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导入新发泡预测模型 气泡收缩行为无所遁形
[作者 白承弘]   2021年09月10日 星期五 浏览人次: [2569]

气泡制程多样且复杂,应用范围广泛,因此精准掌握其过程的变化是重要关键。若能透过微观模型准确预测气泡尺寸,将有助于相关各类性质的预测,并提高产品设计与生产效能。


塑胶发泡射出制程中,会先透过螺杆将超临界状态流体(N2或CO2)与融胶混炼成均匀单相流体,而匀相混合物在射出过程中因瞬间释压造成热力学不平衡,使得熔胶中的超临界流体透过相变化产生数以万计之微小气泡,经模具冷却固化而得到具有泡孔结构之成品。


若采用Han and Yoo气泡成长动力模型,可以模拟出气泡成长的过程与气泡成长动力。然而,当产品的几何外观复杂度变高,以及使用不同制程时,模内压力并非都是低压状态,例如肉薄处的熔胶压力还是非常大,甚至大过饱和压力;另一方面,抽芯制程(图1)还会带来额外的保压,因此模内的气泡并不会因释压而持续成长,反而可能会因为模内熔胶压力增加而萎缩。此时Han and Yoo模型就有所局限,而无法准确模拟出气泡缩小的现象。



图1 : 抽芯过程示意图
图1 : 抽芯过程示意图

气泡萎缩的历程实验

为了改善旧有模型的不足,Moldex3D与日本金泽大学(Kanazawa University)合作开发出Modified Han and Yoo。由金泽大学Prof. Taki提供的气泡动力模型与试片实验数据[1]得知,随着压力释放(如图2右上角所示),气泡会超越自由能量障壁(Energy Barrier)而成核成长;如果对气泡增加压力,气泡则会逐渐萎缩直到溶解回熔胶中(可以说是回到熔胶与气体混和的初始状态)。这时若再将压力释放,气泡将会在相同位置成核成长。实验结果也与此气泡动力模型有非常贴近的趋势,验证了气泡被加压而导致萎缩的历程(图3)。



图2 : 气泡萎缩实验
图2 : 气泡萎缩实验

图3 : 模拟结果与实验比对
图3 : 模拟结果与实验比对

以往使用Han and Yoo 模型进行肉薄几何模拟时,无法精准掌握气泡萎缩的历程,因此有许多因加压而消失的气泡数量被低估。现在Moldex3D 2021版本中,新增了Modified Han and Yoo的选项(图4)。



图4 : Moldex3D 2021新增Modified Han and Yoo选项
图4 : Moldex3D 2021新增Modified Han and Yoo选项

与原有的Modified Han and Yoo模型比较后可发现,使用Modified Han and Yoo模型可以较精准地预测出这些萎缩的气泡(图5)。同理,若将此模型应用于抽芯制程,亦可更精确得知气泡全部溶回熔胶所需要的保压时间。



图5 : Han and Yoo与Modified Han and Yoo模型功能比较
图5 : Han and Yoo与Modified Han and Yoo模型功能比较

泡制程非常多样且复杂,应用范围广泛,因此精准掌握其过程的变化显得格外重要。若能透过微观模型准确预测气泡尺寸,将有助于热传、机械强度、声学吸收、低介电系数等巨观性质的预测,进而提高产品设计与生产效能。


(本文作者白承弘为科盛科技研发一处工程师)


参考资料

[1] K. Taki等,“3D数值模拟和泡沫生长和玻璃气体饱和聚合物的泡沫生长和塌陷的实验观察”核心后泡沫注射成型“,ANTEC 2021-SPE。


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