微細發泡射出的案例
微細發泡射出的輕量化塑料件
至于微細發泡射出應用于鞋底（一般是用TPU材料，世界知名廠商都采用德國巴斯夫公司的材料）的研究，中部某機械公司也有此能力，該公司開發鞋底專用的射出發泡專用機，去年也到過德國K-show參展獲得好評。
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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 從發泡射出探討塑膠材料輕量化之流動、發泡特性及結構強度之變化
■ 逢甲大學 / 彭信舒 副教授 & 黃柏維 博士
(轉載自繁體版ACMT電子技術月刊No.079)
前言
塑膠發泡成型方式可透過熱壓成型、擠出成型和射出成型等方法來進行塑膠發泡產品成型。其中，「塑膠發泡射出」是一種一次性成型方法，具備高生產效率以及穩定產品質量之優點且適用于形狀復雜、尺寸要求嚴格的發泡塑膠制品；除此之外，也是目前業界用以生產結構發泡產品的主要方法之一。在輕量化和環保目標意識的推動下，企業除了選擇替代材料或采用新技術實現輕量化目標外，還必須考慮材料對環境的不利影響。有鑒于物理發泡技術日趨成熟，通過調整工藝參數可以達到理想的效果，有機會取代化學發泡工藝。因此，「塑膠發泡射出成型」已成為備受關注的重要應用技術。
近年來，有許多關于具氣泡結構之塑膠發泡射出成型研究論文與技術報告出現，其目的是利用各種發泡方式，使溶入氣體之熔融塑膠在射出充填過程中，透過氣泡成長，使原料的用量或產品的重量達到原料減量與輕量化之產品設計，并且在產品頂出后能得到較佳之產品質量（包含：改善翹曲變形、改善收縮與凹陷……等缺陷），同時達到縮短成型周期、降低生產成本、提高生產率之目標。為了提高以及加速塑膠發泡射出成型技術產業化應用，氣泡大小、氣泡分布、氣泡密度等相關特性掌握，已成為業者在產品開發階段必須考量的重要因子。
展開 Moldex3D模流分析之Gas dissolution
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。
Moldex3D發泡射出成型模塊只支持Solid網格項目。其前處理階段的步驟與基本模塊的相似：
步驟1：建立新項目。
步驟2：產生網格模型。
步驟3：建立新組別。
步驟4：執行分析。
以下將列出特定步驟的操作說明。
網格產生之抽芯技術 (Core-back)
抽芯（Core-back）技術如下：
針對抽芯分析，使用者能透過Moldex3D Mesh建立幾何模型。相關步驟信息可參閱射出壓縮成型的操作說明。移動表面（Moving Surface）需在建立模型的網格時進行設定。若設定了移動表面，將顯示在項目中。
以下將列出特定步驟的操作說明：
1. 建立新項目
第一步開啟Moldex3D Studio，選擇新增建立新項目，第二步按下確定。
在第三步，選擇發泡射出成型（Foam Injection Molding）分析。
2. 建立新組別
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 Moldex3D模流分析之發泡射出成型技術研究鞋底輕量化的應用與實踐
大綱
現今鞋業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泡射出成型，可替代發泡劑減輕10%產品重量。
挑戰
研究澆口設計對熔膠流動和成型品質的影響
克服產品在傳統成型過程中可能產生的表面缺陷
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，滿足綠色循環經濟需求，同時也減輕產品重量及克服產品表面收縮的缺陷。而為了分析不同澆口設計和產品厚度不均勻對流動行為和發泡特性影響，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
產品重量減輕10%以達到產品輕量化
實現綠色循環經濟、產品輕量化和了解FIM制程
案例研究
在傳統制鞋產業中，鞋墊通常由塑膠和化學發泡劑倒入模具中制成，制造與材料成本較高。而隨著產品輕量化和綠色經濟的發展趨勢，藉由添加混合氣體的發泡射出成型（FIM）可同時減少產品的用料和重量。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成模座，以此為樣品建立了產品的3D模型和邊界層網格，并利用Moldex3D觀察產品的流動行為和發泡特性。
展開 Moldex3D模流分析之發泡射出成型研究鞋底輕量化應用與實踐
大綱
