用于热塑性发泡注塑成型的柔性改装套件

热塑性发泡注塑成型（TFIM）绝非新技术，但该工艺在许多领域的应用仍在不断开发中。特别是，不断上涨的原材料价格和能源成本带来了更大的压力并且亟需做出节省注塑成型成本的决策。此外，设备供应商及其客户在过去十年里确实展示了大量成功的应用。循环经济推动这种工艺材料既可用于薄壁解决方案又可用于传统厚壁部件生产。

标题图：小孔隙大不同（显微图）——发泡能够减轻制件重量、消耗更少资源并改善二氧化碳平衡 © Zimmermann

众所周知，TFIM工艺的优势在于减轻制件重量、低翘曲、缩短周期、更大的部件设计自由度以及降低锁模力的潜力——对不同的应用会产生不同程度的影响。如果在部件开发的早期阶段就朝着发泡方向考虑来制定合格的流程，那么成功将唾手可得。

物理发泡注塑成型的三种类型

从投资成本来看，化学发泡不可或缺，它有大量的发泡剂可供选择。但是，其所带有的化学成分却不尽如人意，并且可能在连续生产过程中大大增加材料成本。在这种情况下，加工商可以选择三种可行的物理发泡注塑工艺，它们采用的是完全不同的方法（图1）。这些高科技解决方案中的首选方法是将发泡剂气体注入已充满熔体的塑化单元。然后，将熔体和气体混合物均质化。为了确保这一点，该技术的供应商选用了特殊螺杆，辅之以剪切和混合元件。该解决方案无疑提供了最大程度的工艺自由度，但同时所需的投资成本也极高。

另一种方法是将经过高压釜加压的气体通过扩散直接进入颗粒原料。气体的吸收能力主要取决于颗粒本身。其优势是只需一个系统即可为多台机器提供充气颗粒原料。

由Zimmermann Formen- und Werkzeugbau GmbH公司实施的这一工艺（型号：ZiFoam）在颗粒原料仍处于固体状态时将气体注入其中。在高达40bar的工作压力条件下，颗粒与气体一起被吸入螺杆的进料区并塑化。

两个缓冲器、一个气锁和两个阀门

为了使ZiFoam设备（图2）在固体输送区域内保持气体压力，料斗法兰与螺杆和螺杆与在驱动侧的机筒内壁制件部分（图3）都需要密封。除此之外，操作该系统不需要任何其他特殊条件。生产系统上的气体供应装置、压缩空气连接装置（6bar）加上电气连接（220V）足以运行该系统。该工艺在注塑机和锁气装置之间并不需要单独操作界面。

图1：物理发泡的三个原理。上述商品来自Trexel、Wittmann Battenfeld、Arburg、Zimmermann和ProTec Polymer Processing（来源：Zimmermann；图：© Hanser）

ZiFoam设备位于塑化单元的进料区和物料输送机之间。该结构的上部区域装有一个闸阀，它控制着进入该系统的颗粒原料。闸阀打开后，规定数量的颗粒就会慢慢进入气锁的预进料缓冲器。然后，阀门1打开，颗粒继续流入气锁区。接着，阀门1锁定，工艺气体被输送到气锁区域，直到达到理想的工艺压力并能够打开下方的阀门2。然后，充满工艺气体的颗粒慢慢进入该系统的储备缓冲器。此时，运行压力仍然有效。当气锁区域的所有颗粒都流入储备缓冲区时，阀门2再次锁定。现在，储备缓冲器装满了工艺气体和颗粒。这些混合物通过螺杆被吸入并熔融。锁定后，气锁压力回落到环境压力，新的周期开始。

图2：ZiFoam气锁的结构：其工作原理需要两个阀门©Zimmermann

事实上，Zimmermann已经对不同的气体进行了研究，主要是氮气（N₂）和二氧化碳（CO₂)。但是，即使是传统的压缩空气有时也足以获得良好的发泡效果。原材料本身、所用气体的类型以及与影响压力的气体量都会产生不同的发泡质量。其目标是形成均匀的细孔泡沫结构。从部件的断线可以清晰地看到差异。如果孔隙太大，部件的强度特性将相应地变差（图4）。

表1：可实现的吞吐量取决于气锁直径（来源：Zimmermann）

灵活并易于调整

由于有不同吞吐量的各种设备规模可供选择，加工商可选择适合自己的气锁（表1）。25号小型气锁可实现高达0.33kg/min的吞吐量。如果是100号大型气锁，吞吐量可达6kg/min。

图3：操作ZiFoam气锁的优势和必要条件——包括两个用于维持气体压力的密封件（来源：Zimmermann；图：© Hanser）

这种物理发泡工艺的主要优势是什么？

该工艺适用于各种注射量以及众多塑料牌号。其特别之处在于该设备概念可根据现有机器进行调整。它对锁模力为5000kN的大型机器来说尤其有利。因此，新购一台专用机极有必要。此外，还应加大具有替代工艺的发泡技术的投资。

如果该注塑机不常用于发泡，气锁可保持待机状态。它有一种特定的模式可使待加工的颗粒直接通过。因此，注塑机可随时正常使用。

包含应急概念

一些注塑加工商日常坚持的应急概念是：如果用于批量生产的机器在X期间出现故障怎么办？如果使用了ZiFoam气锁，只需有第二台同类注塑机如上述这般密封即可。在不同的机器上对气锁进行简单地改装只需若干小时。如果气锁发生故障，Zimmermann还可迅速提供相应的替换系统。

图4：泡沫结构受气体类型和数量以及所用聚合物等因素的影响 © Zimmermann

针对生物塑料、木塑复合材料（WPC）和长纤维填充材料等敏感材料的加工，该概念具有的优势——或者更确切地说劣势是不需要特殊螺杆来发泡。它可以继续使用适用于这种材料的螺杆。这些材料不会过度降解，长纤维也不会出现不必要的断裂。但是，针对这些特殊材料，仍然建议通过初步测试来评估TFIM工艺的潜力。在这种情况下，有必要花点时间在Zimmermann试验工厂的试验设备上对设想材料和类似产品进行测试。

宝贵的经验值

一般来说，作为发泡部件产品开发的一部分，建议在早期阶段进行技术讨论。小细节往往会导致后来的问题或成为潜力未得到充分利用的原因。

发泡开辟了以不同于以往的方式设计部件的可能。通过填充期间或之后机器或模具的吸收工艺，通常会产生或局部产生更大的壁厚，这些区域通常会高度发泡。因此，可用于生产具有高弹性模量的部件，即重量轻强度好。

总之，ZiFoam生产线有助于进军物理发泡。注塑机的必要准备需要一笔合理的财务支出；密封所需的停机时间也在可接受的范围内。ZiFoam生产线适用于不同尺寸的注塑机。例如，如果在锁模力为10,000kN的机器上发泡的利用率仅为40%，那么在剩余时间内，ZiFoam 生产线仍可以在较小的机器上继续发泡。通过这种方式，气锁可以得到高效的利用。用户可以通过在不同尺寸的机器上安装气锁来获得不同的产品经验。

本文翻译自KUNSTSTOFFE INTERNATIONAL杂志
作者：Michael Neumann

来源：荣格-《国际塑料商情》

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