结构发泡

制造须具高强度及高刚性之大型、复杂塑品,结构发泡成形是非常理想的一个方式。虽然其加工方式类似于射出成形,但前者因有气体注入于熔融高分子形成泡孔性心核而使得塑品重量减轻多了。并且结构发泡成形为一次成形,省却了多步骤的加工费用以及可结合肋骨、浮凸物等官能性物,而呈现多样化之设计。
由于射出成形制造大形物需要极大之模压以及厚断面部分极易造成凹痕或翘曲,实不如结构发泡成形只须小模压及肉厚较薄来的方便。(注:结构发泡成形大形物,重量最大到100磅)再者,以同等重量之塑品而言,用结构发泡制造出的塑品刚性比射出成形强多了;因为结构发泡品较轻,为达同等重量势必肉厚较粗,而刚性正比于肉厚之三次方,是有此故。此章将依序讨论等构发泡成形之方法、设计所需考虑之环境因素及塑品设计。

6-1 结构发泡成形方法

结构发泡之成形法有①传统之低压法,②高压法,③三明治成形法,④结构网状法。新的成形法是为了使表面更精细。

6-1-1 低压法

低压法是利用短射成形将计量好小于模穴体积之塑料与发泡剂射入模穴中,使气体一高分子混合物膨胀而填满整个模穴,外围部分与冷模面接触形成表皮层,内层则发泡成为多泡孔心核如图6-1所示。

由于在射出过程中,模穴并未完全充填,高射压无法传到模具,因此低的模穴压力(300~1000 psi)使得塑品有极低之残余应力,与射出成形相比,有较低之翘曲发生可能性及较佳的抗化学性。
低压法可用物理的(通常是氮气)或化学的发泡剂而达成之。物理的发泡法是用为喷嘴的射出成形机,多入口似的将气体射入模具中,因此可制造较大形物。化学发泡剂则是用单喷嘴的射出机。由低于压法只承受较小之压力,所以模具可用比钢材软之材质,以节省成本。

6-1-2 高压法

高压结构发泡成形类似于标准的射出成形法,气体一高分子熔融物于高压下(2000~20,000 psi)完全填满模穴,藉由控制压板(plateu)、模蕊之开启或滑动,使模穴体积增大而产生发泡。
由高压法产生之塑品,重量可减轻许多并有极光滑的表面,所以减少了成形后加工之费用,但若欲产生膨胀动作所增加的复杂模具费用,则甚是可观。另外深度高之塑品,因模具需膨胀之故,成形亦有困难。

6-1-3 三明治/共射出成形法

三明治结构发泡成形法含两道不同熔流于模具内。其中一道熔流不含发泡剂于塑品之外层形成一光滑之固体皮层。另一道熔流,可为同样或不同样之塑料,含发泡剂而形成泡孔状心核之内层。当用两种不同之塑料时,要注意其流变性质,并确认皮层与心核有良好之接著力。
三明治成形法基本上有下列三种:
1. ICI法(英国专利第1156217号)
利用两柱往复式螺杆(图6-2),其中一枝将模穴部分充填固体塑料,接著另一枝则将塑流与发泡剂完全充满模穴,再将模具膨胀,制成发泡心核。ICI法之模穴压力近似于射出成形。

2. 两通道法(two-channel process)
两通道法犹如标准的低压法,皆是利用短射以制造泡孔心核。两通道法须有特别的止流式喷嘴(shut-off nozzle)及可程序化控制的射出速度装置。发泡塑料从A通道与固体皮层材料从B通道同时射入模穴,由于系同时射出,所以此法亦称共射出(coinjection)。因为利用此法相反于浇道面之
皮层厚度常小于浇道边之皮层厚度,为了克服此问题遂有了较复杂高技术之三通道法。
3. 三通道法(three-channel process)
亦称共射出,有三通道之喷嘴(图6-3)设计。此喷嘴有两通道射入固体塑料及由另一通道射入发泡塑料。第三通道正中心的射入皮层材料,以让更多的皮层材料可达相反于浇口之表面。并射出之模穴压为标准低压法之2.5到4.0倍,所以所用之模具需为钢材。

6-1-4 结构纲状法(structural web)

此法是模具内先部分充满固体塑料,然后以高压及高速注入氮气或空气于高分子心核,气体使高分子表面变形成波浪状并迫使其紧贴模面,维持一定的模压直到表面完全成形为止。最后气体从喷嘴中之扬上阀门(poppet valve)泄出,再顶出成品。由此法制得之产品具光滑之表面并减少了凹痕之可能性。较佳的热传送亦使此法制造较厚之塑品较省成本,其产品之横截面图可参考图6-4。

