熱塑性塑料發(fā)泡注塑。能夠減輕重量且節(jié)約原材料，又能確保不變形且產(chǎn)量更高，這樣的工藝無(wú)疑滿足了業(yè)內(nèi)研發(fā)人員的所有幻想。雖然注塑專家一度對(duì)熱塑性塑料的物理發(fā)泡工藝持有懷疑態(tài)度，但MuCell工藝的橫空出世，特別是在輕量化結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的應(yīng)用，帶來(lái)了無(wú)限的潛力。

一涉及發(fā)泡工藝領(lǐng)域，許多專家不由自主地想到反應(yīng)技術(shù)。這一年，距離公認(rèn)的聚氨酯聚氨酯發(fā)明年份，已有76年。熱塑性塑料發(fā)泡注塑（FIM）誕生的年份比聚氨酯晚許多，只是從20世紀(jì)60年代起才被人知悉。跳過(guò)性能范圍和適用細(xì)節(jié)不說(shuō)，PUR和熱塑性塑料泡沫這兩種截然不同的材料卻有著相通的地方：應(yīng)用于輕質(zhì)化結(jié)構(gòu)的潛力。隨著聚氨酯日益廣泛的應(yīng)用，F(xiàn)IM卻未能與其并駕齊驅(qū)，盡管FIM算是*古老的特殊塑料加工技術(shù)之一了。

發(fā)泡注塑工藝的起源可以追溯到20世紀(jì)50年代。那時(shí)，“如果注塑成型產(chǎn)品出現(xiàn)表面凹陷，經(jīng)驗(yàn)豐富的注塑工人往往會(huì)添加一小撮發(fā)酵粉（大約0.05%）在材料表面”。這項(xiàng)工藝另一方面也會(huì)相應(yīng)地減輕元件重量，但這種影響在當(dāng)時(shí)卻不被注意。由于需要首先開(kāi)發(fā)與之匹配的推進(jìn)劑，所以發(fā)泡結(jié)構(gòu)及其元件較低密度的特性，在若干年后才**走進(jìn)帶來(lái)利潤(rùn)。在70年代早期開(kāi)始，熱塑性塑料發(fā)泡產(chǎn)品起初使用化學(xué)推進(jìn)劑。而在那時(shí)，KraussMaffei就已經(jīng)開(kāi)始嘗試研發(fā)更完善和定義好的發(fā)泡結(jié)構(gòu)，在中降低了合模壓力，密度在0.3到0.6 g/cm3之間且表面無(wú)凹陷的注塑元件。作為FIM的分支，以直接充氣的方式使用物理推進(jìn)劑，在上述中理論上具有可行性。其原理是在高壓之下使用發(fā)泡劑，直接進(jìn)入充滿熔體的螺桿螺紋。該工藝在當(dāng)時(shí)的制造業(yè)中被用于裝飾內(nèi)襯、家用元件和電插頭連接器，但由于使用的推進(jìn)氣體因生態(tài)環(huán)保因素而被禁止使用，導(dǎo)致該工藝*終被化學(xué)工藝所取代。

戰(zhàn)略失誤的彎路
美國(guó)馬薩諸塞州威爾明頓的Trexel有限責(zé)任公司在20世紀(jì)90年代末期，采用MuCell加工工藝，并進(jìn)行了改良和改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了當(dāng)時(shí)***重要突破。80年代末*初由馬薩諸塞州技術(shù)研究中心(MIT)研發(fā)，工藝*初目標(biāo)應(yīng)用于擠出。后于2000年初，工藝才聚焦在了注塑。然而，其間若干戰(zhàn)略失誤阻礙了該工藝的迅速傳播——除技術(shù)設(shè)備成本外，Trexel還向用戶收取許可證費(fèi)，費(fèi)用金額基于每年的產(chǎn)出。自2005年年底起，Trexel不再向用戶收取這項(xiàng)費(fèi)用，但是這一對(duì)用戶如此重要的信息卻沒(méi)有及時(shí)在整個(gè)塑料行業(yè)傳播開(kāi)來(lái)。另一戰(zhàn)略失誤是市場(chǎng)營(yíng)銷策略。Trexel*初聚焦在擠出領(lǐng)域，卻在識(shí)別潛在客戶和OEM方面顯得很不明智。該公司將目標(biāo)客戶群定位為塑料加工商和模具制造商，但經(jīng)驗(yàn)卻顯示出這些群體對(duì)項(xiàng)目相關(guān)加工技術(shù)的決策影響十分有限。導(dǎo)致的結(jié)果是，這一新工藝僅局限于內(nèi)部人士的小圈子內(nèi)傳播。在此過(guò)程中，Trexel對(duì)策略加以調(diào)整，也在一定程度上增加了用戶和OEM對(duì)該技術(shù)的興趣。

