产品设计工艺知多少——发泡成型（反应注射成型）

本文作者：欧若兰（赫兹工业设计）｜ 专注产品设计10年

产品设计工艺知多少——发泡成型（反应注射成型）

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工业产品设计中，发泡成型工艺应用的相对较少。但是大部分产品的包装都离不开发泡成型生产的泡沫。这种工艺的产品有非常优秀的隔热、防碰撞、质量轻等优秀的特点。这也是一种常见的塑料成型工艺，做为产品外观设计师，也需要对这种工艺有一定的了解。

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注塑成型工艺相当成熟，更是细分了许多分支，满足不同产品的生产需求。这是制造塑料产品的领先工艺之一，是大批量生产相同产品的理想选择。传统注塑成型的变体包括气体辅助注塑成型、多色注塑成型和模内装饰。

今天赫兹工业设计小编给诸位介绍一下塑料成型中的发泡成型工艺：

工艺简介

这两种工艺都是低压、冷固化工艺。冷固化泡沫成型通常使用热固性PUR泡沫，用于家具装饰用品和运动设备，而反应注射成型适用于所有类型的PUR，包括泡沫。在这两种工艺中，不同密度和结构的PUR适用于不同产品。

除了批量生产外，冷固化泡沫成型通常用于原型零件的注塑成型，因为模具成本比注塑成本低，且一致性好，精度高。

典型应用

该工艺适用于家用和商用家具，如椅子，汽车、火车和飞机座椅，扶手和坐垫，也适用于鞋类的缓冲垫，如鞋底，以及玩具的安全和触感装置。

反应注射成型在汽车行业有广泛应用，如保险杠、引擎盖内装置和汽车内饰等产品。它在医疗和航空航天工业中也被用于特殊产品和小批量生产产品。

相关工艺

块状泡沫几何形状采用CNC加工或泡沫成型。泡沫成型通常用于覆盖室内装饰中的木结构。泡沫成型的应用越来越广泛，例如在家具和汽车座椅的生产中，PUR泡沫的新配方所含的异氰酸酯较少，因此它们的毒性较小。

真空铸造用于将热固性PUR形成类似的几何形状，但通常适用于更小和更复杂的形状。真空铸造和反应注射成型都适用于原型制造和小批量生产。所生产零件的特性与注塑成型相似。

加工质量

零件表面的质量取决于模具的表面。模具可以用玻璃钢（GRP）、蚀刻钢或合金钢生产。尽管这是一个低压工艺，液体热固性 PUR可以获得很好的表面纹理和细节。

设计机遇

因为固化的PUR的力学性能可以适应不同的应用，所以这是一个非常灵活、适用范围很广的工艺。泡沫的弹性可以从半刚性到刚性，密度可以在40kg／   3～400kg／m3范围内变化。例如，外皮和内部泡沫可以具有完全不同的性质，以形成具有刚性表皮和轻质泡沫芯的零件。

反应注射成型类似于注塑成型，制造出的零件也拥有很好的纹理和带有模内装饰印花的表面。预成型材料用于装饰零件表面，颜色依据潘通（Pantone）色卡确定。

反应注射成型与其他塑料成型工艺相比，具有许多优点。例如，5mm以上的厚壁和薄壁都可以塑造成同一零件。另外，可以将胶合板、塑料成型件、螺纹衬套和金属结构等加入零件中（左图）。可将纤维增强材料加入塑料中，以提高产品的强度和刚度。这就是结构注塑成型（SRIM）或增强反应注塑成型（RRIM）。收个尾——工艺中可以加入纤维垫和其他纺织品，以提高零件的抗撕裂和抗拉性能。

模具可以用各种材料制造，取决于数量和所需的表面粗糙度。玻璃钢通常用于生产原型模具；它相对便宜并且可缩短交货时间。当生产量高于1000台时，使用铝或钢模具。

热成型工艺详细对比

技术说明

冷固化泡沫成型工艺

在阶段1，清洗模具并在内部涂满脱模剂。然后将插入件和框架放置到位，模具夹紧关闭。两种材料反应形成热固性PUR并存储在不同的容器里。将多羟基化合物和异氰酸酯加入混合头，在高压下将它们混合。在低压下把适量的液体化学品加入模具中。当它们混合时，开始通过化学放热反应来制造PUR。

在阶段2，聚合物开始膨胀填充模具。模具内唯一的压力来自膨胀的液体。因此模具的设计应确保聚合物在液体状态下均匀扩散。随着聚合物的膨胀，压力促使多余空气排出。在浇口插入一个塞子来平衡模具内外的压力。

在阶段3，产品在5～15分钟内脱模。注射和循环周期根据零件的尺寸和复杂程度而不同。模具的上模和下模分开，型芯被取出。清洗模具并准备下一个循环。

在确保干燥的前提下，将聚合物颗粒送入料斗。加入色母，稀释比例为0.5％-5％。

将材料加入料筒中，同时通过蜗杆的旋转推送动作推入加热，温合物料并向模具顶端移动。

将熔融的聚合物保持一定的压力并注入模腔内，在确定的压力条件下，一定时间内依据不同的零件的尺寸而完成聚合物的固化反应，一般持续30-60秒。

而后，保持注射后夹紧压力，保压过程是为了防止零件弹出后的翘曲和收缩。

为了弹出零件，模具分开、芯体收缩并且由顶杆施加作用力以将零件与模具表面分离。该零件被自动化手臂分配到传送带或放置在容器上。

模具和模芯一般用铝或工具钢加工而成。这些模具是注型工艺中所需要的最为复杂的零件。一般的模具由的水冷通道（用于控制温度）、注射点（浇口）、流道系统（连接零件）及连续监测温度的电子测量设备组成。在模具内设置良好的散热零件，这是确保熔融聚合物稳定流过模腔的关键。因此，一些型芯由铜加工而成，其导热性比铝或钢要好得多。

最经济的注塑成型模具由两个半模组成，即阳模和阴模，但工程师和模具制造者逐步提高现代模具的工艺水平，采用了可伸缩型芯和多重浇口及多种材料在内的各种工艺革新，逐步发展出多色注塑工艺等。

设计注意事项

可以模制的零件尺寸范围较广。

聚合物在非催化状态下流动性强，因此很容易在大且复杂的模具周围流动。

当在钢架上进行泡沫成型时，泡沫直径最好在10～15mm范围内，以确保从泡沫表面看不到结构。

适用材料   

PUR是最合适的材料，具有不同的密度、颜色和硬度。它可以非常柔软而有弹性，也可以具有刚性。泡沫材料的结构分为开孔和闭孔两种。开孔泡沫趋向于更柔软并且需要装上软垫或覆层。闭孔泡沫为自结皮，用于扶手等。

加工成本

模具成本由低到中不等。由于所需的压力和温度降低，它们比注塑成型模具的成本低得多。玻璃钢模具比铝和钢模具便宜。

加工周期非常短（5～15分钟）。一般模具每天可生产50个组件。

劳动力成本由低到中不等，自动化过程极大地降低了劳动力成本。原型制造和小批量生产需要更多的劳动力投入。

环境影响

在每个加工周期中，定量的PUR被混合并注入模具，以确保最小的消耗。须从模制零件上修剪掉飞边。为了减少原始材料消耗，再造的泡沫块通常被并入模制零件中。在反应过程中产生的异氰酸酯是有害的且会引起哮喘。