Moldex3D模流分析之观察产品的流动行为和发泡特性

大纲

现今鞋业市场之趋势走向结构轻量化，逢甲大学研究团队透过Moldex3D的发泡模组（FIM），来探讨含气泡之可回收成型材料（SEBS弹性体）在充填过程中浇口配置的影响及成型压力的变化。通过模拟和实验的整合，不但验证了浇口位置与和厚度变化对泡沫结构和分布的影响，最终结果也显示采用发泡射出成型，可替代发泡剂减轻10%产品重量。

挑战

· 研究浇口设计对熔胶流动和成型品质的影响

· 克服产品在传统成型过程中可能产生的表面缺陷

· 预测气泡结构的成长并减少材料的使用量

解决方案

针对本案例之鞋垫产品，以SEBS弹性体做为材料不但可回收及再利用，满足绿色循环经济需求，同时也减轻产品重量及克服产品表面收缩的缺陷。而为了分析不同浇口设计和产品厚度不均匀对流动行为和发泡特性影响，因此采用Moldex3D进行实验和模拟。

效益

· 模拟与实验结果高度吻合，达成虚实整合

· 产品重量减轻10%以达到产品轻量化

· 实现绿色循环经济、产品轻量化和了解FIM制程

案例研究

在传统制鞋产业中，鞋垫通常由塑胶和化学发泡剂倒入模具中制成，制造与材料成本较高。而随着产品轻量化和绿色经济的发展趋势，藉由添加混合气体的发泡射出成型（FIM）可同时减少产品的用料和重量。逢甲研究团队利用SEBS弹性体进行研究，目的是找出适合的浇口位置及优化气泡分布，并验证模拟和实验结果。图 1 为一具有六浇口的现成模座，以此为样品建立了产品的3D模型和边界层网格，并利用Moldex3D观察产品的流动行为和发泡特性。

图1 鞋垫模座及产品

分析结果显示不同浇口位置会导致浇口压力、模穴压力和气泡大小的变化（如图2和图3所示），当塑胶从厚处区域注入时，由于产品厚度随着流动方向减少，浇口压力和模穴压力会在充填结束时增加，因此模穴里的高压将限制气泡的生长。相比之下从薄处区域进浇，在充填阶段结束时压力模内压力较低，从而产生更好的发泡效果。

图2 不同浇口位置的浇口流动及压力

图3模穴压力和对应的气泡 (a)厚处进浇 (b) 薄处进浇

Moldex3D的流动模式也通过FIM实验得到证实（图4），流动波前模拟结果与实验结果高度一致。而当浇口位置更换至左、右两侧时，不均匀的厚度对气泡尺寸和气泡密度会有影响。产品厚度和流动的差异改变了模穴压力分布，从而限制了气泡的成长。结果显示，在两侧进浇相较于在鞋垫中间进浇会有更好更均匀的发泡效果。

图4 Moldex3D的波前流动图（上图）和短射测试（下图）

图5 受浇口位置影响的气泡大小和密度

气泡分布的微观结构也能通过实验进行研究（图6）。 通过模拟和实验结果的比较，发泡过程会受模穴压力和流动模式影响能更容易被理解。结果显示气泡在核心层的成长比在表层生长得更好。此外，FIM制造的鞋垫重量比传统射出成型轻10%，从而达到产品轻量化的目的。

图6 气泡分布的微观结构

结果

本研究显示，浇口位置和产品厚度不均匀会影响浇口、模穴压力和流动情形，从而导致不同的气泡尺寸和气泡密度。凭借Moldex3D模拟和FIM实验高度吻合的结果，逢甲研究团队优化了浇口位置，使其具有更好的发泡特性。通过使用SEBS/FIM制造，鞋垫行业可以达成绿色循环经济和轻量化产品的目标。