使產品達到輕量化目的之塑膠發泡成型技術
■健行科大 / 黃世欣 教授
前言
汽車產業早期的零件大部分是金屬的，包括前後防撞版，只有內裝件是塑膠材料，後來因油價上漲，汽車設計者都朝能輕量化的目標前進，汽車輕量化（包括直升機和飛機）代表能省油，所以就有類似產品的推出。要能夠同時有金屬的強度，又有輕量化的特性，只能朝塑膠複合材料的方向走，而具備這種特性的複合材料中，首選材料是碳纖維複合材料，早期的碳纖維是用纖維布的方式，且塑料是熱固性材料，如：不飽和聚酯 (UP)，因 UP 流動性不好，UP 充填中還要抽真空，透過手積層作法，但是程序非常複雜需大量人力，無法用自動化的方式生產，以致產品昂貴。
最近幾年有用長纖維直接從射出機料管內和塑料混合射出，稱為長纖維強化熱塑性複合材料模壓成型技術 (Long Fiber Reinforced Thermoplastics Direct,LFT-D)，日本和德國射出機廠商都有在開發，另外一種輕量化的方式則是塑膠發泡，在今年三月第 37 期雜誌中作者有描述塑膠發泡的發展，要有高的減重比，可能要利用射出時的模仁後退方式，讓發泡空間變大，以提高減重比。
發泡射出技術
塑膠發泡可以運用於很多地方，大部分用於減震、絕熱場合，它又可克服產品翹曲變形，但是其強度在結構件場合可能不足，為了克服此問題，可加入一些增強型填充材，如微米級的玻纖，以及奈米級的奈米碳管、奈米蒙脫土、石墨烯等。加入這些填充材，增加成核介面，使氣泡數量變多，且氣泡變小，使發泡效率變好。
模仁後退技術 (Coreback)
一般塑膠發泡，可以減輕產品重量，最大的減重比約25wt% 左右，如想要有更高的減重比則可能要用到模仁後退 (Coreback) 技術，減重比可達到 50wt%，但是減重比愈大，產品沒什麼強度，所以取捨看設計者的判斷。圖 1 為山東大學趙國群老師團隊利用化學發泡和模仁後退的方式，所使用的模仁後退率有 1、3、5、7、9mm/s，當模仁後退率愈大，則減重比愈高，因為射出去的塑膠量是固定的，模仁後退愈多，減重比愈高。同樣的團隊又把模內反壓 (Gas counter pressure, GCP) 結合模仁後退技術（如圖 2），因此既可得到高減重比，又可以擁有優良的表面品質。
有反壓的場合，基本上模仁都要有密封圈，並且不能有頂針，有頂針就會漏氣，所以這個實驗中的模具在模仁後退介面也要加入密封圈，圖 3 為模仁後退的機構，利用錐形滑塊和油壓缸讓模仁前進後退，圖 4 則是此實驗的氣泡型態，從圖中可看見發泡材中間都是中空的，且氣泡往後退方向被拉長。日本京都大學Ohshima 教授團隊利用填充材和模仁後退技術來控制發泡型態 [3]。此外，中原大學陳夏宗教授的團隊也將模仁後退技術應用於鞋底的發泡材 (TPU)，其最高減重比可達到約 50wt%。
結語
要想使零件達到輕量化的主要方法就是選擇密度低的材料，當對產品有強度方面的要求時，通常會建議選擇輕金屬（如鋁合金）或塑膠碳纖維複材等剛性強的材料；若對零件的強度要求不高時，則可選擇塑膠複合材料。■
