塑胶产品设计-结构发泡设计1

JJJKE · 发表于 2011-8-13 20:26

製造須具高強度及高剛性之大型、複雜塑品，結構發泡成形是非常理想的一個方式。雖然其加工方式類似於射出成形，但前者因有氣體注入於熔融高分子形成泡孔性心核而使得塑品重量減輕多了。並且結構發泡成形為一次成形，省卻了多步驟的加工費用以及可結合肋骨、浮凸物等官能性物，而呈現多樣化之設計。由於射出成形製造大形物需要極大之模壓以及厚斷面部分極易造成凹痕或翹曲，實不如結構發泡成形只須小模壓及肉厚較薄來的方便。（註：結構發泡成形大形物，重量最大到100磅）再者，以同等重量之塑品而言，用結構發泡製造出的塑品剛性比射出成形強多了；因為結構發泡品較輕，為達同等重量勢必肉厚較粗，而剛性正比於肉厚之三次方，是有此故。此章將依序討論等構發泡成形之方法、設計所需考慮之環境因素及塑品設計。
6-1 結構發泡成形方法
   結構發泡之成形法有?傳統之低壓法，?高壓法，?三明治成形法，?結構網狀法。新的成形法是為了使表面更精細。
6-1-1 低壓法
   低壓法是利用短射成形將計量好小於模穴體積之塑料與發泡劑射入模穴中，使氣體一高分子混合物膨脹而填滿整個模穴，外圍部分與冷模面接觸形成表皮層，內層則發泡成為多泡孔心核如圖6-1所示。由於在射出過程中，模穴並未完全充填，高射壓無法傳到模具，因此低的模穴壓力(300～1000 psi)使得塑品有極低之殘餘應力，與射出成形相比，有較低之翹曲發生可能性及較佳的抗化學性。低壓法可用物理的（通常是氮氣）或化學的發泡劑而達成之。物理的發泡法是用為噴嘴的射出成形機，多入口似的將氣體射入模具中，因此可製造較大形物。化學發泡劑則是用單噴嘴的射出機。由低於壓法只承受較小之壓力，所以模具可用比鋼材軟之材質，以節省成本。
6-1-2　高壓法
   高壓結構發泡成形類似於標準的射出成形法，氣體一高分子熔融物於高壓下(2000～20,000 psi)完全填滿模穴，藉由控制壓板(plateu)、模蕊之開啟或滑動，使模穴體積增大而產生發泡。由高壓法產生之塑品，重量可減輕許多並有極光滑的表面，所以減少了成形後加工之費用，但若欲產生膨脹動作所增加的複雜模具費用，則甚是可觀。另外深度高之塑品，因模具需膨脹之故，成形亦有困難。
6-1-3　三明治／共射出成形法
   三明治結構發泡成形法含兩道不同熔流於模具內。其中一道熔流不含發泡劑於塑品之外層形成一光滑之固體皮層。另一道熔流，可為同樣或不同樣之塑料，含發泡劑而形成泡孔狀心核之內層。當用兩種不同之塑料時，要注意其流變性質，並確認皮層與心核有良好之接著力。三明治成形法基本上有下列三種：
1. ICI法（英國專利第1156217號）利用兩柱往復式螺桿，其中一枝將模穴部分充填固體塑膠，接著另一枝則將塑流與發泡劑完全充滿模穴，再將模具膨脹，製成發泡心核。ICI法之模穴壓力近似於射出成形。
2. 兩通道法(two-channel process)兩通道法猶如標準的低壓法，皆是利用短射以製造泡孔心核。兩通道法須有特別的止流式噴嘴(shut-off nozzle)及可程式化控制的射出速度裝置。發泡塑膠從A通道與固體皮層材料從B通道同時射入模穴，由於係同時射出，所以此法亦稱共射出(coinjection)。因為利用此法相反於澆道面之皮層厚度常小於澆道邊之皮層厚度，為了克服此問題遂有了較複雜高技術之三通道法。
