微發(fā)泡成型的案例
Mucell 微發(fā)泡，顛覆傳統(tǒng)塑料加工工藝
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新能源汽車用聚丙烯基微發(fā)泡材料應(yīng)該更關(guān)注熔體粘度還是熔體強(qiáng)度？
在擠出成型中，粘度直接影響擠出物的形狀穩(wěn)定性和產(chǎn)量。高粘度材料通常需要更大的驅(qū)動(dòng)功率，但可能獲得更好的熔體強(qiáng)度和形狀保持性。擠出的剪切速率范圍較寬，因此需要關(guān)注材料粘度的剪切稀化行為，以平衡生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。
熔體強(qiáng)度則在涉及拉伸變形的加工工藝中起著決定性作用。在吹塑成型中，型坯（parison）在自身重量下的下垂行為和吹脹過程中的均勻性直接取決于熔體強(qiáng)度。高熔體強(qiáng)度可以防止型坯過度拉伸和破裂，確保容器壁厚均勻。
圖 化學(xué)微發(fā)泡成型過程微觀示意
在發(fā)泡過程中，熔體強(qiáng)度決定了氣泡能否被穩(wěn)定地捕獲和擴(kuò)張而不破裂。如果熔體強(qiáng)度不足，氣泡會(huì)合并或塌陷，導(dǎo)致泡孔結(jié)構(gòu)不均甚至整個(gè)發(fā)泡過程的失敗。在熱成型中，熔體強(qiáng)度影響著片材在加熱下的抗下垂能力（sag resistance）以及在模具中的拉伸均勻性。高的熔體強(qiáng)度允許使用更深的拉伸比和更復(fù)雜的模具設(shè)計(jì)。
2.2 兩者協(xié)同
盡管熔體粘度和熔體強(qiáng)度表征不同的特性，但在實(shí)際加工中，它們常常共同作用，影響著最終的加工窗口和產(chǎn)品性能。例如，在擠出吹塑過程中，既需要適當(dāng)?shù)恼扯葋肀ＷC物料能順利通過機(jī)頭和口模（剪切流動(dòng)），又需要足夠的熔體強(qiáng)度來保證型坯的穩(wěn)定性（拉伸流動(dòng)）。選擇合適的樹脂牌號(hào)或通過改性調(diào)整兩者之間的平衡至關(guān)重要。有時(shí)需要面對(duì)權(quán)衡（trade-offs）。
例如，為了提高熔體強(qiáng)度而增加分子量或引入長(zhǎng)鏈分支，可能會(huì)同時(shí)提高粘度，使得加工所需的壓力和能耗增加。加工工藝參數(shù)對(duì)兩者也有顯著影響。溫度是一個(gè)典型的例子：升高溫度通常會(huì)降低熔體粘度（使其更容易流動(dòng)），但同時(shí)也可能會(huì)降低熔體強(qiáng)度（因?yàn)榉肿踊顒?dòng)能力增強(qiáng)，纏結(jié)作用減弱），使其抗拉伸能力下降。因此，尋找一個(gè)最佳的溫度窗口對(duì)于成功加工至關(guān)重要。其他如剪切歷史、冷卻速率等也會(huì)對(duì)兩者產(chǎn)生復(fù)雜的影響。
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在擠出成型中，粘度直接影響擠出物的形狀穩(wěn)定性和產(chǎn)量。高粘度材料通常需要更大的驅(qū)動(dòng)功率，但可能獲得更好的熔體強(qiáng)度和形狀保持性。擠出的剪切速率范圍較寬，因此需要關(guān)注材料粘度的剪切稀化行為，以平衡生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。
熔體強(qiáng)度則在涉及拉伸變形的加工工藝中起著決定性作用。在吹塑成型中，型坯（parison）在自身重量下的下垂行為和吹脹過程中的均勻性直接取決于熔體強(qiáng)度。高熔體強(qiáng)度可以防止型坯過度拉伸和破裂，確保容器壁厚均勻。
圖 化學(xué)微發(fā)泡成型過程微觀示意
在發(fā)泡過程中，熔體強(qiáng)度決定了氣泡能否被穩(wěn)定地捕獲和擴(kuò)張而不破裂。如果熔體強(qiáng)度不足，氣泡會(huì)合并或塌陷，導(dǎo)致泡孔結(jié)構(gòu)不均甚至整個(gè)發(fā)泡過程的失敗。在熱成型中，熔體強(qiáng)度影響著片材在加熱下的抗下垂能力（sag resistance）以及在模具中的拉伸均勻性。高的熔體強(qiáng)度允許使用更深的拉伸比和更復(fù)雜的模具設(shè)計(jì)。
2.2 兩者協(xié)同
盡管熔體粘度和熔體強(qiáng)度表征不同的特性，但在實(shí)際加工中，它們常常共同作用，影響著最終的加工窗口和產(chǎn)品性能。例如，在擠出吹塑過程中，既需要適當(dāng)?shù)恼扯葋肀ＷC物料能順利通過機(jī)頭和口模（剪切流動(dòng)），又需要足夠的熔體強(qiáng)度來保證型坯的穩(wěn)定性（拉伸流動(dòng)）。選擇合適的樹脂牌號(hào)或通過改性調(diào)整兩者之間的平衡至關(guān)重要。有時(shí)需要面對(duì)權(quán)衡（trade-offs）。
