結構發泡

制造須具高強度及高剛性之大型、復雜塑品，結構發泡成形是非常理想的一個方式。雖然其加工方式類似于射出成形，但前者因有氣體注入于熔融高分子形成泡孔性心核而使得塑品重量減輕多了。并且結構發泡成形為一次成形，省卻了多步驟的加工費用以及可結合肋骨、浮凸物等官能性物，而呈現多樣化之設計。
由于射出成形制造大形物需要極大之模壓以及厚斷面部分極易造成凹痕或翹曲，實不如結構發泡成形只須小模壓及肉厚較薄來的方便。（注：結構發泡成形大形物，重量最大到100磅）再者，以同等重量之塑品而言，用結構發泡制造出的塑品剛性比射出成形強多了；因為結構發泡品較輕，為達同等重量勢必肉厚較粗，而剛性正比于肉厚之三次方，是有此故。此章將依序討論等構發泡成形之方法、設計所需考慮之環境因素及塑品設計。

6-1 結構發泡成形方法

結構發泡之成形法有①傳統之低壓法，②高壓法，③三明治成形法，④結構網狀法。新的成形法是為了使表面更精細。

6-1-1 低壓法

低壓法是利用短射成形將計量好小于模穴體積之塑料與發泡劑射入模穴中，使氣體一高分子混合物膨脹而填滿整個模穴，外圍部分與冷模面接觸形成表皮層，內層則發泡成為多泡孔心核如圖6-1所示。

由于在射出過程中，模穴并未完全充填，高射壓無法傳到模具，因此低的模穴壓力(300～1000 psi)使得塑品有極低之殘余應力，與射出成形相比，有較低之翹曲發生可能性及較佳的抗化學性。
低壓法可用物理的（通常是氮氣）或化學的發泡劑而達成之。物理的發泡法是用為噴嘴的射出成形機，多入口似的將氣體射入模具中，因此可制造較大形物。化學發泡劑則是用單噴嘴的射出機。由低于壓法只承受較小之壓力，所以模具可用比鋼材軟之材質，以節省成本。

6-1-2　高壓法

高壓結構發泡成形類似于標準的射出成形法，氣體一高分子熔融物于高壓下(2000～20,000 psi)完全填滿模穴，藉由控制壓板(plateu)、模蕊之開啟或滑動，使模穴體積增大而產生發泡。
由高壓法產生之塑品，重量可減輕許多并有極光滑的表面，所以減少了成形后加工之費用，但若欲產生膨脹動作所增加的復雜模具費用，則甚是可觀。另外深度高之塑品，因模具需膨脹之故，成形亦有困難。

6-1-3　三明治／共射出成形法

三明治結構發泡成形法含兩道不同熔流于模具內。其中一道熔流不含發泡劑于塑品之外層形成一光滑之固體皮層。另一道熔流，可為同樣或不同樣之塑料，含發泡劑而形成泡孔狀心核之內層。當用兩種不同之塑料時，要注意其流變性質，并確認皮層與心核有良好之接著力。
三明治成形法基本上有下列三種：
1. ICI法（英國專利第1156217號）
利用兩柱往復式螺桿（圖6-2），其中一枝將模穴部分充填固體塑料，接著另一枝則將塑流與發泡劑完全充滿模穴，再將模具膨脹，制成發泡心核。ICI法之模穴壓力近似于射出成形。

2. 兩通道法(two-channel process)
兩通道法猶如標準的低壓法，皆是利用短射以制造泡孔心核。兩通道法須有特別的止流式噴嘴(shut-off nozzle)及可程序化控制的射出速度裝置。發泡塑料從A通道與固體皮層材料從B通道同時射入模穴，由于系同時射出，所以此法亦稱共射出(coinjection)。因為利用此法相反于澆道面之
皮層厚度常小于澆道邊之皮層厚度，為了克服此問題遂有了較復雜高技術之三通道法。
3. 三通道法(three-channel process)
亦稱共射出，有三通道之噴嘴（圖6-3）設計。此噴嘴有兩通道射入固體塑料及由另一通道射入發泡塑料。第三通道正中心的射入皮層材料，以讓更多的皮層材料可達相反于澆口之表面。并射出之模穴壓為標準低壓法之2.5到4.0倍，所以所用之模具需為鋼材。

