通过特殊的模具技术和工艺控制，可以生产出具备局部高度发泡结构的部件。发泡材料可以显著加大密实成型及常规发泡部件原本十分有限的设计自由度。因此，可以突变壁厚局限，并避开传统肋结构设计的条条框框。变温过程控制可确保此处良好的表面效果。

局部发泡部件的剖面图。在图中，只有肋结构采用发泡形式（来源：IFW）

作为一种特殊的注塑成型工艺，发泡注射成型已发展得较为完善。鉴于它所提供的诸多工艺和产品优势，在过去几年中，越来越多的技术应用已进入批量生产。然而，除发泡剂类型和工艺技术之外，还有其它一些因素也发挥着重要作用。特别是，创新的模具技术可以突破目前的限制，开辟新的设计原则，并有可能生产出复杂几何形状的轻质结构部件。

常规发泡注射成型工艺（低压工艺）是向注射模具中部分填充含发泡剂的熔体。通常，当模具被填充到80%至90%时，就会停止注入熔体，并且不实施保压过程。然后，通过发泡剂在空腔中的自由膨胀来完成模腔填充。密度的降低，更确切地说是重量和材料的节省，与填充量相对应。注射过程中的压降导致熔体中气泡的形成。由于它处于流动路径终端的最高处，最大的气泡往往在这里形成。这常常会导致部件的结构，或者说致密表层厚度、气泡大小以及密度对流动路径存在依赖梯度。

通过特殊模具技术的应用，也可以实现具有较高发泡度以及气泡分布更均匀的注塑成型结构。在采用精准开模或抽芯工艺的高压发泡注射成型时，可生产出密度降低50% 以上的整体化泡沫。这类结构重量轻，但同时具有高抗弯刚度。此外，因为这一工艺还能产生带有紧致表层的夹层式整体泡沫结构，因此为生产轻质结构开启了巨大潜力。

与常规方法相比，这种模拟密实注塑成型的包含发泡剂的变异形式熔体，简洁地应用了体积式注射并实施保压。在此之后，模腔内整体体积增长，而无需进一步注入熔体（图1）。

图1 工艺比较：传统的发泡注射成型（上）对比高压发泡注射成型与精准开模相结合（下）（来源： IFW）

由此产生的压降促使发泡剂膨胀，并使部件内部形成气泡结构。此外，伴随着第一次气泡形成，已在模具填充中产生第一次压降。然而，这些气泡因高度填充和保压措施而大大减小，甚至可能再次消融。因此，填充进程与气泡的生成可以相互脱钩，并受到系统性的影响。第二次压降通过体积膨胀自主启动，在整个部件中同时发生，从而形成一个更均匀、与流动路径无关的气泡结构。

发泡注射成型的一个普遍缺点是表面质量不高，这常常会妨碍其在可见部位的使用。由于模腔填充过程中的压降，气泡在熔体流的前沿形成。前部的熔体流使这些气泡扩大，它们可能会破裂并被推移到模腔表面。由于模壁温度通常相当低，熔体与爆裂的气泡会迅速冻结。这可能会导致表面粗糙度增加，并产生明显的外观瑕疵，如银纹等。然而，来自过去几年的应用实例表明，通过模具变温控制可有效地抑制这种影响，从而获得较高的表面质量。

通过精准开模，整个模腔的容积通常会增加，在多数情况下，这个工作通过合模单元的开模行程来完成。这里对设计的几何自由度有一定的限制。发泡一般仅限于分型面，这意味着精准开模一般限于扁平部件。

在局部精准开模或局部抽芯技术（抽芯发泡工艺）中，模具技术得到了进一步发展，以便充分利用这一技术所赋予的更高设计自由度。在体积式模具填充之后，模腔并非从整体上扩大，而只是在部分区域扩大了，这好比使用了液压抽芯装置。在这里，型芯以相同的方式在封闭的模具内移动。当体积增大时，大量流体物质仍然存在于这个区域（图2），因而以这种方式产生的压降使发泡剂能够在局部膨胀。如果聚合物已经在不应膨胀的区域冻结，就可以将发泡完全限定在膨胀区域。

图2 抽芯发泡工艺遵循的原则：体积化模具填充后，模腔的一部分扩大了。以这种方式产生的压降使发泡剂能够在局部膨胀到更大程度（来源：IFW）

由于可以在模具内布置多个在内部沿不同方向移动的型芯，以在部件内产生彼此相邻的发泡结构和密实区域，因而这一工艺比标准的精准开模法要灵活得多。因此，在高压力下，包含大量细节的元件可以在流道末端形成精确的轮廓，并且功能元件可以不用降低密度，从而在这些点上保持力学性能不变。因此，也可以充分发掘出复杂几何结构部件实现轻量化结构的潜力。设计者可以选择主动地去影响发泡程度和结构，以产生局部定制的部件特性。

发泡部件的性能取决于其结构。除了与机器有关的工艺参数，模具技术也可以对所产生的发泡结构产生明显影响。尽管在相同密度下具有不同的结构特性，整体化气泡仍可显示出不同的力学性能。当使用精准开模时，可以在很大程度上选择性地影响各种结构化参数，如表层厚度、气泡大小、气泡分布及其均匀性。对最初探索者的调查凸显出该工艺的潜力之后，德国卡塞尔大学的材料工程研究所（IFW）设计并开发了一种新型实验模具（图3）。由此，便能在很大程度上以精确的方式去改变与工艺相关的参数，从而研究它们对结构的影响。