例如，為了提高熔體強(qiáng)度而增加分子量或引入長(zhǎng)鏈分支，可能會(huì)同時(shí)提高粘度，使得加工所需的壓力和能耗增加。加工工藝參數(shù)對(duì)兩者也有顯著影響。溫度是一個(gè)典型的例子：升高溫度通常會(huì)降低熔體粘度（使其更容易流動(dòng)），但同時(shí)也可能會(huì)降低熔體強(qiáng)度（因?yàn)榉肿踊顒?dòng)能力增強(qiáng)，纏結(jié)作用減弱），使其抗拉伸能力下降。因此，尋找一個(gè)最佳的溫度窗口對(duì)于成功加工至關(guān)重要。其他如剪切歷史、冷卻速率等也會(huì)對(duì)兩者產(chǎn)生復(fù)雜的影響。
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Moldex3D模流分析之轉(zhuǎn)注成型的化學(xué)發(fā)泡
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(dá)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(jī)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(huì)破壞而不能回復(fù)者，軟質(zhì)發(fā)泡體則為去除載重后會(huì)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(tuán)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(zhǎng)，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(huì)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(huì)因化學(xué)發(fā)泡反應(yīng)釋出二氧化碳?xì)怏w，聚氨酯的黏度也會(huì)因交聯(lián)反應(yīng)的進(jìn)行而不斷升高。同時(shí)化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致的放熱效應(yīng)也會(huì)使模內(nèi)溫度增高，進(jìn)一步使二氧化碳在相對(duì)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(shí)若發(fā)泡量也不足或聚氨酯固化速率過快，就會(huì)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(huì)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(zhǔn)確地預(yù)測(cè)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(xué)發(fā)泡成型模塊分析
注：對(duì)于計(jì)算參數(shù)，充填設(shè)定步驟與傳統(tǒng)射出成型相同。
5. 后處理
如要檢視化學(xué)發(fā)泡成型模塊的分析結(jié)果，在窗口中展示流域分布圖標(biāo)。基本步驟如下：
步驟1：從Studio工作區(qū)中選擇適合的項(xiàng)目：
•選擇想要的組別。
•在分析結(jié)果（Result）中選擇想要的結(jié)果。
•選擇特定的結(jié)果，例如：流動(dòng)波前時(shí)間、密度、溫度、轉(zhuǎn)化率、發(fā)泡轉(zhuǎn)化率等。
步驟2：如下圖所示，從顯示工具欄中選擇圖標(biāo)，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(shí)的流動(dòng)波前時(shí)間
在后處理的階段，提供充填保壓與冷卻階段時(shí)的屬性。例如：為顯示組別1的流動(dòng)波前時(shí)間結(jié)果，在Studio樹狀目錄中選擇組別（Run）> 分析結(jié)果（Result）> 充填分析（Filling）> 流動(dòng)波前時(shí)間（Melt-front time）。不同充填百分比的結(jié)果顯示如下。
檢視充填階段時(shí)的多段結(jié)果
由于Moldex3D化學(xué)發(fā)泡成型模塊的充填分析到發(fā)泡結(jié)束時(shí)間；因此充填階段的結(jié)果可藉由選擇不同的多段時(shí)間點(diǎn)而得，如下圖所示。
化學(xué)發(fā)泡成型常見結(jié)果項(xiàng)
密度：由于發(fā)泡反應(yīng)進(jìn)行會(huì)放出大量氣體，因此隨著充填過程時(shí)間增加，密度會(huì)愈來愈輕。
溫度：由于發(fā)泡反應(yīng)進(jìn)行會(huì)大量放熱，因此隨著充填過程時(shí)間增加，溫度會(huì)增加，但若內(nèi)部溫度高于模溫則溫度會(huì)從模壁進(jìn)行散熱，如下圖切剖面結(jié)果。
轉(zhuǎn)化率：轉(zhuǎn)化率代表化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)的程度，轉(zhuǎn)化率愈高代表產(chǎn)品愈接近固化，溫度愈高轉(zhuǎn)化速率愈快。
