少的功能（增強抗拉、抗菌、阻氣、成核劑）。塑膠發泡有不少好處，最主要的應用是在克服塑膠產品的尺寸穩定性，另外一個優點是可減震，這個應用在運動鞋或球鞋的中底和大底最適合，又可輕量化，但輕量化相對的強度也會降低，所以這也是產品設計者要去注意的地方。用一般發泡射出，減重比有極限，一般約20~30wt%，鞋材的減重比一般要達到40~50 wt%以上。
圖１：模仁后退技術概念
案例分享
大陸目前做塑膠發泡的團隊有二個，其中一個是山東大學王桂龍教授的團隊，主要做射出發泡模仁后退，高減重比的發泡研究（如圖2所示）。另外一種模仁后退方式是用馬達帶動齒輪方式把圓周運動轉為直線運動（如圖3所示）。另一個是中山大學翟文濤教授的團隊，二位教授都曾在加拿大塑膠發泡大師Chu Park教授那里擔任過博士后研究員，并在之后回國發展。他們主要的研究方向是車輛輪胎的塑膠發泡，希望整個腳踏車或摩托車輪胎是用塑膠發泡做成，且不希望有內胎。
圖2：山東團隊模仁后退的機構裝置
圖3：用馬達帶動齒輪讓黃色模仁后退裝置
10年前有業者來找我研究此課題，業者拿了德國Evonik的發泡樣品來，發現德國Evonik技術真是厲害，氣泡大小均一沒有凝固層且結構強，想要以此制作高級腳踏車的車胎。
展開 Moldex3D模流分析之化學發泡成型模塊分析
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
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。
展開 Moldex3D模流分析之轉注成型的化學發泡
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。
展開 物理發泡注塑成型常見缺陷解析
物理發泡注塑成型常見缺陷解析
Moldex3D模流分析之PU化學發泡成型
化學發泡成型(Chemical Foaming Molding, CFM)是一種藉由化學反應產生氣體而填滿模穴的成型工藝；聚氨酯(polyurethane, PU)發泡成型則為化學發泡成型中常見的一種。聚氨酯發泡體具可撓性與高彈性，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，以及醫療工業如病床床墊、手模等等。
聚氨酯發泡制程中的挑戰是短射現象。如果注入的原料過少，加上發泡量不足或固化速率過快，就會造成短射；但注入的原料過多，雖能充飽模穴，但后續的發泡行為就會產生大量廢料。
Moldex3D PU化學發泡模塊目前支持的聚氨酯發泡制程，透過CAE模擬考慮熔膠在模腔中的固化動力學 (Curing Kinetics)和發泡動力學(Foaming Kinetic)計算。透過聚氨酯發泡模擬分析，使用者能更準確地預測充填和發泡階段的動態行為，并且優化注塑條件與原料注入，改善產品設計。
在Moldex3D的發泡參數設定中，可以控制由熔膠與產生的氣體混合的總澆鑄之體積百分比、射出體積、射出量，決定射出的熔膠量。同時在進階設定中可控制發泡計算的結束時間，以及在分析結果中，使用者可選擇觀看特定的結果，例如：流動波前時間、密度、溫度、轉化率、發泡轉化率、氣泡尺寸大小、氣泡數目與密度，翹曲變形等。
此外有幾項重要因素也會影響發泡結果顯示的行為，包括重力、逃氣設定、不同水(發泡劑濃度)比率、是否使用發泡旋轉成型等。在重力作用下，低黏度PU發泡將會沿著模腔底部流動(圖一)；逃氣位置部分，逃氣間隙可排出空氣并使熔體流動暢通無阻，沒有排氣的區域則會產生壓縮空氣，提高熔膠流動阻力(圖二)；另外，水為主要的發泡劑，水的比率越高則發泡越快速，可縮短填充時間(圖三)。
展開 Moldex3D模流分析之化學發泡成型模塊概論與建構
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。
展開 Moldex3D模流分析之發泡射出成型后處理
后處理
如要檢視發泡射出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、體積收縮或總位移量等。
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。
1. 檢視充填／保壓的流動波前時間
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。
2. 檢視充填／保壓階段的屬性
Moldex3D發泡射出成型模塊的充填分析包含保壓分析；因此，保壓階段的結果能從對應保壓階段的時間段檢視，例如：充填末端（EOF）或0.6秒，然后選擇想要的屬性，如下圖所示。
3. 發泡射出成型特性：氣泡尺寸、氣泡密度
氣泡尺寸（氣泡直徑μm）與氣泡密度（氣泡數量密度1/cm3）的信息可在充填／保壓結束時檢視，如下圖所示，在Studio工作區中選擇組別（Run） > 分析結果（Result） > 充填分析（Filling） > 氣泡尺寸（Cell size）／氣泡密度（Cell density）。氣泡尺寸與氣泡密度皆為三維結果，點擊結果剖面功能（Slicing function）以顯示模型內部區域的結果。
用結果切片功能顯示塑件內部的氣泡尺寸與氣泡密度。
4.