現今鞋業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泡射出成型，可替代發泡劑減輕10%產品重量。
挑戰
? 研究澆口設計對熔膠流動和成型品質的影響
? 克服產品在傳統成型過程中可能產生的表面缺陷
? 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，滿足綠色循環經濟需求，同時也減輕產品重量及克服產品表面收縮的缺陷。而為了分析不同澆口設計和產品厚度不均勻對流動行為和發泡特性影響，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
? 產品重量減輕10%以達到產品輕量化
? 實現綠色循環經濟、產品輕量化和了解FIM制程
案例研究
在傳統制鞋產業中，鞋墊通常由塑膠和化學發泡劑倒入模具中制成，制造與材料成本較高。而隨著產品輕量化和綠色經濟的發展趨勢，藉由添加混合氣體的發泡射出成型（FIM）可同時減少產品的用料和重量。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成模座，以此為樣品建立了產品的3D模型和邊界層網格，并利用Moldex3D觀察產品的流動行為和發泡特性。
圖1 鞋墊模座及產品
分析結果顯示不同澆口位置會導致澆口壓力、模穴壓力和氣泡大小的變化（如圖2和圖3所示），當塑膠從厚處區域注入時，由于產品厚度隨著流動方向減少，澆口壓力和模穴壓力會在充填結束時增加，因此模穴里的高壓將限制氣泡的生長。
展開 Mucell 微發泡，顛覆傳統塑料加工工藝
■ Trexel
關于微發泡射出制程技術
塑料微發泡射出制程(MuCell?) 是將超臨界流體(N2或CO2) 注入射出機料管中, 透過螺桿將超臨界流體與塑料混煉成均勻單相流體。超臨界流體與熔融態高分子之勻相混合物在射出過程中因為瞬間壓降造成熱力學不平衡，使得流體進入模穴后氣體得以從熔融態塑料當中擴散成核并長成均勻微細氣泡。含有微細氣泡的塑料經模具冷卻固化得到微細發泡成品。此一制程省去傳統制程的保壓階段而節省制程周期時間同時解決傳統射出產品不均勻收縮與翹曲變形等問題而大幅提升產品尺寸精度。另外，微發泡制程較一般射出制程有較短的生產周期，其產品因使用氣體作為發泡媒介而兼具制程環保、產品輕量化的優點且產品塑料可回收。
微發泡成型技術研發歷程
1993 年MIT 授權Trexel 公司進行商業化制程研發，1997 年發展出PS 微細押出發泡制程(MuCell)，Engel 于2000 年推出微細發泡射出成形機(MuCellMolding)，1998 年3 月Trexel 公司在臺灣提出申請射出制程專利，2000 年10 月Asahi chemical 宣稱開發完成Amotec 技術，1998 年臺灣ITRI/UCL 開始進行微細押出發泡制程之研發；1999~2000 年持續研發微細發泡押出及射出技術。
在過去20 年塑料加工工藝中的重大創新
用于熱塑性材料的MuCell? 微孔發泡，為注塑成型技術提供了傳統注塑前所未有的設計，增強了靈活性并大大降低成本。MuCell? 技術在設計塑件壁厚時，只需考慮發揮材料最大功能，而不用擔心注塑成型工藝問題。密度降低和功能化設計兩者結合，通常可以減少材料和制件重量20% 以上。
展開 Moldex3D模流分析之德國卡塞爾大學以模擬方法驗證發泡射出之局部抽芯技術
大綱
本項目主要探討發泡射出制程的抽芯技術。相較于標準抽芯制程，本案例的產品只在局部膨脹，因此氣泡的形成被限縮于特定區域。膨脹區和非膨脹區的產品結構形成，受到邊界條件和制程參數設定的影響，交互作用非常復雜。利用Moldex3D發泡射出成型模塊可以觀察到結構成型的過程，并據此調整制程參數，獲得理想的抽芯產品。
挑戰
材料、制程設定、幾何邊界條件等因素之間的復雜交互作用，都會影響到抽芯結果
無法觀察到發泡過程中的實際狀況
解決方案
透過Moldex3D模擬發泡射出成型的抽芯狀況，來預測模腔內的發泡行為，藉此調整適當的制程參數，以獲得理想的抽芯結果
效益
發泡射出成型的局部抽芯技術有更深入了解
可視化氣泡形成過程
成功以模擬技術進行定性實驗驗證
案例研究
卡塞爾大學利用Moldex3D能深入分析發泡射出產品結構形成的完整過程。Moldex3D支持抽芯制程邊界條件設定，能幫助預測在充填和保壓階段中，不同時間點的氣泡尺寸、氣泡密度和產品密度。軟件中的感應節點對于記錄膨脹和非膨脹區域中壓力和氣泡大小的關聯，也有很大的幫助。
