高质量低成本的MuCell微发泡注塑成形技术.docx
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高质量低成本的MuCell微发泡注塑成形技术
微孔发泡技术发展概述
上世纪80年代，美国麻省理工学院（MIT）首先提出微孔发泡的概念，希望在制品中产生高密度的封闭泡孔，从而在减少材料用量的同时提高其刚性，并避免对强度等性能造成的影响。
Trexel公司于上世纪90年代中成立并获得MIT的所有专利授权，将微孔发泡技术商品化并继续大力发展，现在已在世界各地获得70多个相关的专利。
MuCell现已成为了一个非常成熟的革新技术在全世界被广泛使用。
图1 加入Mucell系统的注塑机
MuCell微孔发泡技术的使用先从美国、欧洲开始，再延伸到日本及东南亚等地区，虽然在中国刚刚起步，但经过一年多的发展，用户正在迅速增长。
经过多年来全球不同用户在商业设备、汽车部件、电子电器等各种产品中大批量生产使用，MuCell微孔发泡技术的优点得到了验证，用户在提高产品质量的同时获取了更高的经济回报。
基本原理
微孔发泡成型过程可分成三个阶段：
首先是将超临界流体（二氧化碳或氮气）溶解到热融胶中形成单相溶体；然后通过开关式射嘴射人温度和压力较低的模具型腔，由于温度和压力降低引发分子的不稳定性从而在制品中形成大量的气泡核，这些气泡核逐渐长大生成微小的孔洞。
图2微泡成型过程
发泡后的制品横切面放大图如下，我们从中可以明显看到表层还是未发泡的实体层，这是由于模具温度较低，表面树脂冷却迅速，细胞核没有成长的时间，所以还是未发泡的实体。
图3发泡体的结构
MuCell的加工流程
我们来看一下MuCell的运作流程图：
首先氮气或二氧化碳经过超临界流体控制系统产生超临界流体，再输出到射人界面，通过射入界面打人注塑机螺杆的搅拌区，热熔胶和超临界流体在搅拌区内充分溶解形成单相溶体，并在一定的恒定压力下保持下来，当注塑机发出射胶指令时，开关式射嘴将会打开将单相溶体射人模具的型腔中，形成微孔发泡产品。
图4Mucell技术流程
使用MuCell必须在注塑机上装上特别的螺杆和炮筒，工艺特点如下：
螺杆具有特殊的螺纹设计
超临界流体被射人搅拌区后，需要特殊螺纹来切碎超临界流体，使之与热熔胶充分溶解从而形成单相融体。
单相融体必须保持在一定的高压下才不会离析
Trexel注塑机的螺筒有单向止逆阀和开关式射嘴设计，从而在螺筒前端的射出段形成一个密闭高压区间。
下图用汽水瓶形象地进行了说明：
注射时，开关式射嘴打开，就如同汽水瓶的盖子被打开一样，单相融体瞬间注人模具型腔开始发泡。
图5Mucell注塑工艺
用户也可以在现有注塑机上进行升级，更换为Trexel特制的设备，如螺杆、螺筒，加装注射器和射入界面系统，外接一个超临界流体控制器来实现。
当然，也可以购买一些品牌已整和了这些特制部件的新注塑机。
MuCell的螺杆和螺筒是定制件，考虑与注塑机规格的配合，一般选用相若的螺杆直径，长径比通常是22：
1或24：
1，比普通的较长些。
值得一提的是，加装了MuCell之后，仍可以很方便切换回传统注塑，用户可以根据需求灵活安排生产。
技术特点及优势
MuCelt微孔发泡成型主要是靠发泡体的成长来填充产品，是在一个较低而平均的一个压力下进行，不像传统注塑成型要靠模板不断保压。
所以，产品的内应力大大减小，不同位置的收缩也变得非常平均。
MuCelI微孔发泡技术降低成本
MuCell成型具有很多的特点：
树脂黏度降低令流体的流动性更高，这样可以减低溶胶的温度，模温和射胶压力低，塑件稳定，成型视窗大。
MuCell工艺通过下列途径降低了生产的成本：
可以采用较低的压力注塑更平整、更笔直、尺寸更稳定，而没有缩水的部件；
提高了注塑工艺水平，减少了注塑和装配的不良率；
因尺寸更稳定，可减少模具尺寸反复修改，从而降低模具设计和制造成本；
降低锁模力40-80％，减少毛边，降低能耗，延长了模具寿命；
可以考虑使用更低吨位的注塑机或使用多模腔；
注塑周期缩短20-30％，增加生产效率，降低能耗，从而降低运营成本；
一般减少材料用量8-15％，更可以设计具有薄壁结构的制品来更加降低制品的材料成本；
一些金属部件可以用塑胶件取代，可以设计厚度变化比较大的产品。
高质量低成本的MuCell微发泡注塑成形技术
在注塑成型生产中，常常出现各种质量问题，如：
收缩不均导致的部件尺寸不稳定和内应力问题、缩水痕、平直度不好、同心度或圆度不够、动平衡性不高、难填充等问题。
目前，随着MuCell微发泡成型工艺的应用，使上述问题得以解决。
MuCell微发泡成型工艺主要是依靠气泡的成长来填充产品，因此其成型过程是在较低而平均的压力下进行的。
由于不像传统注塑成型那样需要机器的不断保压，因此产品的内应力大大减小，不同位置的收缩也变得非常平均。
MuCell?