發(fā)泡轉(zhuǎn)化率：發(fā)泡轉(zhuǎn)化率代表化學(xué)發(fā)泡反應(yīng)的程度，發(fā)泡轉(zhuǎn)化率愈高代表愈多氣體產(chǎn)生，溫度愈高發(fā)泡轉(zhuǎn)化速率愈快。
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(xué)發(fā)泡成型
化學(xué)發(fā)泡成型(Chemical Foaming Molding, CFM)是一種藉由化學(xué)反應(yīng)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(xué)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(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，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(huì)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(huì)產(chǎn)生大量廢料。
Moldex3D PU化學(xué)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(dòng)力學(xué) (Curing Kinetics)和發(fā)泡動(dòng)力學(xué)(Foaming Kinetic)計(jì)算。透過聚氨酯發(fā)泡模擬分析，使用者能更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)充填和發(fā)泡階段的動(dòng)態(tài)行為，并且優(yōu)化注塑條件與原料注入，改善產(chǎn)品設(shè)計(jì)。
在Moldex3D的發(fā)泡參數(shù)設(shè)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(shí)在進(jìn)階設(shè)定中可控制發(fā)泡計(jì)算的結(jié)束時(shí)間，以及在分析結(jié)果中，使用者可選擇觀看特定的結(jié)果，例如：流動(dòng)波前時(shí)間、密度、溫度、轉(zhuǎn)化率、發(fā)泡轉(zhuǎn)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(xiàng)重要因素也會(huì)影響發(fā)泡結(jié)果顯示的行為，包括重力、逃氣設(shè)定、不同水(發(fā)泡劑濃度)比率、是否使用發(fā)泡旋轉(zhuǎn)成型等。在重力作用下，低黏度PU發(fā)泡將會(huì)沿著模腔底部流動(dòng)(圖一)；逃氣位置部分，逃氣間隙可排出空氣并使熔體流動(dòng)暢通無阻，沒有排氣的區(qū)域則會(huì)產(chǎn)生壓縮空氣，提高熔膠流動(dòng)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(shí)間(圖三)。
展開 
Moldex3D模流分析之化學(xué)發(fā)泡成型模塊概論與建構(gòu)
模型建構(gòu)
建立新項(xiàng)目
要開始化學(xué)發(fā)泡成型(CFM)項(xiàng)目，在新建項(xiàng)目選單點(diǎn)選化學(xué)發(fā)泡成型應(yīng)用制程。化學(xué)發(fā)泡成型分析的設(shè)置程序跟的標(biāo)準(zhǔn)射出成型相似（參考標(biāo)準(zhǔn)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(xiàng)目精靈的引導(dǎo)下，輸入項(xiàng)目信息、匯入預(yù)先準(zhǔn)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(diǎn)選成型條件和計(jì)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(xiàng)目，第二步按下確定。
第三步，選擇化學(xué)發(fā)泡成型。
2. 材料
由于化學(xué)發(fā)泡成型過程會(huì)涉及到交聯(lián)反應(yīng)動(dòng)力與發(fā)泡反應(yīng)動(dòng)力，在材料精靈第六步可選擇反應(yīng)動(dòng)力的模型，并指定對(duì)應(yīng)的參數(shù)值。在材料精靈第七步可選擇發(fā)泡動(dòng)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(jī)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(jī)制。
3. 成型條件
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(jì)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(dòng)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(shí)間, 壓力控制時(shí)間, 料溫, 模溫等成型條件。
