鄧詠心 技術支援處 工程師

大綱

現今鞋業市場之趨勢走向結構輕量化，逢甲大學研究團隊透過Moldex3D的發泡模組（FIM），來探討含氣泡之可回收成型材料（SEBS彈性體）在充填過程中澆口配置的影響及成型壓力的變化。通過模擬和實驗的整合，不但驗證了澆口位置與和厚度變化對泡沫結構和分布的影響，最終結果也顯示採用發泡射出成型，可替代發泡劑減輕10%產品重量。

挑戰

• 研究澆口設計對熔膠流動和成型品質的影響
• 克服產品在傳統成型過程中可能產生的表面缺陷
• 預測氣泡結構的成長並減少材料的使用量

解決方案

針對本案例之鞋墊產品，以SEBS彈性體做為材料不但可回收及再利用，滿足綠色循環經濟需求，同時也減輕產品重量及克服產品表面收縮的缺陷。而為了分析不同澆口設計和產品厚度不均勻對流動行為和發泡特性影響，因此採用Moldex3D進行實驗和模擬。

效益

• 模擬與實驗結果高度吻合，達成虛實整合
• 產品重量減輕10%以達到產品輕量化
• 實現綠色循環經濟、產品輕量化和瞭解FIM製程

案例研究

在傳統製鞋產業中，鞋墊通常由塑膠和化學發泡劑倒入模具中製成，製造與材料成本較高。而隨著產品輕量化和綠色經濟的發展趨勢，藉由添加混合氣體的發泡射出成型（FIM）可同時減少產品的用料和重量。逢甲研究團隊利用SEBS彈性體進行研究，目的是找出適合的澆口位置及優化氣泡分佈，並驗證模擬和實驗結果。圖 1 為一具有六澆口的現成模座，以此為樣品建立了產品的3D模型和邊界層網格，並利用Moldex3D觀察產品的流動行為和發泡特性。

圖1 鞋墊模座及產品

分析結果顯示不同澆口位置會導致澆口壓力、模穴壓力和氣泡大小的變化（如圖2和圖3所示），當塑膠從厚處區域注入時，由於產品厚度隨著流動方向減少，澆口壓力和模穴壓力會在充填結束時增加，因此模穴裡的高壓將限制氣泡的生長。相比之下從薄處區域進澆，在充填階段結束時壓力模內壓力較低，從而產生更好的發泡效果。

圖2 不同澆口位置的澆口流動及壓力

圖3 模穴壓力和對應的氣泡 (a)厚處進澆 (b) 薄處進澆

Moldex3D的流動模式也通過FIM實驗得到證實（圖4），流動波前模擬結果與實驗結果高度一致。而當澆口位置更換至左、右兩側時，不均勻的厚度對氣泡尺寸和氣泡密度會有影響。產品厚度和流動的差異改變了模穴壓力分佈，從而限制了氣泡的成長。結果顯示，在兩側進澆相較於在鞋墊中間進澆會有更好更均勻的發泡效果（圖5）。

圖4 Moldex3D的波前流動圖（上圖）和短射測試（下圖）

圖5 受澆口位置影響的氣泡大小和密度

氣泡分佈的微觀結構也能通過實驗進行研究（圖6）。 通過模擬和實驗結果的比較，發泡過程會受模穴壓力和流動模式影響能更容易被理解。結果顯示氣泡在核心層的成長比在表層生長得更好。此外，FIM製造的鞋墊重量比傳統射出成型輕10%，從而達到產品輕量化的目的。

圖6 氣泡分佈的微觀結構

結果

本研究顯示，澆口位置和產品厚度不均勻會影響澆口、模穴壓力和流動情形，從而導致不同的氣泡尺寸和氣泡密度。憑藉Moldex3D模擬和FIM實驗高度吻合的結果，逢甲研究團隊優化了澆口位置，使其具有更好的發泡特性。通過使用SEBS/FIM製造，鞋墊行業可以達成綠色循環經濟和輕量化產品的目標。