微发泡成型工艺过程可分成三个阶段：
首先将超临界流体（CO2或N2）溶解到热熔胶中，以形成单相熔体并使之保持在高压下；然后，单相熔体通过开关式射嘴被射入到温度和压力较低的模腔中。
由于温度和压力的降低，因此引发了分子的不稳定性，从而在制品中形成大量的气泡核。
最后这些气泡核逐渐长大生成微小的孔洞。
通常，制品的表层是未发泡的实体层,这是由于模具温度较低，表面树脂冷却迅速,从而使气泡核没有成长时间而导致的未发泡。
在成型过程中，由于单相熔体的形成，使树脂的黏度降低，从而流动性更高，这有利于降低熔胶温度、模温和射胶压力，使塑件的成型更稳定，成型视窗变大。
MuCell微发泡成型原理
使用MuCell工艺时，要求在注塑机上安装特别的螺杆和机筒。
一般，当超临界流体被射入搅拌区后，需要特别的螺纹来切碎超临界流体，使之与热熔胶充分溶解从而形成单相熔体。
因此，MuCell螺杆采用了特殊的螺纹设计。
此外，由于单相熔体必须保持在一定的高压下以不至于出现离析，需要使用特殊的机筒。
Trexel的机筒采用单向止逆阀和开关式射嘴设计，从而可在机筒前端的射出段形成一个密闭高压的区间。
当注射时，开关式射嘴打开，单相熔体瞬间被注入到模具型腔中开始发泡。
通常情况下，用户只需要更换Trexel特制的螺杆和机筒，并加装注射器和射入界面系统，以及外接一个超临界流体控制器等，即可实现对现有注塑机的升级。
另外，也可以在购买部分品牌的新注塑机时，直接在注塑机制造厂整和这些特制部件。
一般，用于MuCell工艺的螺杆和机筒是定制件。
考虑到与注塑机规格的配合问题，可以选用相近的螺杆直径，长径比通常是22:
1或24:
1。
值得一提的是，加装了MuCell工艺装置后，还可以很方便地切换回原来的注塑系统中，使用户可以灵活地安排生产。
MuCell微发泡注塑成型工艺适合于目前几乎所有的热塑性材料。
出于经济性和产品品质的要求，目前该工艺主要应用于品质要求较高、材料较贵的产品上。
对于一些外观要求较高的产品，可以将MuCell工艺与表面喷涂或模内装饰技术（IMD）结合起来使用，以获得无缩水痕、更平直、外观更好的产品。
目前，MuCell微发泡注塑成型工艺在汽车行业中得到了广泛应用，主要应用包括：
发动机罩和动力系统部件，电气/电子部件，变速箱，运动部件，采暖、通风、空调和散热系统部件，风扇护罩，阀门外壳，密封部件，门板，手套式操作箱，扬声器外壳等。
用一个工序成型出高质量的柔触内饰件
通常，柔软触感的汽车内饰件如仪表板等需要采用多个生产工序、经聚氨酯发泡后才能被最终生产出来。
对此，一年前在ENGEL公司的一个研讨会上，人们提出了一种新的生产观念，即通过引入MuCell微发泡注塑成型工艺，以便在一台设备上完成制品的注塑成型和发泡成型过程，从而减少目前过多的生产环节。
这一新的生产观念被称作“Dolphin技术”，利用该技术，能够以较低的成本和较高的生产效率生产出高质量的、具有柔软触感的汽车内饰部件，如仪表板、中控台和仪表板上的小型工具箱等。
据介绍，新一代的Dolphin技术不采用像聚氨酯这类的热固性材料，取而代之的是利用MuCell微发泡注塑成型工艺，在A面表皮的背部形成泡沫层，从而只需要一个生产工序就能方便地生产出柔触内饰部件。
而传统技术却十分耗时，通常需要三个独立的操作过程，其中还涉及到不同类型的塑料材料，包括：
仪表板骨架的成型、柔触表皮的生产，以及骨架与表皮的复合，这些独立的操作都是在不同的设备上进行的。