6-1-4 結構綱狀法(structural web)

此法是模具內先部分充滿固體塑料，然后以高壓及高速注入氮氣或空氣于高分子心核，氣體使高分子表面變形成波浪狀并迫使其緊貼模面，維持一定的模壓直到表面完全成形為止。最后氣體從噴嘴中之揚上閥門(poppet valve)泄出，再頂出成品。由此法制得之產品具光滑之表面并減少了凹痕之可能性。較佳的熱傳送亦使此法制造較厚之塑品較省成本，其產品之橫截面圖可參考圖6-4。

6-2　結構發泡設計之考慮

選擇正確的材料及加工方式是設計者之主要工作，然而用品之使用環境對其之影響更需仔細的考慮評估。以下將依序說明之，所討論的將以標準的低壓法結構發泡成形為主，但通常亦適用于其它之成形法。

6-2-1　結構設計

當發泡為用工程熱可塑性塑料時，設計者可毫無困難的在產品承受負載時，預測出應力與變形量，因為在降伏點之前，他們是呈線彈性關系的。
泡孔性心核與固體皮層，可將其視為復合體，應力在不同區而不同。對此復合體之分析，可用同等的I-梁固體斷面來模擬之圖6-5。

I-梁之慣性力矩推得為：
Ix＝bh3－(b－bc)(h－2ts)3 12
bc＝bEc Es
Ec＝心核之模數
Es＝皮層之模數
ts＝皮層之厚度
hc＝同等心核之高度
上式之推演是非常正確的，然而在實際上測量心核之模數卻有困難以及皮層之厚度變異性都是問題。
比較保守的分析結構發泡體，是在支點負載的環境下，將其橫截面視為兩外皮層而無泡孔心核（圖6-6）。因此，同等的慣性力矩成為：
Ix＝b(h3－hc3) 12

由于泡孔性心核可提供一些應力吸收之功能，因此省略心核所算得之值已含有安全因子。
當時間或成本不容許做更仔細的分析時，將結構發泡斷面視為均質（圖6-7）不失為一個好方法。由于大部分之材料商所提供之技術數據皆是由此假設而來，照著他們的導引，分析上會有較佳之結果。

結構發泡材之物性與同樣材料之固體不同，最典型的如抗拉伸力，前者明顯小于后者。此乃因為發泡體重量較輕以及個別的獨立泡孔容易造成應力集中之故。肉厚與溫度對材料之抗拉伸力影響也很大。當肉厚減少時，成形塑品之重量減少較小，所以有較高的皮層／心核比。如此一來，愈傾向于固體之狀態即有愈高之抗拉伸力。由于塑料是屬黏彈性，當溫度增加時會使得抗拉伸力減少。
要注意抗拉伸力切莫超過材料之彈性限度。其實可能的話，設計時考慮壓縮應力會比考慮抗拉伸力更佳，因為發泡體受壓縮時，泡孔毀壞的機會會比受拉伸時造成之體積變量之影響來的大。
由于塑品橫截面材料分布之關系，結構發泡材之抗彎折強度明顯的會大于抗拉伸力。減少肉厚及降低重量減少量可使材料之抗彎折強度增加，因為在每一單位橫截面會有較多之皮層。
彎折破壞有時亦可能在抗拉伸力范圍內下發生，其主要的關鍵因子在于受彎折時，泡孔核區之最大抗拉伸力。如果從中心軸到最遠的泡孔心核距離超過0.5英寸，則破壞會在材料之抗拉伸力值下發生。反之，距離在0.5英寸以內，則彎折破壞值與標準試片之公布值相近。
因為熱塑性結構發泡塑料具黏彈性，所以其物性與時間，溫度及負載速度休戚相關。當設計在受支點負載環境下之結構發泡體時，材料之時間－溫度行為或是蠕變速度必需預做檢視。預測塑品在負載下，某定點時間之行為表現，可用視模數方程序表示如下：
E＝s e1＋e2
其中　s＝產生之應力(psi)
e1＝起始應變(in/in)
e2＝受應力一段時間后，所產生之蠕應變(in/in)
e1＋e2＝總應變
6-2-2　耐沖擊性之設計考慮
耐沖擊性對結構發泡成品極為重要，其測試方法有夏比法(charpy)、艾式法(izod)及落球法，其中落球法為最適用的一種介紹如下：
利用一半徑0.5英寸，10磅重之半球形鋼頭，從定高度自由落下而撞擊測試片（圖6-8），視測試片之破壞程度如何，其結果可分下列幾種：
(a)　測試片完全破裂。
(b)　落球穿透過測試片。
(c) 測試片龜裂并形成0.01英寸之裂縫或更大。