作為首批設(shè)備制造商之一，德國(guó)慕尼黑的KraussMaffei從初始便與Trexel合作。隨著標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備方面的順利開(kāi)展， KraussMaffei在2001初就已經(jīng)出包含所有MuCell系統(tǒng)的產(chǎn)品系列。

配備氣體噴嘴的塑化單元
采用上述物理發(fā)泡進(jìn)行充氣注塑成型，其實(shí)操作原理十分簡(jiǎn)單。先決條件是全自動(dòng)注塑設(shè)備、定位控制螺桿和增加注塑量，有特殊設(shè)計(jì)螺桿的塑化單元是系統(tǒng)的核心。氣體以超臨界流體（SCF）直接注入進(jìn)塑料熔體，從而在螺桿中產(chǎn)生單相均質(zhì)溶液。止逆閥會(huì)阻止氣體/熔體混合物過(guò)早地向進(jìn)料口擴(kuò)散，且設(shè)備的自鎖噴嘴會(huì)在前端阻止熔體。氮?dú)饣駽O2被用作推進(jìn)劑（見(jiàn)圖1）。

在整個(gè)周期中，重要的一點(diǎn)是，用這種方式，塑化單元中的熔體壓力——且也可能在熱流道系統(tǒng)中——有可能不會(huì)下降到SCF熔體壓力之下。這就是為什么螺桿一定要具備定位控制（“主動(dòng)背壓”），這也保障了即使在**門打開(kāi)的情況下，壓力也得以保持。也出于同樣原因，設(shè)備在操作時(shí)使用針閥噴嘴，或者在熱流道模具配備栓式噴嘴，這樣當(dāng)合模單元打開(kāi)時(shí)，噴嘴接觸力會(huì)減小。為了應(yīng)對(duì)壓力下降，并且因此發(fā)泡工序開(kāi)始的端口需要盡可能遠(yuǎn)離填充環(huán)節(jié)的末端，而為了確保在流道末端也正常發(fā)泡，整個(gè)注塑過(guò)程**非常迅速地進(jìn)行。因此，這就要求設(shè)備**具有很高的注塑產(chǎn)能。

氣體作為物理發(fā)泡劑的使用，降低了熔體黏度，這極其有利于快速注塑。當(dāng)單相溶液進(jìn)入模腔， 壓力下降，氣泡形成，這樣熔體就開(kāi)始發(fā)泡。與化學(xué)發(fā)泡截然相反，MuCell工藝中使用大量的精細(xì)分布微粒。這種精細(xì)分布確保了許許多多細(xì)小、尺寸相同且緊密排列的微泡的形成，這些微泡的直徑小于100 μm。從成品的橫截面圖可以看到整體泡沫結(jié)構(gòu)，低密度的發(fā)泡內(nèi)芯包覆在高密度的薄壁、壓實(shí)的包覆層之內(nèi)。盡管表面呈閉合，但是實(shí)心注塑產(chǎn)品的質(zhì)量卻大大減輕。

發(fā)泡熔體補(bǔ)償收縮
熔體的發(fā)泡可補(bǔ)償模具壁上的收縮，因而，發(fā)泡所需的合模壓力會(huì)相對(duì)低很多，甚至在理想狀態(tài)下根本無(wú)需合模壓力。與此相通的內(nèi)部模具壓力也比實(shí)心注塑實(shí)心注塑件的壓力大幅降低，從而熔體和模具溫度也相應(yīng)降低。

