Moldex3D模流分析之发泡预测模型

塑料发泡射出制程中，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，可以仿真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(图一)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。

图一 抽芯过程示意图

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(如图二右上角所示)，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(图三)。

图二 气泡萎缩实验

图三 模拟结果与实验比对

以往使用Han and Yoo 模型进行肉薄几何仿真时，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(图四)。与原有的Han and Yoo 模型比较后可发现，使用Modified Han and Yoo 模型可以较精准地预测出这些萎缩的气泡(图五)。同理，若将此模型应用于抽芯制程，亦可更精确得知气泡全部溶回熔胶所需要的保压时间。

图四 Moldex3D 2021新增了Modified Han and Yoo选项

图五 Han and Yoo与Modified Han and Yoo模型功能比较

发泡制程非常多样且复杂，应用范围也很广泛，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，将有助于热传、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。

Reference

[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.