6-2 结构发泡设计之考虑

选择正确的材料及加工方式是设计者之主要工作,然而用品之使用环境对其之影响更需仔细的考虑评估。以下将依序说明之,所讨论的将以标准的低压法结构发泡成形为主,但通常亦适用于其它之成形法。

6-2-1 结构设计

当发泡为用工程热可塑性塑料时,设计者可毫无困难的在产品承受负载时,预测出应力与变形量,因为在降伏点之前,他们是呈线弹性关系的。
泡孔性心核与固体皮层,可将其视为复合体,应力在不同区而不同。对此复合体之分析,可用同等的I-梁固体断面来模拟之图6-5。

I-梁之惯性力矩推得为:
Ix=bh3-(b-bc)(h-2ts)3 12
bc=bEc Es
Ec=心核之模数
Es=皮层之模数
ts=皮层之厚度
hc=同等心核之高度
上式之推演是非常正确的,然而在实际上测量心核之模数却有困难以及皮层之厚度变异性都是问题。
比较保守的分析结构发泡体,是在支点负载的环境下,将其横截面视为两外皮层而无泡孔心核(图6-6)。因此,同等的惯性力矩成为:
Ix=b(h3-hc3) 12

由于泡孔性心核可提供一些应力吸收之功能,因此省略心核所算得之值已含有安全因子。
当时间或成本不容许做更仔细的分析时,将结构发泡断面视为均质(图6-7)不失为一个好方法。由于大部分之材料商所提供之技术数据皆是由此假设而来,照著他们的导引,分析上会有较佳之结果。

结构发泡材之物性与同样材料之固体不同,最典型的如抗拉伸力,前者明显小于后者。此乃因为发泡体重量较轻以及个别的独立泡孔容易造成应力集中之故。肉厚与温度对材料之抗拉伸力影响也很大。当肉厚减少时,成形塑品之重量减少较小,所以有较高的皮层/心核比。如此一来,愈倾向于固体之状态即有愈高之抗拉伸力。由于塑料是属黏弹性,当温度增加时会使得抗拉伸力减少。
要注意抗拉伸力切莫超过材料之弹性限度。其实可能的话,设计时考虑压缩应力会比考虑抗拉伸力更佳,因为发泡体受压缩时,泡孔毁坏的机会会比受拉伸时造成之体积变量之影响来的大。
由于塑品横截面材料分布之关系,结构发泡材之抗弯折强度明显的会大于抗拉伸力。减少肉厚及降低重量减少量可使材料之抗弯折强度增加,因为在每一单位横截面会有较多之皮层。
弯折破坏有时亦可能在抗拉伸力范围内下发生,其主要的关键因子在于受弯折时,泡孔核区之最大抗拉伸力。如果从中心轴到最远的泡孔心核距离超过0.5英寸,则破坏会在材料之抗拉伸力值下发生。反之,距离在0.5英寸以内,则弯折破坏值与标准试片之公布值相近。
因为热塑性结构发泡塑料具黏弹性,所以其物性与时间,温度及负载速度休戚相关。当设计在受支点负载环境下之结构发泡体时,材料之时间-温度行为或是蠕变速度必需预做检视。预测塑品在负载下,某定点时间之行为表现,可用视模数方程序表示如下:
E=s e1+e2
其中 s=产生之应力(psi)
e1=起始应变(in/in)
e2=受应力一段时间后,所产生之蠕应变(in/in)
e1+e2=总应变
6-2-2 耐冲击性之设计考虑
耐冲击性对结构发泡成品极为重要,其测试方法有夏比法(charpy)、艾式法(izod)及落球法,其中落球法为最适用的一种介绍如下:
利用一半径0.5英寸,10磅重之半球形钢头,从定高度自由落下而撞击测试片(图6-8),视测试片之破坏程度如何,其结果可分下列几种:
(a) 测试片完全破裂。
(b) 落球穿透过测试片。
(c) 测试片龟裂并形成0.01英寸之裂缝或更大。

所吸收之冲击能量以ft-lb单位表之,此测试值所得非常近似于塑品面临之真实情况。由于结构发泡材之高刚性,通常其所受破坏为脆裂(brittle)。若与同材之固体比之,发泡材之耐冲击性较小。当增加发泡材之厚度或重量时,其耐冲击性亦增加。若是加肋骨于发泡材上,其耐冲击性会变
小,此效应可由下式解释之:
σi σ=1+ 1+2 h d
其中: i=由落球所产生的动态应力
σ=本体所产生的静态应力
h=落球之高度
d=静态下之形变
因为刚性愈强,在静态负载下之形变愈小。所以上式之d减小,推得动态应力i变大,而愈高的动态应力会使塑品之耐冲击性减弱。
温度对发泡材之影响也很大,温度降低会使塑品更具脆性,造成耐冲击性降低。

