腔內(nèi)發(fā)泡和可控開模技術(shù)由單一注塑材料制成型芯和面層，減少材料用量并提高性能。

注射成型，泡沫芯夾層復(fù)合材料。Fraunhofer化學(xué)技術(shù)研究所和Fraunhoffer項(xiàng)目復(fù)合材料研究中心的一個聯(lián)合研究項(xiàng)目研究了減少長纖維熱塑性塑料（LFT- long-fiber thermoplastic）材料用量同時提高其機(jī)械性能的方法。這項(xiàng)研究將整體發(fā)泡和透氣模具技術(shù)應(yīng)用于從單一材料一次性注塑成型“三明治”復(fù)合材料。

整體發(fā)泡增強(qiáng)芯，特寫。該SEM顯示了用呼吸模具技術(shù)生產(chǎn)的零件的泡沫芯中泡沫細(xì)胞、聚合物基質(zhì)和玻璃纖維之間的相互作用。樣品制備——在斷開一個部分進(jìn)行觀察之前用液氮冷凍——可能導(dǎo)致這里的樹脂比正常部分更多。

核心/表皮/核心部分。該SEM顯示了整體發(fā)泡部件的表皮/核心/表皮形態(tài)。該部分是在流動方向上切割的，因此觀察者可以觀察到流動方向，其中玻璃纖維傾向于平行于表皮（頂部和底部）中的流動排列，垂直于芯部（中間）中的流排列。再次注意纖維、泡沫細(xì)胞和樹脂基質(zhì)之間的相互作用。

一致的交叉幾何結(jié)果。在整體發(fā)泡和透氣模具過程中，無論零件的復(fù)雜性或內(nèi)部幾何形狀（例如，肋條）如何，表皮/核心/表皮形態(tài)都會在零件的整個長度和寬度上形成。在這里，這些技術(shù)被應(yīng)用于一個非常復(fù)雜的汽車車底護(hù)板，該護(hù)板具有顯著的肋條，如圖所示。

Fraunhofer化學(xué)技術(shù)研究所（F-ICT，Pfintzal，德 國）和 FraunhoferProject Centre for Composites research （FPC，London，ON，Canada）的一個聯(lián)合研究項(xiàng)目 一直在尋找減少由造粒長纖維熱塑性塑料（LFT- longfiber thermoplastic）制成的注塑件質(zhì)量、提高其機(jī)械性能 的方法。研究表明，他們通過注射成型功能性夾層復(fù) 合材料，采用模內(nèi)發(fā)泡技術(shù)和透氣模（可控開模）技 術(shù)來實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)。其結(jié)果是，在固體表皮之間形成 了一個泡沫芯，這兩個表皮都用碎玻纖加固，由一種 單一的、顆粒狀的 LFT 材料制成，一次成型。

在模具中制作泡沫和面罩??

研究人員通過使用化學(xué)發(fā)泡劑（CBA- chemical blowing agent ）或物理插入惰性氣體發(fā)泡劑（PBAphysical insertion of an inert-gas blowing agent ）來制造泡沫。在任何一種情況下，在注射之前，發(fā)泡劑在筒中塑化期間被引入熔體中。旋轉(zhuǎn)螺桿將溶解的發(fā)泡劑或惰性氣體（通常為N2或CO2）與聚合物熔體機(jī)械混合， 在螺桿前面形成單相氣體/聚合物混合物。對背壓、螺 桿位置和截止閥/噴嘴的控制進(jìn)行了仔細(xì)管理，以確保 氣體在注入冷模之前保持在溶液中，冷模必須通風(fēng)良好。當(dāng)熔體流入工具時，它會經(jīng)歷壓降，這使得被捕 獲的氣體開始膨脹。這使核心發(fā)泡。?

