Moldex3D模流分析之化学发泡成型模块概论与建构

化学发泡成型概论
化学发泡成型（Chemical Foaming Molding, CFM）是藉由化学反应产生气体而达成填满模穴的成型工艺，聚氨酯(polyurethane, PU)发泡成型为化学发泡成型中最常见的一种。聚氨酯发泡体根据其机械性质可区分为硬质及软质发泡体两大类，硬质发泡体为施加载重后会破坏而不能回复者，软质发泡体则为去除载重后会回复原形，并具可挠性与高弹性。聚氨酯发泡体可应用于汽车工业如仪表板、方向盘、座椅，冷冻工业如冰箱的隔热层、保温夹层，制鞋工业如鞋底，与医疗工业如病床床垫、手模等等。聚氨酯树脂为主要为由含有OH基团的聚酯或聚醚类等多元醇(Polyol)与异氰酸酯 (Isocyanate) 反应而成，藉由此反应可使分子成长，并形成交联的网状结构。若原料加入水作为发泡剂，异氰酸酯则与水反应产生CO2并形成多孔隙之聚氨酯发泡体。藉由原料成分或比例配方的改变，可制造出具有不同密度的硬质或软质聚氨酯发泡体。

聚氨酯发泡成型的基本制程为，将多元醇、异氰酸酯，与水等原料混合均匀后注入模穴。通常注入阶段不会完全填满，接着再藉由发泡膨胀填满模穴剩余的空间。在此过程中聚氨酯会因化学发泡反应释出二氧化碳气体，聚氨酯的黏度也会因交联反应的进行而不断升高。同时化学反应导致的放热效应也会使模内温度增高，进一步使二氧化碳在相对高温的状况下不断释入于聚氨酯中，直到模穴内充满聚氨酯泡沫或聚氨酯完全固化为止。

化学发泡成型制程的挑战是如何使用较少的原料充满模穴而不短射。如果注入的原料过少，同时若发泡量也不足或聚氨酯固化速率过快，就会造成短射。但如果注入的原料过多，虽然能充饱模穴但后续的发泡行为会产生大量废料。藉由化学发泡成型模块的仿真可以更准确地预测聚氨脂的充填行为与注入原料的优化。

 

聚氨酯发泡制程示意图

转注成型是一种广泛应用于橡胶加工产业的制程，而发泡橡胶则常被用来生产汽车、电子、建筑等产品。但是当橡胶加入发泡剂时，其制程会变得与传统转注成型的有点不同。如下图所示，一热固性预填料被放入料槽后，再由柱塞施加压力让橡胶流进加热的模穴中。柱塞之后则快速回抽让原来料槽变得像是溢流区，以此释放模穴中发泡过程产生的多余压力来强化发泡产品的质量。

 

转注成型的化学发泡制程可视化 
(Ref: Groover, M. P. Fundamentals of Modern Manufacturing: Materials, Processes, and Systems. John Wiley & Sons, Inc., (2010))

压缩成型也可以用作发泡热固产品的制程，但预填料不是由柱塞而是由加热后的可动式模座来挤压成型。于此将不会有回抽的程序，故预填料的量会需要更好的控制。

 

压缩成型的化学发泡制程可视化
(Ref: Groover, M. P. Fundamentals of Modern Manufacturing: Materials, Processes, and Systems. John Wiley & Sons, Inc., (2010))

 moldex3d化学发泡成型模块功能介绍
Moldex3D的化学发泡成型模块 (CFM) 支持聚氨酯化学发泡产品的制程仿真，包含了射出型(没压缩区)、转注型与压缩型。在设计与3D模拟方面，通过充填/熟化的分析，用户可以更容易评估决定适合的生产条件。此外，Moldex3D化学发泡成型模块提供智能化的精灵工具和前后处理器，能够协助早期缺陷诊断和设计修改。
1. 模型建构

建立新项目
要开始化学发泡成型(CFM)项目，在新建项目选单点选化学发泡成型应用制程。化学发泡成型分析的设置程序跟的标准射出成型相似（参考标准射出成型的章节），除了是在第三步需选择化学发泡成型 (chemical foaming molding)。接下来在项目精灵的引导下，输入项目信息、汇入预先准备好的化学发泡成型网格，并利用材料精灵选择适合的材料模型，需注意在化学发泡模块中目前只支持热固性材料的分析。然后，点选成型条件和计算参数来利用精灵接口修改参数，如果有需要（详情参见下面的章节）。在检查目前组别数据的讯息显示OK后，单击完成(Finish)完成创立除非出现任何明显的警告讯息。

第一步开启Moldex3D Studio，选择新增建立新项目，第二步按下确定。

 

第三步，选择化学发泡成型。

 

2. 材料

由于化学发泡成型过程会涉及到交联反应动力与发泡反应动力，在材料精灵第六步可选择反应动力的模型，并指定对应的参数值。在材料精灵第七步可选择发泡动力的模型，支持PU模型与修改Combined模型。

 注：PU模型一般是给知道原料组分与反应机制的人来使用(一般为料商或研发者)，Combined模型 /Modified combined模型则需使用逆向工程反推发泡机制。

3. 成型条件

Moldex3D的化学发泡成型模块(CFM)支持充填分析，使用者可以根据建议成型条件或设计规格设定成型参数。设定接口选择CAE模式后，下一步以启动流程精灵。

 

 充填参数设定
充填设定步骤与传统射出成型非常类似。可分别设定充填时间, 压力控制时间, 料温, 模温等成型条件。

 发泡参数设定
在发泡参数设定页应详细输入发泡设定的信息。射出控制由体积百分比 (%)： 表示熔胶与产生的气体混合的总浇注体积比例到整个模穴体积的指定比例时停止浇注。射出控制由射出体积 (cm3)：表示熔胶与产生的气体混合的总浇注体积到指定体积时停止浇注。射出控制由射出量 (g)：表示与熔胶的浇铸重量到指定重量时停止浇注。

 

在进阶设定中可控制发泡计算的结束时间：

•若选择发泡成型持续到冷却过程结束：将根据设定的冷却时间计算到冷却过程结束的时间。

•若选择自动决定发泡时间：会计算到产品完全固化为止。

•若选择发泡成型持续时间，并设定如60秒：以射出控制切换时间加发泡成型持续时间 (60秒) 做为发泡计算结束时间。

 旋转参数设定
Moldex3D的化学发泡成型模块(CFM)支持化学发泡旋转模具分析，其中，模具旋转发泡计算和动画输出支持模具旋转周期和角速度设置、通过重力和离心力来模拟模具旋转过程的流动行为、支持发泡动画输出，使用者可以透过模具旋转观察熔胶流动和发泡的均匀性。

设定一旋转原点(以点)及一旋转轴(以向量)来决定模腔旋转的3D方向。再来是设置旋转速度，先设定好最大角速度的值再点击角速度多段设定来定义旋转速度依时间的变化(类似流率与压力的多段设定只是有负值)。