化學發(fā)泡成型仿真的案例
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，并形成交聯的網狀結構。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(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，并形成交聯的網狀結構。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(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模流分析之化學發(fā)泡成型模塊分析
注：對于計算參數，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(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生，溫度愈高發(fā)泡轉化速率愈快。
展開 Moldex3D模流分析之PU化學發(fā)泡成型
圖一 有無使用重力作用之模流分析結果差異
圖二 不同逃氣間隙將影響流動行為
圖三 使用不同水濃度，影響氣體發(fā)泡反應速度
透過Moldex3D PU化學發(fā)泡模塊的3D聚氨酯化學發(fā)泡制程仿真，讓使用者可藉由充填/熟化的分析，更容易評估適合的生產條件。同時PU化學發(fā)泡成型模塊提供智能的精靈工具和后處理器，可以提早診斷潛在缺陷以進行設計修改，有效縮短上市時程。
Moldex3D模流分析之化學發(fā)泡 (CFM) (Chemical Foaming Molding(CFM) Module)
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，并形成交聯的網狀結構。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(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
物理發(fā)泡注塑成型
高性能螺桿針對化學發(fā)泡及長玻纖材料的加工解決方案
■ KraussMaffei / 劉濤 技術經理
前言
自1925 年開發(fā)出首臺手搖式射出機開始，克勞斯瑪菲(KraussMaffei) 一直致力于針對塑料材料的加工成型與技術開發(fā)；隨著塑料材料性能的提升以及結合諸多的創(chuàng)新技術，塑料的應用已經不局限于常規(guī)認知范圍內；包括將發(fā)泡成型技術結合長玻纖材料的應用，在減重的同時極大的提高了塑料產品的適用范圍，甚至突破了原本屬于其它材料范疇的應用場景。當然，材料性能的提高以及創(chuàng)新技術的應用需要射出系統(tǒng)最強大的核心作為支持；克勞斯瑪菲(KraussMaffei) 高性能螺桿HPS-AT 針對化學發(fā)泡技術及特殊的長玻纖材料應用，在保證化學發(fā)泡技術效果的同時，玻纖完成分散并使得玻纖長度得到最大限度的保留。
長玻纖增強聚丙烯材料結合發(fā)泡技術的應用
化學發(fā)泡技術結合長玻纖材料應用
將發(fā)泡技術引入到塑料注射成型過程中，早在上個世紀六七十年代便有類似嘗試；發(fā)展至今，從化學發(fā)泡劑到專用原材料的開發(fā)及應用，從失重計量與混合喂料系統(tǒng)，再到注射成型設備及開創(chuàng)性的加工技術；汽車行業(yè)正以更嚴苛的視角重新審視發(fā)泡技術的應用。這里化學發(fā)泡劑以母粒形式混合使用，主流化學發(fā)泡劑包含小蘇打(sodium bicarbonate) 與檸檬酸(citric acid) 等組份，商業(yè)產品以Clariant Hydrocerol? 系列為代表。考慮到此類發(fā)泡劑的正常工作溫度范圍，其多與聚烯烴類材料共同使用，如汽車行業(yè)中多為聚丙烯。化學發(fā)泡劑在塑化加工過程中分解出氣體，并通過背壓等工藝控制將產生出的氣體溶解到塑料熔體中并形成單相熔體，以備后續(xù)注射成型。在化學發(fā)泡的工藝控制過程中，是否能將有限的發(fā)泡劑(2%-4%) 釋放出的氣體與塑料熔體混合均勻并使之溶解其中將直接影響產品泡孔結構及發(fā)泡均勻性。
展開 塑料發(fā)泡成型技術介紹
塑料發(fā)泡成型技術介紹
微細物理發(fā)泡成型工藝