該工藝無(wú)須或僅需較低合模壓力（降低30%到50%）及冷卻，可將周期縮短20%（見(jiàn)圖2和3），而且成型的扭曲率非常低，產(chǎn)品極少出現(xiàn)凹陷或氣泡。塑料內(nèi)芯的冷卻往往阻礙流道末端的保壓壓力，該發(fā)泡工藝也可成功克服這種現(xiàn)象。現(xiàn)有的同款結(jié)構(gòu)元件，發(fā)泡注塑元件的重量比同款實(shí)心注塑元件輕7%到10%。根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)，匹配與MuCell兼容的設(shè)計(jì)，元件重量**可減輕達(dá)20%（見(jiàn)圖4）。這方面的出眾優(yōu)勢(shì)使得該工藝尤其適用于新型輕量化項(xiàng)目。

加載專用軟件包，操作過(guò)程便可簡(jiǎn)化，這是KraussMaffei MC5 控制系統(tǒng)或新型MC6系統(tǒng)的整合部分之一，其所有重要參數(shù)都能夠加以調(diào)整、監(jiān)控且可集中顯示。計(jì)算氣體用量時(shí)所需的加工數(shù)據(jù)，例如SCF流體率，注入端開(kāi)啟時(shí)間和重量減少量，都可經(jīng)由該系統(tǒng)組成部分之一的計(jì)算機(jī)得出，隨后即可便捷地傳輸給MuCell參數(shù)設(shè)置界面。

軟件結(jié)構(gòu)清晰，操作簡(jiǎn)易。*重要的參數(shù)都在一個(gè)操作界面內(nèi)展示，且都可進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整基礎(chǔ)設(shè)定另有獨(dú)立界面，僅需一次設(shè)定便可完成。

化學(xué)發(fā)泡與物理發(fā)泡的對(duì)比
已經(jīng)有無(wú)數(shù)調(diào)查研究和報(bào)告對(duì)化學(xué)發(fā)泡和物理發(fā)泡進(jìn)行了對(duì)比，得出的結(jié)論也不盡相同。撇開(kāi)組分表面質(zhì)量而言，物理發(fā)泡顯得略微更勝一籌。MuCell工藝的微泡尺寸和分布同質(zhì)性，已經(jīng)彰顯其優(yōu)勢(shì)。雖然該工藝些許復(fù)雜，但直接氣體注入的方式，保證其流程明晰可控且可復(fù)制。與化學(xué)發(fā)泡劑相比，物理起發(fā)劑成本較之至少低80%，成本優(yōu)勢(shì)不言而喻。

雖然化學(xué)發(fā)泡經(jīng)由計(jì)量設(shè)備間接引入發(fā)泡劑，操作十分簡(jiǎn)單，但其工藝非直接可控，僅能夠間接通過(guò)溫度控制和螺桿速度來(lái)加以調(diào)整。

MuCell塑化存在的缺陷是塑化區(qū)域較短，這是由于采用了中央止逆閥，這會(huì)根據(jù)使用材料不同而對(duì)要求的注塑量產(chǎn)生影響。但根據(jù)所選擇的材料，該工藝也可進(jìn)行靈活調(diào)整。在大概90%的用途中，氮?dú)獗挥米靼l(fā)泡劑，隨后不會(huì)產(chǎn)生溶劑汽化（霧化），這一特點(diǎn)對(duì)于某些適用用途十分理想。

投資成本收回
從財(cái)務(wù)角度的分析可以清楚看出，盡管MuCell設(shè)備的投資成本較高，但其操作成本顯著低于標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備（見(jiàn)表1）。操作成本的降低是因?yàn)榘l(fā)泡劑成本降低且原材料消耗量減少，從而得出的平均ROI為半年到一年（使用設(shè)備合模力6,500 kN）。顯而易見(jiàn)，原材料的節(jié)約量依賴于注塑元件的尺寸，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，該節(jié)約量約為10%到近20%。