6-2-3 化学环境之设计考虑

由于结构发泡材之低残留应力,与同材料之固体相比,前者有较佳之耐化学性。如果塑品之最终用途是在组装或受负载下,可知的是耐化学性会减弱。
化学品对塑料之侵蚀是一种非常复杂的现象。其侵蚀机构有许多种型式,它可为化学试剂与化学键上之活化区起反应;或者是溶剂之直接侵蚀,此可由重量及尺寸上之变化而观得之。最好之测试方法是耐环境应力龟裂实验(ESCR),即在某种化学品及应力下,测成品龟裂的敏感性,若是由于溶剂的因素而产生龟裂者称为溶剂龟裂。
因为化学品侵蚀的许多影响因素于塑品设计、成形条件、操作应力及温度范围无法完全预测知。所以最好的建议是在实际的操作环境下,小比的测试实验片(prototypes)或者是生产品。

6-2-4 高温环境下之设计考虑

所有热塑性塑料之物性皆会随温度之变化而不同,所以它是温度之函数,特别是在高温下,其性质之改变尤需注意。
对于在高温时材料之表现比较,材料商提供了两种实用的数据,一为热变形温度(heat distortion temperature, HDT),另一为UL连续使用温度。HDT之决定法是将测试片侵入油槽中,付与66或264psi之负载于其上,以每分钟2℃之温度上升之,直到测试片被弯折0.01英寸时,记录当时之温度即为HDT。若是塑品需长期的高温下使用,则参考UL温度是一个不错的指标。此法是将测试塑品置入不同之烘箱内,以不同之温度老化之,再测其电气与机械性质,其数据之处理方式是以老化后的物性对原样品之物性比当Y轴,烘箱老化时间作X轴,然后作图之。选择尚余50%物性时之老化时间做到log值,再对老化之绝对温度倒数作图,延伸图中直线至时间为10000到11000小时之间,对应下来即可求得材料之UL连续使用温度。
考虑设计发泡塑品在升温下之影响,其重要性是不待言之的,产品设计者不可不察。

6-3 塑品设计

6-3-1 肉 厚

结构发泡成形品之肉厚可较射出成形品为厚,并且无凹痕及翘曲等问题。传统上,发泡材被设计成0.25in(6.3mm)之肉厚,现在由于工程树脂之关系,塑品之肉厚可被设计低至0.157in(4mm)或高到0.5in(12.7mm),甚至更高。
主要的考虑是肉厚改变时对耐冲击力、肋骨设计、浮凸物设计及所须强度的影响。弯曲强度及抗拉伸强度会随肉厚之减少而增加,因为较薄之肉厚有较低的重量减少量,致使有较高的皮层对心核比。
刚性,受负载能力及耐冲搫力则随肉厚之减少而减少,因为这些性质受肉厚之影响较大,而非重量之减少量。为了使结构发泡材有极低之应力及整个塑品有均匀性的重量减少,良好的流动设计使塑流能马上填满模穴是极为重要的。
在成形肉厚小于0.25in之塑品,更多的材料必须被推进模穴内,以克服极高的流动阻碍。若是肉厚大于0.25in,则流动容易。这些流动阻碍的变异性,造成较低的重量减少量及较薄壁有较短之流动长度。
如果所选材料之流动长度超过建议值,那么下列两方法可增加其流动性:
· 添加流动肋骨或流道以增加流动,但其直径不可太大,否则塑流会流进肋骨内造成充填平断面上之困难。
· 些微的增加肉厚约莫0.03到0.05英寸,可减轻成形上之流动困难。
另外从肉厚变到薄肉厚之转换区应该愈平滑愈好,以利加工成形(图6-9)。

6-3-2 圆角及半径

陡边角会造成应力之集中点及阻碍材料之流动性,它们常常是产品毁坏的主因。圆角半径对应力集中之影响可由图6-10看出,应力集中因子KT是用于方程序以计算应力,R/T是圆角半径对肉厚之比值。

尽量利用大的半径于内边角及外边角上,以使应力集中最小并益于模具充填。对大多数塑品而言,最小半径需为0.06英寸。如果塑品是在承受负载或受撞击下,则最小半径需为0.125英寸以上。

6-3-3 公差及翘曲之控制

尺寸公差在产品设计上是非常重要的,因为它直接影响到产品成本及表现行为。产品之最终尺寸是由以下所影响控制:
· 温度膨胀及收缩。
· 加工条件。
· 模具尺寸。
结构发泡品之尺寸公差及翘曲控制是为了使塑品从头到尾有一致的重量减少量并具平坦性。以下为其设计之通则:
· 尽量使塑品之肉厚保持均匀性。厚肉区不仅会增加成形周期,并造成产品翘曲。
· 使流动阻碍减少到最小。尽量莫用肋骨及排气孔在流动的方向上。
· 保持一定的材料流动长度以减少过分充填发生。于近开口处,加上流动肋骨或浇口,使过分充填减少到最少。