MuCell微发泡成型工艺的硬件系统
在该研讨会上，一台ENGEL的双组分大容量DUO11050/4550/1500CombiM系列注塑机，演示了采用Dolphin技术生产柔软触感的客车仪表板的过程。
首先，采用玻纤增强的PBT/ASA合金（BASF的UltradurS4090IGX）材料注塑成型仪表板骨架，然后利用MuCell工艺，使用专用的聚酯材料（Pibiflex，P-Group公司的预发泡热塑性聚酯泡沫）进行包覆成型。
据说这两种材料之间的化学吸引力足以确保获得很好的粘接效果。
该生产中所使用的ENGEL注塑机的合模力可达到15000kN。
该设备的特点是，有两个面对面布置的注射单元，在一个中心转台上有两套模具，中心转台的控制则被集成在设备的控制系统中。
因为只需要一个生产工序，因此从物流的角度考虑，与传统的多层泡沫制品生产技术相比，新技术的生产速度更快、更经济、更简单。
利用该技术，可以使用目前所有的热塑性塑料方便地生产出具有柔软触感的产品。
与传统工艺中所使用的不可回收的热固性塑料相比，Dolphin技术生产的制品能够回收利用，而且最大程度地降低了生产中的运输成本。
为尼龙引擎盖带来更高的表面质量
目前，一些汽车行业的客户希望采用MuCell微发泡成型工艺生产外观产品。
为此，Trexel与Rhodia展开了合作。
根据合作协议，作为合作一方的Rhodia负责为MuCell微发泡工艺积极开发和推广经优化的新材料，合作的另一方Trexel将得到Rhodia的独家授权，从事聚酰胺的应用。
Trexel和Rhodia的战略合作目标是，共同为聚酰胺产品提供新的应用价值。
例如，为引擎盖下的应用，如摇杆盖和进气歧管等部件带来新的价值和性能，从而为新一代的热塑性聚酰胺在前端模块的应用开发方面提供技术支持。
在NPE2006展会上，Trexel和Rhodia聚酰胺工程塑料业务单元共同推出了由Rhodia专为MuCell微发泡工艺开发的新型玻纤增强的TECHNYLXCell和TECHNYLXcellPA6级别的尼龙产品。
据说，该新型尼龙树脂材料具有良好的流动特性，当采用MuCell微发泡工艺进行生产时，表现出了良好的性能稳定性，可使最终产品在保证机械性能不变的情况下，还可获得极佳的外观效果。
采用Dolphin技术能够在一个生产工序中生产出柔软触感的汽车内饰件，
如仪表板外壳，而传统的工艺通常需要三个工序
Rhodia与Trexel战略合作的一个重要行动是，与位于德国Dillenburg的Weber公司合作，使用Weber为欧洲一家重要的OEM设计的用于生产引擎装饰盖的系列模具进行工业化试生产。
尽管没有对模具进行任何改动，但仍然生产出了外观质量很好的产品。
据了解在NPE展会上展出的引擎装饰盖是由位于奥地利Braunau的EKBElektro-undKunstofftechnikGmbH公司试制生产的。
在生产中，该公司采用了500t的注塑机和90mm的MuCell螺杆。
该工业化的试生产表明，TECHNYLXcell材料除了具有优异的刚性稳定性、热变形温度和缺口冲击性能外，还能节省10%的密度。
因此当被用于MuCell工艺时，其所带来的优势包括重量减轻、制品的翘曲变形小、注射成型快、注塑压力和模内应力都更低。
采用MuCell工艺和TECHNYLXcell材料成型的Weber引擎装饰盖具有出色的表面质量