3. 三通道法(three-channel process)亦稱共射出，有三通道之噴嘴（圖6-3）設計。此噴嘴有兩通道射入固體塑膠及由另一通道射入發泡塑膠。第三通道正中心的射入皮層材料，以讓更多的皮層材料可達相反於澆口之表面。並射出之模穴壓為標準低壓法之2.5到4.0倍，所以所用之模具需為鋼材。
6-1-4 結構綱狀法(structural web)    此法是模具內先部分充滿固體塑膠，然後以高壓及高速注入氮氣或空氣於高分子心核，氣體使高分子表面變形成波浪狀並迫使其緊貼模面，維持一定的模壓直到表面完全成形為止。最後氣體從噴嘴中之揚上閥門(poppet valve)洩出，再頂出成品。由此法製得之產品具光滑之表面並減少了凹痕之可能性。較佳的熱傳送亦使此法製造較厚之塑品較省成本，其產品之橫截面圖可參考圖6-4。
6-2　結構發泡設計之考慮
   選擇正確的材料及加工方式是設計者之主要工作，然而用品之使用環境對其之影響更需仔細的考慮評估。以下將依序說明之，所討論的將以標準的低壓法結構發泡成形為主，但通常亦適用於其他之成形法。
6-2-1　結構設計
   當發泡為用工程熱可塑性塑膠時，設計者可毫無困難的在產品承受負載時，預測出應力與變形量，因為在降伏點之前，他們是呈線彈性關係的。
   泡孔性心核與固體皮層，可將其視為複合體，應力在不同區而不同。對此複合體之分析，可用同等的I-樑固體斷面來模擬之圖6-5。
I-樑之慣性力矩推得為：
Ix＝bh3－(b－bc)(h－2ts)3 12
bc＝bEc Es
Ec＝心核之模數 Es＝皮層之模數 ts＝皮層之厚度    hc＝同等心核之高度
上式之推演是非常正確的，然而在實際上測量心核之模數卻有困難以及皮層之厚度變異性都是問題。比較保守的分析結構發泡體，是在支點負載的環境下，將其橫截面視為兩外皮層而無泡孔心核（圖6-6）。因此，同等的慣性力矩成為：
Ix＝b(h3－hc3) 12
由於泡孔性心核可提供一些應力吸收之功能，因此省略心核所算得之值已含有安全因子。
   當時間或成本不容許做更仔細的分析時，將結構發泡斷面視為均質（圖6-7）不失為一個好方法。由於大部分之材料商所提供之技術數據皆是由此假設而來，照著他們的導引，分析上會有較佳之結果。
結構發泡材之物性與同樣材料之固體不同，最典型的如抗拉伸力，前者明顯小於後者。此乃因為發泡體重量較輕以及個別的獨立泡孔容易造成應力集中之故。肉厚與溫度對材料之抗拉伸力影響也很大。當肉厚減少時，成形塑品之重量減少較小，所以有較高的皮層／心核比。如此一來，愈傾向於固體之狀態即有愈高之抗拉伸力。由於塑膠是屬黏彈性，當溫度增加時會使得抗拉伸力減少。
   要注意抗拉伸力切莫超過材料之彈性限度。其實可能的話，設計時考慮壓縮應力會比考慮抗拉伸力更佳，因為發泡體受壓縮時，泡孔毀壞的機會會比受拉伸時造成之體積變量之影響來的大。由於塑品橫截面材料分佈之關係，結構發泡材之抗彎折強度明顯的會大於抗拉伸力。減少肉厚及降低重量減少量可使材料之抗彎折強度增加，因為在每一單位橫截面會有較多之皮層。彎折破壞有時亦可能在抗拉伸力範圍內下發生，其主要的關鍵因子在於受彎折時，泡孔核區之最大抗拉伸力。如果從中心軸到最遠的泡孔心核距離超過0.5英吋，則破壞會在材料之抗拉伸力值下發生。反之，距離在0.5英吋以內，則彎折破壞值與標準試片之公佈值相近。因為熱塑性結構發泡塑膠具黏彈性，所以其物性與時間，溫度及負載速度休戚相關。當設計在受支點負載環境下之結構發泡體時，材料之時間－溫度行為或是蠕變速度必需預做檢視。預測塑品在負載下，某定點時間之行為表現，可用視模數方程式表示如下：