在這一點(diǎn)上，呼吸模具技術(shù)開始發(fā)揮作用。該工具在初始填充期間保持略微打開，在填充階段關(guān)閉， 然后重新打開（再次，略微），并通過零件彈出保持打開：在注射和皮膚層凍結(jié)的短暫延遲（5-10 秒）之 后，在芯中的聚合物仍然熔融的情況下，通過控制模 具打開來加速發(fā)泡。包裝有助于鞏固和固化皮膚層， 形成面部皮膚（見下圖）。打開工具一個精確的距離 ——間隙因材料和零件設(shè)計(jì)而異，但在測試中看到的 典型范圍在 2.5 到 3.6 毫米之間——因?yàn)槌尚脱h(huán)的平 衡會導(dǎo)致進(jìn)一步的壓降，加速氣體從熔融聚合物中排 出。當(dāng)熔體凝固時，泡沫停止（排出殘余氣體），然 后噴出零件。（這項(xiàng)技術(shù)并不新鮮，也被稱為芯背、 負(fù)壓花、減壓發(fā)泡或精密開模，有時用于傳統(tǒng)注塑以提高表面光潔度，因?yàn)榭梢垣@得更高的模腔壓力。）

泡沫在中性軸上形成，在中性軸處，蜂窩狀結(jié)構(gòu)在固體承載面層之間保持恒定的距離，從而形成 I 形梁或三明治狀結(jié)構(gòu)。這種組合減少了質(zhì)量/單位面積， 增強(qiáng)了聲學(xué)阻尼，提高了沖擊強(qiáng)度，提高了尺寸穩(wěn)定 性（減少了翹曲），并增加了與相同設(shè)計(jì)和樹脂/增強(qiáng) 件的固體結(jié)構(gòu)相比的特定彎曲剛度（由于慣性矩更高）。進(jìn)一步的工藝優(yōu)勢包括減少夾緊力、縮短循環(huán) 時間和降低熔體粘度，與具有相同類型增強(qiáng)件的注塑固體樹脂相比，以更低的能源成本生產(chǎn)出更輕、結(jié)構(gòu)更健全的零件，有助于抵消更高的工裝成本。值得注意的是，無論零件的復(fù)雜性或內(nèi)部幾何形狀如何（例如，肋條；見下圖），所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)在零件的整個長度和寬度上都是一致的。

發(fā)泡劑和壓力選項(xiàng)?

使用該工藝的人必須從兩種發(fā)泡方案中進(jìn)行選 擇，每種方案都有固有的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)?；瘜W(xué)發(fā)泡(CBA- chemical blowing agent)的優(yōu)點(diǎn)包括它可以從許多 供應(yīng)商那里獲得，并且它是作為母料添加的(在那里它溶解，在加熱和塑化過程中形成氣體)。缺點(diǎn)是CBA有溫度限制，可能會在零件上留下化學(xué)殘留物， 從而導(dǎo)致變色或氣味。惰性氣體發(fā)泡(PBA- physical insertion of an inert-gas blowing agent )的優(yōu)點(diǎn)是沒有溫度限制，它不會在零件上留下化學(xué)殘留物，可以實(shí)現(xiàn)更高 的發(fā)泡壓力，可以更好地控制使用的氣體量，如果需要，可以向熔體中添加更多的氣體。缺點(diǎn)？需要額外的設(shè)備和許可證。??

處理器還必須從以下兩個選項(xiàng)中進(jìn)行選擇：?填充工具。在“低壓”選項(xiàng)中，工具腔為?在注射過程中僅部分填充。材料對工具的收縮（否則可能導(dǎo)致短射）通過膨脹氣體（和聚合物）來抵消，因?yàn)閱为?dú)使 用吹制壓力? 以完成填充。這種技術(shù)消除了在注射后 施加填料壓力的需要。填料步驟被繞過，因此，工具保持略微打開。它還降低了夾緊壓力（使標(biāo)準(zhǔn)壓力機(jī) 能夠成型比正常情況下更大的零件，或使較小、成本較低的壓力機(jī)能夠成型相同尺寸的零件），并在零件內(nèi)部產(chǎn)生較低的殘余應(yīng)力，這樣就不太容易翹曲。缺 點(diǎn)是，它導(dǎo)致零件具有更高的密度（據(jù)報道高5- 15%，取決于壁厚與流動長度的比率）和零件表面上更多的條紋，這在美學(xué)敏感的應(yīng)用中可能是一個問題。??