展開 
塑料工業協會倡議抵制非法發泡劑，自覺保護臭氧層
臭氧“殺手”上世紀20年代，氟氯烴被發明后，曾被認為“作為發泡劑和制冷劑，是一個非常‘完美’的物質”。
??中科院大氣物理所研究員孫揚告訴記者，一般條件下，氯氟烴的化學性質很穩定，其中CFC-11易壓縮液化、蒸發潛熱大，同時毒性低、不易燃、成本低。廣泛用于聚氨酯泡沫塑料發泡劑、空調制冷劑、化妝品、殺蟲劑的氣霧劑、滅火劑等產品。當發泡劑在氣態時被截留在聚氨酯泡孔內，聚氨酯泡沫對冷熱的傳遞性最小。“使用CFC-11發泡的聚氨酯泡沫隔熱性能最優。”孫揚說。時隔數十年，科學家們發現臭氧層“空洞”和溫室效應現象愈發嚴峻，而原因就是來自人為活動中氯氟烴物質的排放和富集。
??由于人類排放出來的CFCs氣體非常穩定，在大氣對流層中幾乎不分解，擴散至平流層后，當其受到來自太陽的紫外輻射時，就會發生碳—氯鏈斷裂的光化學反應，產生的氯原子將作為催化劑，導致臭氧轉化成氧。“1個氯原子大約可以破壞10萬個臭氧分子，CFCs氣體的排放致使臭氧不斷消耗，從而使平流層失去吸收紫外線的能力。”孫揚說。臭氧層被破壞，意味著到達地表的太陽紫外線增強。這會嚴重傷害人的皮膚、眼睛，損壞人的免疫系統，還會對糧食生產和動植物造成危害。魏科也表示，CFCs在大氣中的生命期比較長。“它可以在平流層一直存在，只有通過平流層的各種環流最終到地面，才能從大氣中清除出去，而這個過程很緩慢。
??”讓違法者得不償失事件被披露后，中國塑料加工工業協會發出了《關于自覺抵制非法發泡劑的倡議》，鼓勵從業人員把打擊CFC-11當成自己的本職工作。
??李建波認為，依靠督察，治標不治本。“要真正解決問題，必須建立起誠信機制，落實企業的主體責任，讓違法者無利可圖，甚至得不償失，由過去被迫去抵制，轉變成企業的自覺行為。”
??在魏科看來，這是企業利益驅動行為。
展開 應用FLOW-3D模擬IFM發泡金屬 壓鑄成型
同一個催化劑放置位置，搭配不同的柱塞推動速度，其分布狀況也會不同
發泡金屬鑄件截面狀況
High Pressure Integral Foam moulding
Fig6. 制程說明
實驗模具尺寸及規格
Fig7. FLOW-3D 模擬充型
不同的鑄件厚度其催化劑的分布狀況
接續的研究主題
1. 催化劑的尺寸與形狀對于充型后催化劑的分布影響
2. 催化劑的數量對于發泡的影響
Moldex3D模流分析之發泡射出成型前處理與分析過程
發泡射出成型簡介 (FIM)
自1980年代早期由麻省理工學院（MIT）的Dr. Nam Suh與協力者發明發泡批次加工技術后，發泡技術便大量應用于發泡制程中。而發泡技術在往復螺桿式射出成型機臺的應用，則在1998年由Trexel與Engel創建。
關于此技術，有四項步驟：
(1)氣體溶解（Gas dissolution）－ 超臨界流體（Supercritical fluid, SCF）射入料管，在高壓下與熔膠形成單相熔體。
