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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

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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模型比较後可发现,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,若将此模型应用於抽芯制程,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,将有助於热传、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)


叁考资料

[1] K. Taki et al., “3D NUMERICAL SIMULATION AND EXPERIMENTAL OBSERVATION OF BUBBLE GROWTH AND COLLAPSE IN NITROGEN-GAS SATURATED MOLTEN POLYMER FOR THE CORE-BACK FOAM INJECTION MOLDING”, ANTEC 2021 - SPE.


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