在替代高壓工藝中，模腔以傳統(tǒng)方式填充（僅使用注射壓力），然后僅施加幾秒鐘的填充壓力。這里 的優(yōu)點(diǎn)是更均勻的泡沫、密度更低的零件（據(jù)報道， 可以實(shí)現(xiàn)50%以上的低密度）和更好的零件表面，因 為注射后皮膚會更快地凍結(jié)，高壓會使粗糙表面光滑。然而，這項(xiàng)技術(shù)需要一個帶有剪切邊的工具和一個帶有短行程刀架或多芯背部的壓力機(jī)（這增加了成 本），因此該工具可以在整個成型周期的中途精確打開。??

有趣的好處

將精密開模與整體增強(qiáng)發(fā)泡相結(jié)合，可帶來多種好處。首先，隨著壁厚的增加，第二慣性矩增加了三倍，這使得這種低表面質(zhì)量（低質(zhì)量/單位面積）技術(shù) 對承受彎曲載荷的大型半結(jié)構(gòu)零件具有潛在的吸引力，例如汽車行業(yè)的車門內(nèi)飾板、備胎艙、座椅殼和靠背、車底護(hù)板和儀表板支架。其次，因?yàn)樵诠ぞ咧匦麓蜷_之前，表皮會固化，氣泡不會穿透，壓力會進(jìn) 一步使表面光滑，從而在零件兩側(cè)留下良好的光潔度。事實(shí)上，初始注射和開模之間的延遲越長，固體表皮相對于泡沫芯就越厚（反之亦然），使得這成為一個可以控制以滿足應(yīng)用需求的工藝參數(shù)。

量化最終特性的工藝選擇

為了更好地了解各種發(fā)泡和填充方案對最終零件性能的影響，由F-ICT 熱塑性技術(shù)走廊負(fù)責(zé)人Alexander Roch領(lǐng)導(dǎo)的一個研究團(tuán)隊(duì)在相隔幾年的兩次試驗(yàn)中比較了兩種材料的結(jié)果：

? 30%LGF 聚丙烯——PP-LGF30；初始顆粒長度11mm；來自陶氏汽車系統(tǒng)公司（美國密歇根州米德蘭）。?

?? 50%LGF 聚酰胺 6-PA6-LGF50；初始顆粒長度12mm；來自巴斯夫（德國路德維希港）。?

?用CBA（吸熱商業(yè)級，來自 Clariant Masterbatches GmbH，Muttenz，Switzerland）或 PBA（MuCell微孔泡沫工藝中的N2，來自 Trexel 股份有限公司， Wilmington，MA，US）實(shí)現(xiàn)發(fā)泡。所有樣品都在配備 有標(biāo)準(zhǔn)和 MuCell 注射單元的同一注射成型機(jī)（Engel duo 700 pico-combi M，Engel AUSTRIA GmbH， Schwertberg，AUSTRIA）上成型。對于CBA發(fā)泡，使用直徑為105mm的螺桿。對于 PBA 發(fā)泡，使用第二 MuCell 注射單元和直徑為80mm的螺桿。（使用了適用于每種工藝的現(xiàn)有螺釘，其飛行已針對長纖維材料進(jìn)行了優(yōu)化。）

研究人員在樹脂和發(fā)泡劑的每種組合中模制平板 （500毫米乘 500毫米）。僅采用高壓填充技術(shù)，使用剪切邊緣工具，該工具配備有一個邊緣安裝的5毫米寬的針形截止噴嘴/閥作為閘門。由于兩種材料之間的密度差異，調(diào)整了初始模具間隙（PP-LGF30，3.6 mm；PA6-LGF50，2.5 mm），使每次注射的材料注射體積恒定，使研究人員能夠?qū)崿F(xiàn)兩種材料的一致表面重量（質(zhì)量/單位面積）。呼吸模技術(shù)的使用使研究人 員能夠控制斑塊的標(biāo)稱壁厚、密度和最終體積。對于每個材料系統(tǒng)，所有其它的成型條件都保持恒定。未成形的參考斑塊被模制作為對照。?