微細物理發(fā)泡成型工藝
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）以顯示模型內部區(qū)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 
關于低發(fā)泡塑料注射成型技術的幾個問題
不同的低發(fā)泡塑料對模具溫度有不同要求，聚烯烴低發(fā)泡注射的塑件表面質量與模溫關系不大，而聚苯乙烯和ABS等低發(fā)泡注射成型的塑件表面質量受模溫影響較大。一般情況下，聚烯烴低發(fā)泡注射成型模溫可在30～40℃內選擇，聚苯乙烯和ABS低發(fā)泡注射成型模溫可在30～65℃內選擇。
低發(fā)泡注射成型壓力怎樣？
注射壓力對氣泡的形成、大小、分布等均有影響。注射壓力不大時，塑料熔體在澆注系統(tǒng)中流動時就有可能發(fā)泡，充模后成型的塑件內氣泡直徑大且不均勻；在較大的注射壓力作用時，熔體在澆注系統(tǒng)內不大可能發(fā)泡，所以充模后成型的塑件內氣泡直徑較小而分布也較均勻；
如果注射壓力過大，有可能大幅度影響發(fā)泡氣體的擴散，并最終影響發(fā)泡率。注射速度與注射壓力相輔相成，在低發(fā)泡注射成型中，一般都要求使用較大的注射速度以防止塑料熔體在澆注系統(tǒng)提前發(fā)泡。
在低壓發(fā)泡注射成型中，熔體充滿型腔后也需要一定的保壓作用，熔體在保壓作用下將會不斷地發(fā)生癟泡現象。
低發(fā)泡注射成型注射時間和冷卻定型時間怎樣？
低發(fā)泡注射成型中的注射時間概念與普通注射成型中的注射時間概念相同，一般為10s～20s，小的塑件最短甚至可取≤3s。
低發(fā)泡注射成型的冷卻定型時間較長，這是因為塑件外層組織結構緊密，內部為疏松泡孔，熱傳導性很差。如果冷卻定型時間不足而過早脫模，雖然表面已固化，但發(fā)泡劑仍有可能繼續(xù)在內部發(fā)生作用，這將會導致塑料制件變形，尺寸超差，因此，正確地選擇和控制冷卻定型的時間，是保證低發(fā)泡注射成型塑件質量的重要因素之一。
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助產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(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網格模型。
1.
展開 想要學習低壓結構發(fā)泡注射成型（ME法），收藏這篇文章就夠了！
結構發(fā)泡注塑成型是比較新穎的注塑技術，已經發(fā)展了很多種結構發(fā)泡的注塑成型方法。如：單組分法，雙組分法；低壓法，中壓法，高壓法；還有以許多公司進行研究和試驗而命名的方法，如：BASF法、GE法等等。
結構發(fā)泡能制成壁厚在5mm以上或壁厚突變的制品，其制品是一種具有致密的連體發(fā)泡材料，其單位重量的強度和剛度比同種未發(fā)泡的材料高3~4倍，結構發(fā)泡制品不僅抗彎曲剛性高，可減少加強筋，消除壁厚產生的縮痕，而且制品的內部應力集中小，使用過程中不易產生大的變形，還具有機械加工性能好的特點。
這里著重介紹低壓結構發(fā)泡成型。
低壓結構發(fā)泡注塑又稱ME法，低壓結構發(fā)泡注塑方法通常采用化學發(fā)泡劑偶氮二甲酰胺或其它化學發(fā)泡劑。
結構發(fā)泡工藝的優(yōu)點：
1、 普通注射成型中固有的縮痕問題在結構發(fā)泡成型中不存在，因為結構發(fā)泡壓實了所有表面；
2、 壁厚截面給予整體結構更好的剛性；
3、 低的注塑壓力使操作者可以同時在一臺機器上使用多套模具，這就使運轉周期被幾個零件平分，降低了成型費用 。
4、 節(jié)省材料
結構發(fā)泡工藝的缺點：
1、 常情況下，結構發(fā)泡最小壁厚為5mm，這樣即使降低密度，成型零件的質量也較大；
2、 成型周期長達3~6min；
3、 對于外觀要求高的地方，漩紋和不一致的表面光潔度需要進行整容加工；
4、 采用結構發(fā)泡工藝的低壓注射很難充滿精密結構的細小區(qū)域。
低壓結構發(fā)泡注塑機的特點：
1、 模板面積大，合模力比普通機低；
2、 注射裝置裝有止逆閥，因此可以使計量和發(fā)泡率穩(wěn)定。
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