“很多行业的用户已经体验到了使用MuCell微发泡工艺生产的制品所拥有的质量、性能、成本效益等方面的优势。
”Rhodia聚酰胺业务市场战略部总经理PhilippeGuinot说，“Weber引擎装饰盖的试制成功表明，Rhodia开发的TECHNYLXCell和TECHNYLXcellPA6级别的材料，以及经优化的MuCell工艺为制品带来了优异的力学性能，且保证了制品的表面质量。
”
“这个协议还涉及到由Rhodia负责对材料做进一步的改进，用以克服在材料被注射入模具中时，材料和模具之间有气流进入。
”Trexel的总裁兼首席执行官DavidBernstein说，“Trexel对MuCell微发泡工艺参数做了进一步的优化，包括注射面（profiles）、浇口尺寸、注射速度、模塑温度和熔体温度等，以期获得无可挑剔的表面质量。
其中关键在于材料配方的突破和工艺的持续优化。
”
减少结构部件的翘曲变形
SchefenackerVisionSystemsAustraliaPtyLtd的主要产品是汽车内饰，以及外饰中的后视镜和后视镜调节器，产品主要供应给澳大利亚的4家汽车制造商。
同时，其后视镜还供应给美国的Ford、日本的Mazda、Suzuki和Isuzu公司，而后视镜调节器则销售给该公司在法国、西班牙、英国和美国的姐妹公司。
因此，出口占到了该公司整个业务的80%。
2004年，Schefenacker开始进入汽车门把手市场，并从该项业务中获得了更多的收益。
Ford的表壳框架（CaseFrame）采用50%玻纤增强的PBT制成
最近，Schefenacker和Trexel一起，为Ford和Toyota开发了两种创新性的结构部件。
据Schefenacker的生产工程师JoeKennedy介绍，通常情况下，注塑生产中的关键因素是成型周期，但对于这两个项目，成型周期并不是他们考虑的重点，避免部件的翘曲、获得较好的尺寸稳定性才是这两种结构部件成型的关键。
“过去我们已经节省了10%的成型周期，现在我们采用MuCell工艺的目的是为了减少部件的翘曲变形。
我们从Trexel那里得到了很好的技术支持。
目前我们拥有3台可用于MuCell工艺的生产设备，另外还有一台正在订购中。
每年我们将为Ford提供35万套表壳框架（CaseFrame），为此项目我们将使用1～2台设备用于全日制生产。
”
Ford的表壳框架（CaseFrame）采用了50%玻纤增强的PBT材料，在一个双型腔的模具中成型，成型周期仅为46s。
生产该制品采用了420t的Arburg设备，但实际上其所需要的合模力仅为200t。
据Schefenacker称，实心制品通常需要650t的设备。
“制品最终的重量是754g。
我们减轻了10%的重量，而且翘曲变形确实减少了，尤其是在支架部位。
”Kennedy说。
使用MuCell微发泡工艺生产的HyundaiElantra的HVAC盖重量极轻，
同时还帮助降低了汽车的噪音
Toyota的门把手框（DoorHandleFrame）采用的是30%玻纤增强的尼龙材料，在一个4型腔的模具中成型，成型周期为40s。
制品最终的重量是85g，减轻了10%。
同时翘曲变形也明显减少。
该生产是在一台350t的Engel注塑机上完成的，所需要的合模力仅为100t，相比较而言，实心制品则要求350t的合模力。
“这些项目运作得很成功。
我们所追求的尺寸稳定性已经实现。
然而，如果没有MuCell?