所吸收之沖擊能量以ft-lb單位表之，此測試值所得非常近似于塑品面臨之真實情況。由于結構發泡材之高剛性，通常其所受破壞為脆裂(brittle)。若與同材之固體比之，發泡材之耐沖擊性較小。當增加發泡材之厚度或重量時，其耐沖擊性亦增加。若是加肋骨于發泡材上，其耐沖擊性會變
小，此效應可由下式解釋之：
σi σ＝1＋ 1＋2 h d
其中：　i＝由落球所產生的動態應力
σ＝本體所產生的靜態應力
h＝落球之高度
d＝靜態下之形變
因為剛性愈強，在靜態負載下之形變愈小。所以上式之d減小，推得動態應力i變大，而愈高的動態應力會使塑品之耐沖擊性減弱。
溫度對發泡材之影響也很大，溫度降低會使塑品更具脆性，造成耐沖擊性降低。

6-2-3　化學環境之設計考慮

由于結構發泡材之低殘留應力，與同材料之固體相比，前者有較佳之耐化學性。如果塑品之最終用途是在組裝或受負載下，可知的是耐化學性會減弱。
化學品對塑料之侵蝕是一種非常復雜的現象。其侵蝕機構有許多種型式，它可為化學試劑與化學鍵上之活化區起反應；或者是溶劑之直接侵蝕，此可由重量及尺寸上之變化而觀得之。最好之測試方法是耐環境應力龜裂實驗(ESCR)，即在某種化學品及應力下，測成品龜裂的敏感性，若是由于溶劑的因素而產生龜裂者稱為溶劑龜裂。
因為化學品侵蝕的許多影響因素于塑品設計、成形條件、操作應力及溫度范圍無法完全預測知。所以最好的建議是在實際的操作環境下，小比的測試實驗片(prototypes)或者是生產品。

6-2-4　高溫環境下之設計考慮

所有熱塑性塑料之物性皆會隨溫度之變化而不同，所以它是溫度之函數，特別是在高溫下，其性質之改變尤需注意。
對于在高溫時材料之表現比較，材料商提供了兩種實用的數據，一為熱變形溫度(heat distortion temperature, HDT)，另一為UL連續使用溫度。HDT之決定法是將測試片侵入油槽中，付與66或264psi之負載于其上，以每分鐘2℃之溫度上升之，直到測試片被彎折0.01英寸時，記錄當時之溫度即為HDT。若是塑品需長期的高溫下使用，則參考UL溫度是一個不錯的指標。此法是將測試塑品置入不同之烘箱內，以不同之溫度老化之，再測其電氣與機械性質，其數據之處理方式是以老化后的物性對原樣品之物性比當Y軸，烘箱老化時間作X軸，然后作圖之。選擇尚余50％物性時之老化時間做到log值，再對老化之絕對溫度倒數作圖，延伸圖中直線至時間為10000到11000小時之間，對應下來即可求得材料之UL連續使用溫度。
考慮設計發泡塑品在升溫下之影響，其重要性是不待言之的，產品設計者不可不察。

