塑料發(fā)泡成型技術的案例
塑料發(fā)泡成型技術介紹
塑料發(fā)泡成型技術介紹
關于低發(fā)泡塑料注射成型技術的幾個問題
低發(fā)泡塑料是指發(fā)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(fā)泡劑，通過注射成型獲得內(nèi)部低發(fā)泡、表面不發(fā)泡的塑料制件的工藝方法稱為低發(fā)泡注射成型。
低發(fā)泡注射成型方法主要有兩種，即所謂低壓法和高壓法。
低發(fā)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(fā)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(chǎn)的大型低壓發(fā)泡注射機。
低發(fā)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(fā)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(fā)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(nèi)氣泡的形成和擴散具有重要的影響。提高溫度可以增大發(fā)泡成型時的氣體擴散系數(shù)，有利于在塑件內(nèi)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(chǎn)生噴射現(xiàn)象，影響塑件的發(fā)泡成型質量，因此，在生產(chǎn)中要嚴格控制注射時料筒的溫度。
模具的溫度對塑件內(nèi)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(nèi)的氣泡數(shù)量較多，分布較均勻，在非等溫條件下充填型腔時，低溫下產(chǎn)生的氣泡數(shù)量要比高溫時產(chǎn)生的氣泡少得多，因此，在低發(fā)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 Moldex3D模流分析之發(fā)泡射出成型技術研究鞋底輕量化的應用與實踐
大綱
現(xiàn)今鞋業(yè)市場之趨勢走向結構輕量化，逢甲大學研究團隊透過Moldex3D的發(fā)泡模組（FIM），來探討含氣泡之可回收成型材料（SEBS彈性體）在充填過程中澆口配置的影響及成型壓力的變化。通過模擬和實驗的整合，不但驗證了澆口位置與和厚度變化對泡沫結構和分布的影響，最終結果也顯示采用發(fā)泡射出成型，可替代發(fā)泡劑減輕10%產(chǎn)品重量。
挑戰(zhàn)
研究澆口設計對熔膠流動和成型品質的影響
克服產(chǎn)品在傳統(tǒng)成型過程中可能產(chǎn)生的表面缺陷
預測氣泡結構的成長并減少材料的使用量
解決方案
針對本案例之鞋墊產(chǎn)品，以SEBS彈性體做為材料不但可回收及再利用，滿足綠色循環(huán)經(jīng)濟需求，同時也減輕產(chǎn)品重量及克服產(chǎn)品表面收縮的缺陷。而為了分析不同澆口設計和產(chǎn)品厚度不均勻對流動行為和發(fā)泡特性影響，因此采用Moldex3D進行實驗和模擬。
效益
模擬與實驗結果高度吻合，達成虛實整合
產(chǎn)品重量減輕10%以達到產(chǎn)品輕量化
實現(xiàn)綠色循環(huán)經(jīng)濟、產(chǎn)品輕量化和了解FIM制程
案例研究
在傳統(tǒng)制鞋產(chǎn)業(yè)中，鞋墊通常由塑膠和化學發(fā)泡劑倒入模具中制成，制造與材料成本較高。而隨著產(chǎn)品輕量化和綠色經(jīng)濟的發(fā)展趨勢，藉由添加混合氣體的發(fā)泡射出成型（FIM）可同時減少產(chǎn)品的用料和重量。逢甲研究團隊利用SEBS彈性體進行研究，目的是找出適合的澆口位置及優(yōu)化氣泡分布，并驗證模擬和實驗結果。圖 1 為一具有六澆口的現(xiàn)成模座，以此為樣品建立了產(chǎn)品的3D模型和邊界層網(wǎng)格，并利用Moldex3D觀察產(chǎn)品的流動行為和發(fā)泡特性。
展開 物理發(fā)泡注塑成型
物理發(fā)泡注塑成型
微細物理發(fā)泡成型工藝
微細物理發(fā)泡成型工藝
微細發(fā)泡射出的輕量化塑料件
■ 健行科技大學 / 黃世欣 教授
(轉載自繁體版ACMT電子技術月刊No.079)
前言
產(chǎn)品輕薄短小是科技進步下，消費者的普遍需求，想當初1990年代，Motorola推出第一臺行動電話，一臺好像是磚塊那么大又重，如今手機已經(jīng)是手掌那么大了。也經(jīng)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(wěn)定性不錯，可用于半導體業(yè)的晶圓盒，中原大學已有PEEK材料的微細發(fā)泡產(chǎn)品的開發(fā)。
現(xiàn)在全球的已開發(fā)及開發(fā)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(fā)泡有不少好處，最主要的應用是在克服塑膠產(chǎn)品的尺寸穩(wěn)定性，另外一個優(yōu)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(chǎn)品設計者要去注意的地方。用一般發(fā)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(fā)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(fā)泡模仁后退，高減重比的發(fā)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(fā)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(fā)展。他們主要的研究方向是車輛輪胎的塑膠發(fā)泡，希望整個腳踏車或摩托車輪胎是用塑膠發(fā)泡做成，且不希望有內(nèi)胎。
展開 Moldex3D模流分析之轉注成型的化學發(fā)泡
化學發(fā)泡成型概論