發(fā)泡參數(shù)設(shè)定
在發(fā)泡參數(shù)設(shè)定頁應(yīng)詳細(xì)輸入發(fā)泡設(shè)定的信息。
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(jié)果，在窗口中展示流域分布圖標(biāo)。基本步驟如下：
步驟1：從Studio工作區(qū)中選擇適合的項(xiàng)目：
•選擇想要的組別。
•在分析結(jié)果（Result）中選擇想要的結(jié)果。
•選擇特定的結(jié)果，例如：流動(dòng)波前時(shí)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(biāo)，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(dòng)波前時(shí)間
在后處理的階段，提供充填／保壓與冷卻階段時(shí)的屬性。例如：為顯示組別1的流動(dòng)波前時(shí)間結(jié)果，在Studio樹狀目錄中選擇組別（Run） > 分析結(jié)果（Result） > 充填分析（Filling） > 流動(dòng)波前時(shí)間（Melt-front time）。不同充填百分比的結(jié)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(jié)果能從對(duì)應(yīng)保壓階段的時(shí)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(jié)束時(shí)檢視，如下圖所示，在Studio工作區(qū)中選擇組別（Run） > 分析結(jié)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(jié)果，點(diǎn)擊結(jié)果剖面功能（Slicing function）以顯示模型內(nèi)部區(qū)域的結(jié)果。
用結(jié)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 關(guān)于低發(fā)泡塑料注射成型技術(shù)的幾個(gè)問題
不同的低發(fā)泡塑料對(duì)模具溫度有不同要求，聚烯烴低發(fā)泡注射的塑件表面質(zhì)量與模溫關(guān)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(zhì)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(nèi)選擇，聚苯乙烯和ABS低發(fā)泡注射成型模溫可在30～65℃內(nèi)選擇。
低發(fā)泡注射成型壓力怎樣？
注射壓力對(duì)氣泡的形成、大小、分布等均有影響。注射壓力不大時(shí)，塑料熔體在澆注系統(tǒng)中流動(dòng)時(shí)就有可能發(fā)泡，充模后成型的塑件內(nèi)氣泡直徑大且不均勻；在較大的注射壓力作用時(shí)，熔體在澆注系統(tǒng)內(nèi)不大可能發(fā)泡，所以充模后成型的塑件內(nèi)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(kuò)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(huì)不斷地發(fā)生癟泡現(xiàn)象。
低發(fā)泡注射成型注射時(shí)間和冷卻定型時(shí)間怎樣？
低發(fā)泡注射成型中的注射時(shí)間概念與普通注射成型中的注射時(shí)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(shí)間較長(zhǎng)，這是因?yàn)樗芗鈱咏M織結(jié)構(gòu)緊密，內(nèi)部為疏松泡孔，熱傳導(dǎo)性很差。如果冷卻定型時(shí)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(nèi)部發(fā)生作用，這將會(huì)導(dǎo)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(shí)間，是保證低發(fā)泡注射成型塑件質(zhì)量的重要因素之一。
展開 應(yīng)用FLOW-3D模擬IFM發(fā)泡金屬 壓鑄成型
同一個(gè)催化劑放置位置，搭配不同的柱塞推動(dòng)速度，其分布狀況也會(huì)不同
發(fā)泡金屬鑄件截面狀況
High Pressure Integral Foam moulding
Fig6. 制程說明
實(shí)驗(yàn)?zāi)＞叱叽缂耙?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(duì)于充型后催化劑的分布影響
2. 催化劑的數(shù)量對(duì)于發(fā)泡的影響