工艺，这些目标是无法实现的。
”Kennedy说，MuCell工艺帮助该公司减少了制品的翘曲变形，同时制品重量的减轻和成型周期的缩短还为其带来了额外的利润。
缩短车锁壳体的成型周期
一家大型的车锁系统生产商获得了北美一家OEM的大订单，为该OEM提供车锁壳体（lockhousing）。
为此，该公司采用了位于德国Espelkamp的ErwinQuarderSystemtechnik公司为其提供的产品设计、模具和塑料壳体的生产方案。
ErwinQuarder提供的创新性方案被称为“Tandem模具”。
这一高设计水平的模具通过与MuCell微发泡工艺的结合，大幅度缩短了产品的成型周期。
Tandem模具使用了叠层模具（adoubledaylightmold）的概念，即在两个型腔中轮流注塑，当一个制品冷却时，注塑另一个制品。
在全合模力的作用下，模具处于关闭状态以完成注塑和保压过程。
MuCell微发泡工艺与Tandem模具的结合所带来的最大好处是，缩短了保压时间。
在ErwinQuarder的工业化试生产中，与传统的、使用单层模具生产实心制品的注塑成型相比，使用Tandem模具节省了33%～35%的成型周期。
然而，当Tandem模具与MuCell微发泡工艺结合使用后，成型周期可节省50%以上。
基于目前的成功经验，ErwinQuarder正在制造一个“4+4”的Tandem模具，以采用MuCell工艺生产车锁壳体。
该公司将在德国采用420t的Krauss-Maffei设备进行试制，然后转向北美进行批量生产，届时Trexel也将提供一整套技术支持。
用于TPV耐候密封条的生产
目前，ExxonMobilChemical在日本Chidori的SantopreneTPV技术开发中心安装了一条用于MuCell微发泡工艺的TPV挤出生产线。
SantopreneTPV技术开发中心主要支持地域性的TPV开发项目，为亚洲汽车行业开发耐候性MuCellTPV密封条，重点是针对韩国和日本的客户。
另外，该技术开发中心还为其他地区开发新的应用。
据ExxonMobilChemical介绍，该公司专为MuCell微发泡工艺而设计的新型SantopreneTPVF150级材料克服了传统TPV材料的很多弱点和不足，同时还提高了材料的弹性、柔软性、可发泡性和表面性能。
与传统的不可循环利用的EPDM橡胶耐候密封条相比，该TPV材料制成的耐候密封条不仅可循环利用，而且重量更轻，并有更多的颜色可供选择。
针对目前日本和韩国的很多汽车厂商对TPV耐候密封条的迫切需求，SantopreneTPV技术开发中心将首次采用Berstorff的挤出生产线以及MuCell微发泡工艺进行耐候密封条的生产。
Trexel公司首席执行官DavidBernstein介绍说，目前在欧洲及世界其他地区，已有很多耐候密封条的生产商安装了Berstorff的设备。
基于Berstorff设备的应用基础，生产商可以方便地对Berstorff设备进行升级，用于MuCell微发泡工艺来生产TPV耐候密封条。
高尺寸稳定性的HVAC系统盖
通常，在汽车的HVAC系统中，冷却风扇产生的强大空气流被用于吹散引擎散热器和压缩机的热量。
这往往带来很大的噪音，带给人不舒适的感觉。
为此，Hyundai在其Elantra车上安装了采用MuCell微发泡工艺成型的轻型高性能的HVAC系统盖，从而为驾乘者带来了舒适的感觉。
尽管HVAC系统盖不属于高性能部件，但由于这一部件位于引擎盖下，常常处于极高或极低的环境温度中，因此提高该部件的尺寸稳定性非常重要。
对于韩国的汽车制造商而言，MuCell微发泡工艺是一项较新的技术，为了确保该工艺的可靠性，他们在试生产的过程中，对采用该工艺生产的不合格品率与传统注塑成型方法进行了仔细的对比，结果令人满意。
此外，他们利用该工艺还减轻了9%的部件重量。
Trexel在韩国的合作伙伴PlusHUB的市场总监.Lee说：
“很多制造商都在寻求各种方法，以期降低部件的成本，但是，真正有效的方式是减轻汽车的重量，以此来降低生产成本。
Hyundai的HVAC系统盖的生产就是一个很好的例子。
