高质量低成本的MuCell微发泡注塑成形技术

微孔发泡(Microcellular Foamine)是指以热塑性材料为基体，通过特殊的加工工艺，使制品中间层密布尺寸从十到几十微米的封闭微孔。

微孔发泡注塑成型技术突破了传统注塑的诸多局限，在基本保证制品性能不降低的基础上，可以明显减轻制件重量和成型周期，大大降低设备的锁模力，并具有内应力和翘曲小，平直度高，没有缩水，尺寸稳定，成型视窗大等优势。

与常规注塑相比较，特别在生产高精密以及材料较贵的制品中，在许多方面都独具优势，成为近年来注塑技术发展的一个重要方面。

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1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2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 4 Mucell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。

34 图5 Mucell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。

56 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。

78 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DUO 11050/4550/1500 Combi M 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Ultradur S4090 IGX）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15000 kN。

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NPE 2006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TECHNYL XCell 和TECHNYL Xcell PA6级别的尼龙产品。