2021年4月雜誌專題發泡技術

MuCell 微發泡成型技術發展和最新應用

■ Trexel Asia / 唐錦榮 亞太區 執行董事

 

前言

自美國麻省理工學院發明MuCell 微發泡成型技術至今,30 年以來,MuCell 微發泡成型技術已廣泛應用於全球包括汽車,工業和消費類等多種行業。作為該技術的獨家許可,Trexel Inc. (美國卓細公司),一直致力研發和拓展此項技術的應用。此文章將重點介紹MuCell 微發泡成型技術在薄壁包裝、吹塑、製鞋、外觀件等領域上的最新應用趨勢,以及衛星式微發泡系統的最新技術。

圖1:超臨界流體SCF 與聚合物單相熔體在塑化過程中的形成過程

技術原理與特點

MuCell 微發泡成型技術(簡稱以下MuCell 工藝)是將氮氣(N2) 或者是二氧化碳(CO2) 在塑化過程中注入料筒內的塑膠熔融中,經過混煉及在塑化過程完成後,會產生出物理發泡劑與塑膠熔融的單相熔體。隨著射出後的壓力釋放,以及泡孔成核、成長的過程,會在塑件中形成微孔結構(見圖1)。相對於實體成型工藝,MuCell 工藝特顯「降低成本」、「設計自由度高」、「可持續性高」、「投放市場快」等優勢。

 

薄壁包裝產業中的應用

為了節省成本,薄壁包裝產品的壁厚設計得越來越薄,造成射出成型時充填的困難。透過超臨界氮氣或者二氧化碳,MuCell 工藝可以改善塑膠熔融的流動性,使得產品薄壁化設計得以實現,同時也減少成型的射出壓力,令到充填變得更加容易。

針對薄壁包裝產品成型週期短這個特點,以及Trexel多年來在此行業的瞭解及客戶實際經驗的反饋,研發出一套專門用作薄壁包裝產品的MuCell 微發泡系統(簡稱為P 系列系統,P 代表「包裝」 Packaging)並且在2019 年的德國K 展作出工藝展示。此系統可以在很短的成型週期內,提供極快的工藝參數反應以及維持非常精準的注汽量。

圖2 是一些薄壁包裝產品,大部分都是食品類的應用,除了減省材料外,還降低了射出壓力及鎖模力。圖3顯示了黃油盒的實際效益。在一些特殊應用,MuCell工藝也能打出透明產品(見圖4)以及在包裝貼標造成突字的特殊效果。相信在未來的日子,MuCell 工藝在薄壁包裝的應用會越來越多元化及廣泛。

 

汽車吹塑成型零組件的應用

作為射出成型行業提供輕量化解決方案的領軍企業,Trexel 已將MuCell 工藝方案延伸到吹塑工藝的汽車零部件上。與主機廠和一級汽車配件供應商密切合作,塑膠零部件輕量化的需要已經不只是在內飾、結構件的射出成型減重應用。

在德國、韓國、日本汽車行業已經有很多車型上運用了MuCell 吹塑工藝應用。圖5 中的零件是壁厚為1.5- 2 毫米的風道。由於使用MuCell 工藝,其密度下降為41%,與實體相比,成品的淨重可減輕32%。MuCell 吹塑成型零部件的商業開發包括設計和材料優化,相比實體成型零部件,其減重可大於40%。其除了減輕重量,與實體吹塑零部件相比,還有一些令人滿意的特性:微孔結構改善了熱絕緣及降噪特性。MuCell 工藝是一種物理發泡工藝:工藝操作視窗較為寬闊,並且最重要的是,由於沒有添加任何化學材料,原料的化學性質不會因工藝而有所改變,所以MuCell工藝造出來的零部件可回收再利用,實現了節能減排的社會需求。

 

鞋業中的應用

眾所周知,MuCell 工藝在汽車行業應用非常廣泛,圖6 中的應用便是利用到塑件內蜂巢般的微孔結構能提供良好衝擊吸收作用的特性,原材料是TPU、TPE 等軟膠類物料。