图3 新型实验模具的特点是局部可变的模腔体积和变温插件（来源：IFW）

新型实验模具的关键组件（制造商：Plastec kunststofftechnikum oberberg GmbH，德国维尔）直接集成在模具上的液压缸，可独立于工艺步骤，用来改变封闭模具内的模腔体积。该气缸由一台电动液压控制器（型号：Compax3f；制造商：派克汉尼汾公司，德国卡尔斯特）进行外部控制，可以在周期过程中的任意时间点按预先定义的运动曲线运作。用户可以设置不同的位置和速度，或按与压力的函数关系来操作气缸。这样，可以选择性地影响发泡程度和减压率（后者对成核具有直接影响）。

作为第一种几何结构测试件，IFW选择了带不同宽度肋的薄壁板（图4）。基础壁厚可随间隔盘的不同而变化，肋部区域与液压缸牢固地连接，可根据需要改变起始位置和末端位置以及该区域的容积变化速度。有了模块化设计，人们不用在气缸上安装不同插件，也可以在部件后部产生各种几何结构的气泡。要做到这一点，只需要选用一个适当的插件。因此可以很容易地探索该工艺在几何结构上的可能性和极限，并将其转化到特定应用实例中。

图4 示意图（上），局部膨胀部件（下），以及通过扩大肋区的横截面（右）：最宽肋部10mm，此处扩大了五倍（来源：IFW）

另一个特点是，在浇口侧植入了一只变温插件（型号：Integrat 4D；制造商：gwk Gesellschaft Wärme Kälte-technik mbH，德国迈讷茨哈根）。该插件与模具的其余部分相互隔热，内含两只输出功率分别为2500 W的陶瓷加热元件，同时具有随形冷却流道。陶瓷加热器可在注射前迅速加热模腔表面。位于表面下方的随形冷却流道在注射阶段结束后迅速散热，因此很少会延长周期时间。变温过程控制抑制了任何不良的表面效应，如银纹，改善了多种塑料的表面质量和可重复性。

人们采用新型模具对不同塑料（PP、PS、PC + ABS、GFPA）进行了加工。黑色PC + ABS（Bayblend T95 MF；制造商：Covestro AG，德国勒沃库森）经N2微孔发泡工艺（注塑机：Allrounder 470 S；制造商：阿博格公司，德国罗斯堡；天然气计量单元：T-100；制造商：Trexel GmbH，德国锡根）所得到的结果很有代表性。用新型模具局部发泡的组件，最宽为10mm的肋可以将膨胀前的基本体积扩展500%，并保持精确的几何形状和均匀的发泡结构（图4）。在密实注射成型和传统的发泡注射成型中，如此幅度的壁厚突变是难以实现的。

有大量材料可以获得更高程度的发泡，但如果保持当前的几何形状，其气泡结构往往并不均匀。部件展示了该工艺在设计自由和功能集成方面的潜力。

在PC + ABS的加工过程中，注射之前将变温插件加热到175℃，一旦注射阶段完成，再冷却至模具初始温度90℃。在恒定的模具温度90℃下，再现的表面结构会叠加上银纹，而采用变温工艺控制则实现了细腻的模腔表面的出色再现，无可见银纹（图5）。模腔表面的再现性也明显优于90℃下的密实材料成型。

图5 变温温度循环：短暂加热100 K（从90℃到190℃）以及随后冷却到标准的模具温度，与相应的模具热图像（上）。对表面质量的有利影响（下）显而易见（来源：IFW）

这突出了该工艺的一个特别优势，即与传统发泡注射成型（不保压）仅用较低压力以支持表面的再现性相比，抽芯发泡法中所施加的压力可以用来准确描述表面结构并有效地对抗发泡引起的不良表面影响。

为了确定气泡结构可能会受影响的范围，以及各个工艺参数的影响，一项统计测试计划开始被执行。与模具相关的开启速度、膨胀度＝型芯－抽芯距离、保压时间以及发泡剂含量等各项工艺参数也均不相同。对于选定的工艺窗口，可以使平均气泡大小在15µm至160µm的范围内变化。研究表明，在实验空间中存在相互作用，除了发泡剂含量外，开孔速度和膨胀度这两项模具参数对蜂窝结构存在显著影响（图6）。

图6 气泡大小与工艺参数的函数关系：测试计划的结果表明，在所选择的工艺窗口内，气泡的大小和密度会收到10种因素的影响（来源：IFW）

特殊模具技术进一步增加了原本已十分复杂的发泡注射成型工艺中的影响参数的数量。但是，一旦理解了参数之间的相关性以及它们的作用方向，就能开辟获得具备定制特性和设计要素的发泡部件的新途径。

富有创意的模具制造商可以想出简单方法来实施这一工艺变化形式，以实现可靠的加工，并充分发掘发泡注射成型的轻质结构在复杂几何结构部件应用上的潜力。

-本文选自《国际塑料商情》四月刊

荣格塑料工业