總體而言，結(jié)果表明，對于恒定的表面重量，彎曲剛度增加了 600%，并且略有增加?無論使用哪種發(fā)泡劑，壁厚的變化都會導(dǎo)致彎曲剛度的顯著增加。在 最大密度降低時，PP-LGF30的彎曲剛度在CBA和PBA發(fā)泡時分別增加了≈330%和≈275%，而對于PA6-LGF50（發(fā)泡劑之間的密度降低顯著不同），彎曲剛度分別在CBA、PBA中分別增加了約190%和約630%。??

正如預(yù)期的那樣，較厚的表層（通過開模前較長的延遲實(shí)現(xiàn)）產(chǎn)生了增加的彎曲剛度和沖擊強(qiáng)度，但拉伸性能略有下降（可能是因?yàn)樾局械挚估Φ牟牧陷^少）。

??

Falling Dart沖擊試驗(yàn)表明，與發(fā)泡后往往變得更脆的傳統(tǒng)未增強(qiáng)泡沫不同，發(fā)泡 PA6-LFG50 中的能量 吸收比未發(fā)泡對照組有所改善。對PP-LGF30 進(jìn)行的夏比（Charpy）彎曲試驗(yàn)顯示，隨著密度降低的增加，其行為幾乎保持不變。值得注意的是，對于PA6-LGF50樣品，無論使用哪種發(fā)泡劑，沖擊強(qiáng)度增加的程度都幾乎沒有差異。在PP-LGF30樣品中，用 CBA發(fā)泡的樣品顯示出比用PBA發(fā)泡的樣品大得多的沖擊強(qiáng)度， 但不能達(dá)到50%的密度降低目標(biāo)。

在較高的開模沖程下，CBA零件有較大的凹陷痕跡。這可能是因?yàn)镻BA中使用的N2氣體比CBA釋放的CO2具有更高的吹送壓力，這導(dǎo)致PBA泡沫樣品的芯部和表皮明顯更厚，而CBA泡沫樣品的情況正好相反。（每種氣體都表現(xiàn)出不同的溶解、擴(kuò)散和發(fā)泡行為。最近使用二氧化碳對PBA氣體進(jìn)行的測試表明， 它能提供較低的壓力，但不會自動產(chǎn)生較厚的表皮。）此外，研究人員推測，較小的螺桿直徑、額外 的止回閥，加上 MuCell工作站的氣體混合區(qū)導(dǎo)致PBA樣品中的纖維斷裂比CBA樣品中發(fā)生的纖維斷裂更大。另一個可能影響結(jié)果的差異是，PA6材料是在更 高的熔體溫度下加工的，這可能使發(fā)泡劑從注射筒的進(jìn)料區(qū)泄漏。另一種可能性是PA6的較高粘度可能阻礙了發(fā)泡過程中氣泡的形成。

Roch指出：“通過將化學(xué)或物理發(fā)泡劑與呼吸 模技術(shù)相結(jié)合，可以在一步中以適合大批量生產(chǎn)的速度生產(chǎn)出具有顯著質(zhì)量降低潛力的增強(qiáng)夾層復(fù)合材料?！? “鑒于此，我們認(rèn)為這項(xiàng)技術(shù)對使用LFT 材 料的汽車模具制造商來說會很有趣?！?

?這項(xiàng)技術(shù)的工作仍在繼續(xù)，在今年底特律舉行的SPE ACCE（2016年 9月7-9 日）上，Roch 將發(fā)表一篇關(guān)于使用這項(xiàng)技術(shù)為下一代寶馬7系汽車（德國慕尼黑寶馬公司）生產(chǎn)空氣導(dǎo)流板的論文。共成型部件使 用硬 PP 和軟熱塑性彈性體（TPE- thermoplastic elastomer） 加上透氣模具技術(shù)，與固體共成型部件相比，材料使用量減少了20%。?

注：原文見，《?Breathing-mold process yields sandwich composite from LFT》?2016.6.8.?

楊超凡?2023.8.14

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