E＝s e1＋e2
其中　s＝產生之應力(psi)
e1＝起始應變(in/in) e2＝受應力一段時間後，所產生之蠕應變(in/in)
e1＋e2＝總應變       6-2-2　耐衝擊性之設計考慮
耐衝擊性對結構發泡成品極為重要，其測試方法有夏比法(charpy)、艾式法(izod)及落球法，其中落球法為最適用的一種介紹如下：
利用一半徑0.5英吋，10磅重之半球形鋼頭，從定高度自由落下而撞擊測試片（圖6-8），視測試片之破壞程度如何，其結果可分下列幾種：
(a)　測試片完全破裂。
(b)　落球穿透過測試片。
(c) 測試片龜裂並形成0.01英吋之裂縫或更大。
   所吸收之衝擊能量以ft-lb單位表之，此測試值所得非常近似於塑品面臨之真實情況。由於結構發泡材之高剛性，通常其所受破壞為脆裂(brittle)。若與同材之固體比之，發泡材之耐衝擊性較小。當增加發泡材之厚度或重量時，其耐衝擊性亦增加。若是加肋骨於發泡材上，其耐衝擊性會變小，此效應可由下式解釋之：
σi σ＝1＋ 1＋2 h d
其中：　i＝由落球所產生的動態應力
σ＝本體所產生的靜態應力 h＝落球之高度    d＝靜態下之形變
因為剛性愈強，在靜態負載下之形變愈小。所以上式之d減小，推得動態應力i變大，而愈高的動態應力會使塑品之耐衝擊性減弱。溫度對發泡材之影響也很大，溫度降低會使塑品更具脆性，造成耐衝擊性降低。
6-2-3　化學環境之設計考慮
   由於結構發泡材之低殘留應力，與同材料之固體相比，前者有較佳之耐化學性。如果塑品之最終用途是在組裝或受負載下，可知的是耐化學性會減弱。
   化學品對塑膠之侵蝕是一種非常複雜的現象。其侵蝕機構有許多種型式，它可為化學試劑與化學鍵上之活化區起反應；或者是溶劑之直接侵蝕，此可由重量及尺寸上之變化而觀得之。最好之測試方法是耐環境應力龜裂實驗(ESCR)，即在某種化學品及應力下，測成品龜裂的敏感性，若是由於溶劑的因素而產生龜裂者稱為溶劑龜裂。因為化學品侵蝕的許多影響因素於塑品設計、成形條件、操作應力及溫度範圍無法完全預測知。所以最好的建議是在實際的操作環境下，小比的測試實驗片(prototypes)或者是生產品。
6-2-4　高溫環境下之設計考慮
   所有熱塑性塑膠之物性皆會隨溫度之變化而不同，所以它是溫度之函數，特別是在高溫下，其性質之改變尤需注意。
對於在高溫時材料之表現比較，材料商提供了兩種實用的數據，一為熱變形溫度(heat distortion temperature, HDT)，另一為UL連續使用溫度。HDT之決定法是將測試片侵入油槽中，付與66或264psi之負載於其上，以每分鐘2℃之溫度上升之，直到測試片被彎折0.01英吋時，記錄當時之溫度即為HDT。若是塑品需長期的高溫下使用，則參考UL溫度是一個不錯的指標。此法是將測試塑品置入不同之烘箱內，以不同之溫度老化之，再測其電氣與機械性質，其數據之處理方式是以老化後的物性對原樣品之物性比當Y軸，烘箱老化時間作X軸，然後作圖之。選擇尚餘50％物性時之老化時間做到log值，再對老化之絕對溫度倒數作圖，延伸圖中直線至時間為10000到11000小時之間，對應下來即可求得材料之UL連續使用溫度。考慮設計發泡塑品在升溫下之影響，其重要性是不待言之的，產品設計者不可不察。

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