6-3　塑品設計

6-3-1　肉　厚

結構發泡成形品之肉厚可較射出成形品為厚，并且無凹痕及翹曲等問題。傳統上，發泡材被設計成0.25in(6.3mm)之肉厚，現在由于工程樹脂之關系，塑品之肉厚可被設計低至0.157in(4mm)或高到0.5in(12.7mm)，甚至更高。
主要的考慮是肉厚改變時對耐沖擊力、肋骨設計、浮凸物設計及所須強度的影響。彎曲強度及抗拉伸強度會隨肉厚之減少而增加，因為較薄之肉厚有較低的重量減少量，致使有較高的皮層對心核比。
剛性，受負載能力及耐沖搫力則隨肉厚之減少而減少，因為這些性質受肉厚之影響較大，而非重量之減少量。為了使結構發泡材有極低之應力及整個塑品有均勻性的重量減少，良好的流動設計使塑流能馬上填滿模穴是極為重要的。
在成形肉厚小于0.25in之塑品，更多的材料必須被推進模穴內，以克服極高的流動阻礙。若是肉厚大于0.25in，則流動容易。這些流動阻礙的變異性，造成較低的重量減少量及較薄壁有較短之流動長度。
如果所選材料之流動長度超過建議值，那么下列兩方法可增加其流動性：
·　添加流動肋骨或流道以增加流動，但其直徑不可太大，否則塑流會流進肋骨內造成充填平斷面上之困難。
· 些微的增加肉厚約莫0.03到0.05英寸，可減輕成形上之流動困難。
另外從肉厚變到薄肉厚之轉換區應該愈平滑愈好，以利加工成形（圖6-9）。

6-3-2　圓角及半徑

陡邊角會造成應力之集中點及阻礙材料之流動性，它們常常是產品毀壞的主因。圓角半徑對應力集中之影響可由圖6-10看出，應力集中因子KT是用于方程序以計算應力，R/T是圓角半徑對肉厚之比值。

盡量利用大的半徑于內邊角及外邊角上，以使應力集中最小并益于模具充填。對大多數塑品而言，最小半徑需為0.06英寸。如果塑品是在承受負載或受撞擊下，則最小半徑需為0.125英寸以上。

6-3-3　公差及翹曲之控制

尺寸公差在產品設計上是非常重要的，因為它直接影響到產品成本及表現行為。產品之最終尺寸是由以下所影響控制：
·　溫度膨脹及收縮。
·　加工條件。
·　模具尺寸。
結構發泡品之尺寸公差及翹曲控制是為了使塑品從頭到尾有一致的重量減少量并具平坦性。以下為其設計之通則：
·　盡量使塑品之肉厚保持均勻性。厚肉區不僅會增加成形周期，并造成產品翹曲。
·　使流動阻礙減少到最小。盡量莫用肋骨及排氣孔在流動的方向上。
·　保持一定的材料流動長度以減少過分充填發生。于近開口處，加上流動肋骨或澆口，使過分充填減少到最少。

6-3-4　傾斜角

由于結構發泡加工之低壓力，微小的錐度可以忍受，所以塑品可用傾斜角之設計，以利取出。
產品之肉厚會影響到傾斜角之大小。當肉厚減少時：須增加傾斜角之角度。這是因為模穴壓增加了，令塑品較難取出。一般而言，0.5°到3°之傾斜角以足使產品方便取出。對于深度極深的肋骨或浮凸物，由于須增加底部寬度，致使傾斜角增加，需注意底部太厚所可能造成的凹痕及凸起。

6-3-5　肋骨及浮凸物

于結構發泡品上加進肋骨，可增加其剛性及受負載之能力而毋須增加其肉厚。與射出成形相比，結構發泡加工可用較粗的肋骨。
周遭的肉厚及重量減少量決定了肋骨之厚度，依此而設計之，可使其不至產生凹痕，表6-1為肋骨肉厚與壁厚間之正確設計關系：

