Moldex3D模流分析之发泡参数设定

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。

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：会计算到固化程度平均值大于凝胶点固化程度（αg）。

•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)。

4. 开始分析 (Run Analysis)

上述设定完成后即可进行分析。返回Moldex3D Studio，点击射出分析2–F W进行充填与翘曲的分析并选择开始分析 (Run now)。将会出现工作监控器，显示实时的计算状态。

注：对于计算参数，充填设定步骤与传统射出成型相同。

5. 后处理 (Post-processing)

如要检视化学发泡成型模块的分析结果，在窗口中展示流域分布图标。基本步骤如下：

步骤1：从Studio工作区中选择适合的项目：

•选择想要的组别。

•在分析结果（Result）中选择想要的结果。

•选择特定的结果，例如：流动波前时间、密度、温度、转化率、发泡转化率等。

步骤2：如下图所示，从显示工具栏中选择图标，在窗口中指定想要的模型特征与组件。下列为范例。

检视充填阶段时的流动波前时间

在后处理的阶段，提供充填保压与冷却阶段时的属性。例如：为显示组别1的流动波前时间结果，在Studio树状目录中选择组别（Run）>分析结果（Result）>充填分析（Filling）>流动波前时间（Melt-front time）。不同充填百分比的结果显示如下。

检视充填阶段时的多段结果

由于Moldex3D化学发泡成型模块的充填分析到发泡结束时间；因此充填阶段的结果可藉由选择不同的多段时间点而得，如下图所示。

化学发泡成型常见结果项

密度：由于发泡反应进行会放出大量气体，因此随着充填过程时间增加，密度会愈来愈轻。

温度：由于发泡反应进行会大量放热，因此随着充填过程时间增加，温度会增加，但若内部温度高于模温则温度会从模壁进行散热，如下图切剖面结果。

转化率：转化率代表化学交联反应的程度，转化率愈高代表产品愈接近固化，温度愈高转化速率愈快。

发泡转化率：发泡转化率代表化学发泡反应的程度，发泡转化率愈高代表愈多气体产生，温度愈高发泡转化速率愈快。