利用類比思維模式,Trexel 與合作夥伴經過多年的努力,MuCell 工藝也在運動鞋的製鞋應用領域上展開。著名運動鞋品牌New Balance 發佈了使用了MuCell工藝來製作跑鞋的中底的消息(見圖7),相對以傳統發泡方式製造的跑鞋元件,以MuCell 工藝製造出來的元件具有較高的回彈性、吸震功能及耐用性,客戶體驗也有所提高。

除了一些運動鞋的品牌公司,亞洲的一些大學院校及射出機的材料研發團隊,鞋材研發機構以及塑膠材料供應商也在近年紛紛把資源投放到相關領域中,務求把MuCell 工藝在運動鞋的應用推到極致,使產品更輕盈舒適以及更具回彈腳感。如前文所述,MuCell 工藝是一種物理發泡工藝,這個「綠色」工藝與眾多運動鞋品牌的公司的可持續發展的理念是一致的。

 

外觀零件上的應用突破

塑膠行業的發泡成型工藝中,不管化學發泡還是物理發泡都會對零外觀零件的應用有所限制,因為只要有泡孔結構的零件,其一般會存在氣紋的現象。Trexel一直在探索解決把MuCell 工藝應用在外觀零件的方案。其中一個方案是把MuCell 工藝結合變模溫技術(variotherm molding technologies),零件表面的氣紋可以消除掉,達到A 級的外觀(見圖8)。另外,用戶也有在模具上採用特殊的陶瓷塗層來結合MuCell工藝生產零外觀。除此之外,一些材料供應商也有開發出及供應MuCell 外觀級別的PP& PA 材料,來滿足日益增長的用戶需求。

衛星式微發泡系統

隨著MuCell 工藝技術的進步以及應用行業的逐漸廣泛,Trexel 開發出衛星式MuCell 微發泡系統一系列的產品。衛星式MuCell 微發泡系統採用中央SCF(Supercritical Fluid,超臨界流體)供給系統和多臺的SCF 衛星控制系統組合的方式,可以實現一臺SCF系統對應多臺射出機的MuCell 工藝生產模式(見圖9)。用戶可根據需要在設備引入時預留資源空間以便未來增加MuCell 微發泡設備。相對一對一的微發泡設備組合,此系列產品可以為用戶節省採購設備的疊加投資。微發泡設備組合可根據用戶的生產現實情況作出配置以確保生產的可靠性、質量及連續性。


圖2:MuCell 工藝在薄壁包裝產業中的應用;圖3:MuCell 工藝在黃油盒的實際效益

總結

MuCell 微發泡工藝已得到眾多製造行業和消費者的認可,已成功地應用於各行各業數以千計之產品中。除了提高零件尺寸精度、改善變形、提升產品功能性(隔熱保溫、隔音降噪)以外,還可以提高生產效益(更短生產週期時間、更多物料節省、更便捷的產品及模具設計)。

本文簡述了該技術的一些最新應用。Trexel 預期MuCell 技術的應用將得到進一步拓展,並在各個行業中得到更廣泛及更深度的採用。Trexel 積累了豐富的產品和模具設計以及工藝優化方面的專業經驗,能全方位地支援用戶對該技術的應用。如有興趣或問題,請聯繫Trexel 卓細公司:sales.asia@trexel.com ■


圖4:MuCell 工藝透明塑料盒子;圖5:MuCell 汽車空調風道


圖6:MuCell TPU&TPE 汽車減震器;圖7:MuCell 跑鞋中底


圖8:MuCell 外觀元件上的應用;圖9:MuCell 衛星式微發泡系統

 

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SMARTMolding編輯部

《ACMT 模具與成型智慧工廠雜誌》(ACMT SMART Molding Magazine),將擴大報導,如「先進成型技術」、「3D 列印」、「模具製造」、「智慧工廠」、「數位化轉型」、「自動化」等領域,為讀者帶來更多全新內容。內容上未來也將對業界的企業進行一連串的採訪報導,報導範圍不會僅限於臺灣,同時預計也推出對華東、華南,以及東南亞等地區的各家企業進行採訪報導,帶各位讀者領略這些企業的崛起過程與成功經驗。

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