化學發(fā)泡成型（Chemical Foaming Molding, CFM）是藉由化學反應產(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)其機械性質可區(qū)分為硬質及軟質發(fā)泡體兩大類，硬質發(fā)泡體為施加載重后會破壞而不能回復者，軟質發(fā)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(fā)泡體可應用于汽車工業(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) 反應而成，藉由此反應可使分子成長，并形成交聯(lián)的網(wǎng)狀結構。若原料加入水作為發(fā)泡劑，異氰酸酯則與水反應產(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或軟質聚氨酯發(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發(fā)泡反應釋出二氧化碳氣體，聚氨酯的黏度也會因交聯(lián)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(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。藉由化學發(fā)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(yōu)化。
展開 物理發(fā)泡注塑成型常見缺陷解析
物理發(fā)泡注塑成型常見缺陷解析
Moldex3D模流分析之PU化學發(fā)泡成型
化學發(fā)泡成型(Chemical Foaming Molding, CFM)是一種藉由化學反應產(chǎn)生氣體而填滿模穴的成型工藝；聚氨酯(polyurethane, PU)發(fā)泡成型則為化學發(fā)泡成型中常見的一種。聚氨酯發(fā)泡體具可撓性與高彈性，可應用于汽車工業(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，以及醫(yī)療工業(yè)如病床床墊、手模等等。
聚氨酯發(fā)泡制程中的挑戰(zhàn)是短射現(xiàn)象。如果注入的原料過少，加上發(fā)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(xù)的發(fā)泡行為就會產(chǎn)生大量廢料。
Moldex3D PU化學發(fā)泡模塊目前支持的聚氨酯發(fā)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(fā)泡動力學(Foaming Kinetic)計算。透過聚氨酯發(fā)泡模擬分析，使用者能更準確地預測充填和發(fā)泡階段的動態(tài)行為，并且優(yōu)化注塑條件與原料注入，改善產(chǎn)品設計。
在Moldex3D的發(fā)泡參數(shù)設定中，可以控制由熔膠與產(chǎn)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(fā)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(fā)泡轉化率、氣泡尺寸大小、氣泡數(shù)目與密度，翹曲變形等。
此外有幾項重要因素也會影響發(fā)泡結果顯示的行為，包括重力、逃氣設定、不同水(發(fā)泡劑濃度)比率、是否使用發(fā)泡旋轉成型等。在重力作用下，低黏度PU發(fā)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(qū)域則會產(chǎn)生壓縮空氣，提高熔膠流動阻力(圖二)；另外，水為主要的發(fā)泡劑，水的比率越高則發(fā)泡越快速，可縮短填充時間(圖三)。
展開 Moldex3D模流分析之化學發(fā)泡成型模塊分析
注：對于計算參數(shù)，充填設定步驟與傳統(tǒng)射出成型相同。
5. 后處理
如要檢視化學發(fā)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(qū)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(fā)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(fā)泡成型模塊的充填分析到發(fā)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(fā)泡成型常見結果項
密度：由于發(fā)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(fā)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(nèi)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(lián)反應的程度，轉化率愈高代表產(chǎn)品愈接近固化，溫度愈高轉化速率愈快。
發(fā)泡轉化率：發(fā)泡轉化率代表化學發(fā)泡反應的程度，發(fā)泡轉化率愈高代表愈多氣體產(chǎn)生，溫度愈高發(fā)泡轉化速率愈快。
展開 塑料工業(yè)協(xié)會倡議抵制非法發(fā)泡劑，自覺保護臭氧層
存在但并非主流聚氨酯泡沫，尤其是聚氨酯硬泡復合材料，因保溫效果好、防潮防腐、成本低等特點，近年來需求旺盛。目前，中國已成為全球聚氨酯硬泡最大的生產(chǎn)國和消費國。CFC-11是生產(chǎn)聚氨酯硬泡原料時所添加的發(fā)泡劑。記者線上線下聯(lián)系到多家發(fā)泡劑、材料供應商或生產(chǎn)商，他們承認，銷售含氟發(fā)泡劑，“價格便宜一些”。多位受訪人士坦承，此次發(fā)現(xiàn)的違法行為“可能會造成我國在國際履約方面的被動局面”。
??記者了解到，中國于1991年6月正式加入《關于消耗臭氧層物質的蒙特利爾議定書（倫敦修正案）》。據(jù)此，中國聚氨酯泡沫行業(yè)已于2010年全部淘汰了CFCs物質。“在行業(yè)內(nèi)，不允許用CFC-11早已成定論。”