氣泡最初于充填階段形成，但在體積膨脹引發的第二次發泡前，就受到保壓壓力影響而消失了。圖一為本案例中的氣泡尺寸預測，從中可看出當抽芯完成后，氣泡會膨脹得較大。而圖二的仿真則顯示，氣泡越大，氣泡密度越小。
圖一 充填和保壓階段(體積膨脹前)以及充填完畢后(體積膨脹后)的氣泡大小
圖二 充填和保壓階段(體積膨脹前)以及充填完畢后(體積膨脹后)的氣泡密度
圖三顯示產品密度的變化。膨脹區域的氣泡形成會使該區的產品密度大減，而非膨脹區域的產品密度則仍然與未發泡材料的密度相近。
展開 Moldex3D模流分析之京都大學利用Moldex3D成功驗證MuCell?抽芯制程
大綱
為了開發新穎的微細發泡抽芯制程，生產出更高質量且省料的產品，京都大學團隊改良傳統微細發泡射出成型制程(MuCell?)，調整了抽芯技術的部分，觀察該制程參數對氣泡形態及最終產品的影響。他們并借助Moldex3D模流分析技術進行實驗驗證，以Moldex3D MuCell?模擬發泡制程中難以預測的物理現象，并透過分析進行參數優化，提高產品質量。
研究目標
以模擬工具左證新制程的實驗結果
改善抽芯技術的實驗設計
解決方案
利用Moldex3D模擬MuCell?抽芯制程，從微觀角度了解其氣泡形態(包括氣泡大小及密度)及產品密度
效益
具備發泡行為預測能力
優化制程參數，提升生產質量
案例研究
為了生產比傳統發泡制程膨脹率高的產品，京都大學團隊設計了新穎的微細發泡制程。在新的制程中，當模穴充填完成后，經過一段延遲時間，會將后側的模壁拉開一部分，以提供空間讓產品發泡膨脹。經過這項調整，該抽芯制程將可產出更厚、密度更小的產品，達到省料目的。京都大學團隊首先進行新制程的實驗，并利用Moldex3D MuCell?模塊來驗證其實驗結果。
本案例研究目的為了解MuCell?抽芯距離、氣體濃度、延遲時間等制程參數對于氣泡形態(如氣泡大小及密度)的影響。因此京都大學學者利用Moldex3D微細發泡解決方案模擬抽芯技術(圖一)，并將模擬結果與實驗結果進行比較，以驗證模流分析軟件的準確性，以利未來實際應用。
圖一 本案例中所使用的幾何模型
根據Moldex3D MuCell?模塊的分析結果，學者可觀察到抽芯距離、氣體濃度及延遲時間等三項制程參數的影響。首先是抽芯距離的觀察：當抽芯距離越大時，產品的密度會越小(圖二)。
展開 Moldex3D模流分析之微觀力學接口模塊
第一行是此接口的位置，第二行說明讀取的數據數量，第一個數字是元素數量，第二個數字是最大元素編號，從第四行到最后一行列出六個纖維方向張量值，分別為a11, a22, a33, a12, a13 and a23。
殘余應力輸出 (Residual Stress for Solid Elements)
Digimat的殘余應力結果是支持s2d文件格式，檔案內容的儲存方式如下：
開頭含有$符號的部分為一般批注訊息，應力結果呈現方式如下：第一行是元素編號，接下來的六行是殘余應力的張量結果，分別為：σ11, σ22, σ33, σ12, σ23和σ31。
溫度輸出 (Temperature for Solid Elements)
Digimat的溫度結果是支持t2d文件格式，檔案內容的儲存方式如下：
開頭含有$符號的部分為一般批注訊息，溫度結果呈現方式如下：第一行是元素編號，下一行為溫度結果。
微細發泡氣泡密度輸出 (Porosity for Solid Elements)
支持Digimat來輸出微細發泡后的空隙率的文件格式為m2d，其信息將被儲存并寫成如下：
緊接著基本信息（那些以$開頭的)，提供的是微細發泡結果：氣泡密度及氣泡大小。第一行提供的是網格元素編號(EID)，每個元素各有一筆數據及不同的數據來表示不均勻的材料性質。第二行則是氣泡密度，表元素中單位體積(cm^2)里所含有的氣泡數量。最后一行則是氣泡大小，表元素中氣泡直徑(mm)的平均值(氣泡在此被定義為球形)。利用兩個發泡參數，Digimat會計算對應的體積分率下之空隙率 并被利用在 Digimat-CAE之后的計算。
在Digimat-MAP中，孔隙率可以DOF格式經由映像功能輸出，同樣被應用在Digimat-CAE之后的分析。
展開 
Moldex3D模流分析之發泡Foam Injection Molding
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。
發泡射出成型的必要步驟圖解
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。
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