采用MuCell微发泡工艺能优化生产工艺，得到高质量的制品，从而使部件获得良好的尺寸稳定性和使用性能，以及更轻的重量，并且能帮助降低汽车的噪音。
”
微发泡聚合物材料是指以聚合物材料为基体，其中含有泡孔尺寸从小于一微米到几十微米的多孔聚合物材料。
常规的物理或化学发泡法制备的泡沫塑料由于其孔径较大，通常不属于这一范畴，与一般泡沫塑料毫米级的泡孔相比，微发泡聚合物的泡孔要小得多，而泡孔密度要大得多，因而称为微发泡聚合物。
发展概述
上世纪80年代初，美国麻省理工学院（MIT）首先提出微发泡塑料的概念并发展了相应的成型技术。
提出该概念是希望在聚合物基体中引入大量比聚合物原已存在的缺陷尺度更小的空隙，从而在减少材料用量的同时提高其刚性，并避免对强度等性能造成明显的影响。
这种工艺制备的微发泡材料孔径一般小于10微米，尤其突出的是泡孔密度非常高，达到109-1015个/cm3。
微发泡成型过程可分成三个阶段，首先是将超临界流体（主要是二氧化碳和氮气）溶解到聚合物中，并形成聚合物/气体的单相溶液；然后，通过温度或压力等条件引发体系的热力学不稳定性，使得气体在溶液中的溶解度下降；由于气体平衡浓度的降低，从而在聚合物基体中形成大量的气泡核，然后逐渐长大生成微小的孔洞。
许多人认为超临界流体应用于聚合物加工只是处于实验室的研究，实际上，这种方法的商业应用早就开始了。
20世纪50年代始，超临界乙烯就已用于大规模制造低密度聚乙烯。
进入21世纪，Trexel公司与MIT合作，首先利用这种技术实现了微发泡注塑的商业化应用。
据报道，Reedy国际公司也开发了类似的挤出微发泡装置。
关于聚合物微发泡成型技术已有大量的文献报道，研究以无定型和半结晶型聚合物微发泡材料的成型过程为主，如聚氯乙烯（PVC）、聚苯乙烯（PS）、聚碳酸酯（PC）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）和聚?
（Polysulfone）等。
加工技术方面的研究主要涉及微发泡挤出、微发泡注塑、微发泡吹塑及旋转模塑等。
从事微发泡技术研究并取得较显着研究成果的单位主要有美国的麻省理工学院、威斯康辛—迈迪逊大学、佐治亚理工大学、加拿大的多伦多大学、德国的GKSS研究中心、荷兰的特文特大学等。
发展现状
1997年，在与MIT合作的基础上，Trexel公司率先开始了微发泡注塑成型技术的产业化研究。
其第一台用于研究的注塑机是Engel的150吨螺杆和活塞式注塑机，后来采用了往复螺杆式注塑机。
直到2000年，Trexel公司在芝加哥的国际塑料博览会上首次推出其微发泡注塑成型机的商业产品。
与此同时，许多日本、欧洲和韩国等国家的公司也一直致力于微发泡注塑成型工艺的开发。
目前以Trexel公司的Mucell?
为代表的超临界流体制备聚合物微发泡材料技术已经得到了广泛的认可，许多世界知名的设备和原料厂商都购买了这种技术的专利使用权，包括Arbug、Demag、Engel、Milacron、Husky、KraussMaffei、Battenfeld、Dupont、JSW、Toshiba等知名公司和企业。
可以说，微发泡注塑成型技术正在由单纯的理论和实验研究转向成熟的商品化开发。
尽管这个阶段经历了将近20年的时间，但这种商业化开发的模式及其成功经验预示着新的加工技术在今后要实现产业化将变得越来越容易。
正如微发泡技术的创始人MIT的教授所说，这种技术绝非仅仅是能够节约材料那么简单，其所带来的各种益处将在今后各种应用中逐步体现出来。
这种技术的成功开发，可以说是高校和产业界携手合作的典范。
实践证明，只要在一个经过严格论证的框架下进行合作，研究单位和产业界都能够从类似这样的合作中获益。
微发泡注塑成型制品的主要特点是在基本保持制品原有力学性能的基础上减轻重量。
同时，由于制品内部几乎没有任何残馀应力，因此制品的翘曲和变形可以得到很好的抑制。
而且，由于能有效地防止收缩痕，因此对制品壁厚均匀度的要求大大降低，从而为制品
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