??中國聚氨酯工業(yè)協(xié)會副秘書長李建波告訴記者，國家對每種CFCs物質，提供了多種替代產(chǎn)品和技術方案，“中國處在淘汰CFC-11替代品HCFC-141b（一氟二氯乙烷）的第二階段，后者對臭氧層破壞的程度是前者的十分之一”。2007年5月，原國家環(huán)保部發(fā)布《消耗臭氧層物質替代品推薦目錄（修訂）》，CFC-11共有10余種替代品，分別用作制冷劑和發(fā)泡劑應用于家電、保溫管材、煙草加工等不同產(chǎn)品。
??在中科院大氣物理所副研究員魏科看來，計劃執(zhí)行10多年來，替代技術更新迭代很快，在制冷劑方面比較成熟，例如空調和冰箱等家電都是無氟產(chǎn)品。但在發(fā)泡劑方面，替代方案有一定的過渡性，“部分替代品雖然臭氧消耗值（ODP）為0，但溫室效應值（GWP）很高，全球正逐漸凍結和減少”。
??“過渡階段存在困難。”中國塑料加工工業(yè)協(xié)會副秘書長孟慶君坦承，碳氫技術存在安全風險，批準困難；水技術性能不佳、成本較高；還有一些技術因存在溫室效應，已被列入管控目標不被鼓勵使用。此外，聚氨酯泡沫生產(chǎn)企業(yè)以中小企業(yè)為主，競爭激烈，技術、資金和管理能力不足，“但困難不能作為少數(shù)企業(yè)使用CFC-11的借口”。
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Moldex3D模流分析之化學發(fā)泡成型模塊概論與建構
化學發(fā)泡成型概論
化學發(fā)泡成型（Chemical Foaming Molding, CFM）是藉由化學反應產(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)其機械性質可區(qū)分為硬質及軟質發(fā)泡體兩大類，硬質發(fā)泡體為施加載重后會破壞而不能回復者，軟質發(fā)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(fā)泡體可應用于汽車工業(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) 反應而成，藉由此反應可使分子成長，并形成交聯(lián)的網(wǎng)狀結構。若原料加入水作為發(fā)泡劑，異氰酸酯則與水反應產(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或軟質聚氨酯發(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發(fā)泡反應釋出二氧化碳氣體，聚氨酯的黏度也會因交聯(lián)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(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。藉由化學發(fā)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(yōu)化。
展開 Moldex3D模流分析之發(fā)泡射出成型后處理
后處理
如要檢視發(fā)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(qū)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(fā)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(fā)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(shù)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(qū)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(nèi)部區(qū)域的結果。
用結果切片功能顯示塑件內(nèi)部的氣泡尺寸與氣泡密度。
4.
展開 應用FLOW-3D模擬IFM發(fā)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(fā)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(guī)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(xù)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(shù)量對于發(fā)泡的影響
Moldex3D模流分析之發(fā)泡射出成型前處理與分析過程
發(fā)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(xié)力者發(fā)明發(fā)泡批次加工技術后，發(fā)泡技術便大量應用于發(fā)泡制程中。而發(fā)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(chuàng)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(nèi)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(fā)生在成型階段時。
(4)成形（Shaping）－ 最終塑件會在模具內(nèi)固化而成形。
下圖簡述了發(fā)泡技術的基礎概念。在整體塑件中，如何控制熱力學不穩(wěn)定的狀態(tài)（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(fā)泡射出成型模塊功能導覽
Moldex3D發(fā)泡射出成型模塊能協(xié)助產(chǎn)品設計師仿真微細發(fā)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(shù)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(shù)，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(fā)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(fā)泡射出成型模塊支持Solid與eDesign網(wǎng)格模型。
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