6-3-4 倾斜角

由于结构发泡加工之低压力,微小的锥度可以忍受,所以塑品可用倾斜角之设计,以利取出。
产品之肉厚会影响到倾斜角之大小。当肉厚减少时:须增加倾斜角之角度。这是因为模穴压增加了,令塑品较难取出。一般而言,0.5°到3°之倾斜角以足使产品方便取出。对于深度极深的肋骨或浮凸物,由于须增加底部宽度,致使倾斜角增加,需注意底部太厚所可能造成的凹痕及凸起。

6-3-5 肋骨及浮凸物

于结构发泡品上加进肋骨,可增加其刚性及受负载之能力而毋须增加其肉厚。与射出成形相比,结构发泡加工可用较粗的肋骨。
周遭的肉厚及重量减少量决定了肋骨之厚度,依此而设计之,可使其不至产生凹痕,表6-1为肋骨肉厚与壁厚间之正确设计关系:

至于浮凸物,由于须承受重负载,所以必须与邻近的壁端相连或与肋骨、角板相连,以分散负载。为使插入后之表现最佳,浮凸物之肉厚随材料种类及所减少之密度而定。通常,高功能性的材料可用较薄的浮凸物肉厚。一般的设计通则为浮凸物之直径为心核孔洞之二倍。浮凸物须尽量的被铸造,以减少塑品之成形周期。如果浮凸物太厚的话,会有凹痕产生。若一切设计皆无虞,与射出成形相比,由于凹痕之发生可能性减少,所以会有较佳的表面精度。

6-3-6 放热孔(louvers)

因为塑料为绝缘性材料,所以放热孔常须加入结构发泡成形品内以滞散热量。如果可能的话,羽状结构之放热孔最好与塑流同方向以助模具之充填及减少过分充填之可能性(因会造成翘曲)。如果,羽状结构放热孔必须被置于垂直塑流之方向的话,那么于其中端部分横过一流道,让塑流流于其上,而不致让放热孔阻碍了流动,参考图6-11。

6-3-7 迫压嵌合(snap fits)

犹如一些特定的射出成形材,因为工程结构发泡材之物性增加了,迫压嵌合亦可应用于其上。
不像射出成形之迫压嵌合只可用于质轻短小之零件,结构发泡成形之迫压嵌合可用以扣锁住重零件或结合两大形结构发泡成品。
应力、弯折量及应变是决定所须组合力量及挺性的主要控制因子。最简单的迫压嵌合模式是具定横截面的悬梁衍(图6-12)。

其中 σ=FLc I
y=FL3 3EI
ε=3yc L3
其中 σ=应力
y=弯折量
ε=应变
I=横截面之惯性矩
L=梁之长度
E=材料之模数
c=中间轴至最远处之距离
当选择应用须用迫压嵌合之材料时,关键物性如疲乏强度,弯曲模数,弯曲强度及最大应变量须先被测得知。

6-4 组装方法

许多种机械式的钩扣及接合方法适用于结构发泡。螺丝钉及插入物是最常用的接合工具,但有个前题是材料必须能忍受钩扣物所造成的形变及应力。
当塑品之组合与拆卸不超过10次时,可用自攻式螺钉。由于泡孔心核可被压缩,用圆螺钉比切削式螺钉好。因为切削式螺钉如片状般的穿过皮层入泡孔心核,此种组装通常不再拆卸。
超音波或是热熔接亦是常用之方法,它们能重覆的拆卸组装。孔洞大小对插入物之表现好坏影响极大,不同插入物之制造商有不同之孔洞规定,如图6-13为道奇公司uetrasert Ⅱ插入物对孔洞规格之规定。

若是孔洞用挖钻的话,由于其内部表面不会有连续皮层,所以其菜单现较差。
结构发泡一次组装的方法有超音波、溶剂及黏著剂接合。超音波接合法,可以插入物、打桩的方式(通常是连金属物于发泡品上)、或点缝合(通常是连接两塑料成品)等达成。
大部份的非结晶性结构发泡材可以溶剂接合法互相接合或与他种塑品接合。适当的技巧及所用溶剂种类须以材料提供商讨论之。
黏著剂接合可为发泡品互相接合或与他种塑品接合以及他种材料如玻璃、铝、钢或木头。下列是在选择黏著剂时所须注意之事项:
· 避免溶剂或催化剂与所欲接合之材料互不兼容。
· 固化温度不可超过结构发泡材之焙烘(bake)温度。
· 于操作条件下,测试兼容性及接合强度。
· 遵循适切的接合设计通则。

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