(2)成核（Nucleation）－ 當熔膠通過噴嘴射入模穴內時，因急速的壓力降而形成大量的成核點。
(3)氣泡成長（Cell growth）－ 氣泡成長與合并發生在成型階段時。
(4)成形（Shaping）－ 最終塑件會在模具內固化而成形。
下圖簡述了發泡技術的基礎概念。在整體塑件中，如何控制熱力學不穩定的狀態（透過溫度與壓力變化）以得到良好且均勻的微細氣泡是相當重要的議題。
注意：MuCell?是Trexel, Inc. 的注冊商標。
Moldex3D發泡射出成型模塊功能導覽
Moldex3D發泡射出成型模塊能協助產品設計師仿真微細發泡射出成型制程，同時，能模擬熔膠在射出過程中充填模穴時氣泡成核與成長的行為。該模塊提供了氣泡數量密度分布及氣泡尺寸分布等分析結果，透過模擬此項復雜的制程，使用者能更有效率得到最佳加工參數，并預防設計時間時的制程困難。
Moldex3D也提供抽芯（或稱可膨脹模具或機構式模具）的特殊發泡射出成型技術的模擬。抽芯技術與射出壓縮成型相反，在射出成型過程中，取代在壓縮之前部分充填模穴，抽芯技術在公模側被推回之前會100%充填模穴。
注意：Moldex3D發泡射出成型模塊支持Solid與eDesign網格模型。
1.
展開 想要學習低壓結構發泡注射成型（ME法），收藏這篇文章就夠了！
3、 可采用超高速注射，提高發泡倍率。
低壓結構發泡注塑工藝過程與普通注塑十分相似，由以下工作程序組成：
1、 塑化計量
含有發泡劑的成型材料從料斗落入塑化料筒中，由于螺桿的旋轉將物料塑化和熔融并輸送到料筒前端的計量室。發泡劑在溫度和剪切的雙重作用下開始分解并均勻分布到熔料中去。
由于自鎖噴嘴的封閉作用和背壓作用，使熔體壓力要高于發泡劑氣體的發泡壓力，從而阻止塑料熔體在料筒中提前發泡，只有注入模具型腔時才能發泡。
2、 注射充模
注射時，料筒計量室中的熔體以極短的時間注入模腔。由于注塑速度快、時間短，發泡劑還來不及放出氣體進行發泡，這時型腔未被熔體充滿。
3、型腔內發泡
在熔料注入模腔以后，在預塑料中均勻分布的氣體就要開始膨脹，熔料體積增大，直至模腔全部被充滿，與此同時模腔的熔料將受排出氣體的反壓作用。
4、定型冷卻
模具冷卻作用使熔體的熱量排出，于是塑料制品的表面與芯部形成較大的溫度梯度。在冷卻和芯部發泡氣體的壓力共同作用下，型腔表面形成致密的表皮層。
5、脫模頂出
當型腔的致密表層能承受芯部氣體的壓力，并能經受頂出時，即可脫模。脫模后的制品可進行水冷，這樣可節省冷卻時間，縮短成型周期。
結構發泡的工藝因素：
1、 注塑速度
為了獲得泡孔大小和泡孔分布均勻的結構發泡注塑制品，注射速度必須要快，這是為了保證在模腔內部全部發泡而不是在模腔以外處發泡。
如果注射速度慢會使氣泡流經噴嘴和澆口的時間變長，會產生大小不均的泡孔，而位于前沿的熔體由于氣體已經逸出，會失去發泡作用而影響制品的物理機械性能。
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