如將MuCell設(shè)備的產(chǎn)能提高量也計(jì)算在內(nèi)，周期時(shí)長(zhǎng)可縮短達(dá)20%。

如同其它特殊工藝一樣，物理發(fā)泡工藝在用于大批量或**別設(shè)備時(shí)，尤其如虎添翼。但也有標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的擁護(hù)者提出，MuCell設(shè)備塑化組件會(huì)對(duì)適用靈活性造成局限。雖然MuCell設(shè)備也可用于實(shí)心注塑元件，但塑化區(qū)域較短的確會(huì)在某種程度上成為短板，因而如果有實(shí)心注塑的需求，建議采用標(biāo)準(zhǔn)塑化設(shè)備替代MuCell設(shè)備。

正在進(jìn)行的項(xiàng)目
綜上可見(jiàn)，發(fā)泡注塑工藝的確帶來(lái)了原材料節(jié)約及元件重量降低的優(yōu)勢(shì)，這對(duì)于大型設(shè)備而言尤其重要。為了支持潛在及現(xiàn)有客戶，德國(guó)Mutlangen的塑料加工公司Mürdter Technikum與Trexel和KraussMaffei聯(lián)手研發(fā)，于2011年末，出品合模力54,000 kN的MC5 4 0 0 - 1 7 . 2 0 0設(shè)備，是****的采用MuCell工藝的注塑設(shè)備（見(jiàn)圖5 ） 。這套設(shè)備***實(shí)現(xiàn)了將實(shí)心注塑和發(fā)泡注塑進(jìn)行直接對(duì)比，不止如此，在測(cè)試期間擁有的發(fā)現(xiàn)能夠直接應(yīng)用于其下游的模具制造車間，這極大地節(jié)約了時(shí)間和資金。該新型設(shè)備也可使用SGI工藝（整體發(fā)泡注塑） 進(jìn)行測(cè)試。美國(guó)加工制造商ProperGroup有相似的車間但規(guī)模相比略小。

在已經(jīng)過(guò)去的兩年里，位于德國(guó)多瑙河畔的諾伊施塔特的Kunststofftech?nik Wiesmayer有限責(zé)任公司，已經(jīng)其合模力達(dá)16000kN大型注塑設(shè)備（KraussMaffei出品的MX型號(hào)）上使用MuCell工藝。該設(shè)備采用串聯(lián)技術(shù)，梅賽德斯E系列的車門內(nèi)部支承。因MuCell工藝無(wú)須合模壓力，從而出的元件比實(shí)心注塑元件的扭曲率要低得多。而且，串聯(lián)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)在一個(gè)元件進(jìn)行注塑的同時(shí)對(duì)另一元件進(jìn)行冷卻，從而大幅提升產(chǎn)能。

盡管已經(jīng)收獲頗豐，KraussMaffei仍在潛心研究化學(xué)發(fā)泡工藝，該工藝與物理發(fā)泡工藝一起推出市場(chǎng)，冠名
“CellForm”。

前瞻
當(dāng)前工藝研發(fā)著眼于提升發(fā)泡元件的表面質(zhì)量，這對(duì)于汽車制造商尤其迫切。原材料供應(yīng)商已經(jīng)開(kāi)發(fā)出適合的新型原材料可供選擇，木紋或者蝕刻表面能夠被考慮作為開(kāi)端。為了進(jìn)一步完善，比如高光表面，可結(jié)合動(dòng)態(tài)注塑諸如脈沖冷卻，KraussMaffei已在2012年Fakuma展示過(guò)類似工藝。

不止如此，還結(jié)合相應(yīng)的工藝，如金屬箔底注塑或模內(nèi)表面裝飾都不是沒(méi)有可能，而且MuCell工藝的低壓需求也對(duì)此十分有利。進(jìn)行多功能元件時(shí)，物理發(fā)泡工藝也能夠與多組分技術(shù)相結(jié)合（見(jiàn)圖6）。

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)零件時(shí)，可采用有機(jī)板的三明治結(jié)構(gòu)。可以預(yù)見(jiàn)到，MuCell工藝的發(fā)展前景十分光明，這不僅得益于其技術(shù)優(yōu)勢(shì)，也更是因原材料消耗的降低順應(yīng)了節(jié)約資源的潮流。