至于浮凸物，由于須承受重負載，所以必須與鄰近的壁端相連或與肋骨、角板相連，以分散負載。為使插入后之表現最佳，浮凸物之肉厚隨材料種類及所減少之密度而定。通常，高功能性的材料可用較薄的浮凸物肉厚。一般的設計通則為浮凸物之直徑為心核孔洞之二倍。浮凸物須盡量的被鑄造，以減少塑品之成形周期。如果浮凸物太厚的話，會有凹痕產生。若一切設計皆無虞，與射出成形相比，由于凹痕之發生可能性減少，所以會有較佳的表面精度。

6-3-6 放熱孔(louvers)

因為塑料為絕緣性材料，所以放熱孔常須加入結構發泡成形品內以滯散熱量。如果可能的話，羽狀結構之放熱孔最好與塑流同方向以助模具之充填及減少過分充填之可能性（因會造成翹曲）。如果，羽狀結構放熱孔必須被置于垂直塑流之方向的話，那么于其中端部分橫過一流道，讓塑流流于其上，而不致讓放熱孔阻礙了流動，參考圖6-11。

6-3-7 迫壓嵌合(snap fits)

猶如一些特定的射出成形材，因為工程結構發泡材之物性增加了，迫壓嵌合亦可應用于其上。
不像射出成形之迫壓嵌合只可用于質輕短小之零件，結構發泡成形之迫壓嵌合可用以扣鎖住重零件或結合兩大形結構發泡成品。
應力、彎折量及應變是決定所須組合力量及挺性的主要控制因子。最簡單的迫壓嵌合模式是具定橫截面的懸梁衍（圖6-12）。

其中　σ＝FLc I
y＝FL3 3EI
ε＝3yc L3
其中　σ＝應力
y＝彎折量
ε＝應變
I＝橫截面之慣性矩
L＝梁之長度
E＝材料之模數
c＝中間軸至最遠處之距離
當選擇應用須用迫壓嵌合之材料時，關鍵物性如疲乏強度，彎曲模數，彎曲強度及最大應變量須先被測得知。

6-4　組裝方法

許多種機械式的鉤扣及接合方法適用于結構發泡。螺絲釘及插入物是最常用的接合工具，但有個前題是材料必須能忍受鉤扣物所造成的形變及應力。
當塑品之組合與拆卸不超過10次時，可用自攻式螺釘。由于泡孔心核可被壓縮，用圓螺釘比切削式螺釘好。因為切削式螺釘如片狀般的穿過皮層入泡孔心核，此種組裝通常不再拆卸。
超音波或是熱熔接亦是常用之方法，它們能重覆的拆卸組裝。孔洞大小對插入物之表現好壞影響極大，不同插入物之制造商有不同之孔洞規定，如圖6-13為道奇公司uetrasert Ⅱ插入物對孔洞規格之規定。

若是孔洞用挖鉆的話，由于其內部表面不會有連續皮層，所以其菜單現較差。
結構發泡一次組裝的方法有超音波、溶劑及黏著劑接合。超音波接合法，可以插入物、打樁的方式（通常是連金屬物于發泡品上）、或點縫合（通常是連接兩塑料成品）等達成。
大部份的非結晶性結構發泡材可以溶劑接合法互相接合或與他種塑品接合。適當的技巧及所用溶劑種類須以材料提供商討論之。
黏著劑接合可為發泡品互相接合或與他種塑品接合以及他種材料如玻璃、鋁、鋼或木頭。下列是在選擇黏著劑時所須注意之事項：
·　避免溶劑或催化劑與所欲接合之材料互不兼容。
·　固化溫度不可超過結構發泡材之焙烘(bake)溫度。
·　于操作條件下，測試兼容性及接合強度。
·　遵循適切的接合設計通則。