聚氨酯灌注(PU pouring)及反应射出成型(PU RIM)

Reaction Injection Molding (RIM)，反应射出成型，是将反应性的混合物射入至关闭的模具中，经化学反应热固成型的过程。

传统的灌注pouring，或称浇铸casting，使用的ＰＵ材料反应通常较慢，黏度较大，大多低压机加工混合。灌注顾名思义是开模时靠人工或机械方式倒入（pouring）原料于模具中，最终在经过热烘道将物料加温固化，整体cycle time以小时计算。

然而材料的演进，固化反应速度越来越快，cycle time仅以分钟计算，再加上自动化的普及性以及必要性，业界中逐渐倾向往自动化的RIM制程发展。高压混合机的高精准、自清洁、不须溶剂、低污染且维修率低等特性，成为多个产业中RIM制程或自动化liquid casting制程的首选机种。以下以RIM工艺为基础，简述PU高压混合机台的原理与特点:

以易硕腾高压机为例，将聚氨酯的两组份物料，经加热后降低其黏度，在设备内中循环以控制反应前状态。射出时，两液体按照一定的比例通过计量泵，使两组份物料加压产生的能量，再经过小口径的喷嘴转化成更高的动能，相对喷射，进行冲击混合后，紧接着注入模具中，混合均匀的物料在模具中反应成型固化。易硕腾设备，可用作于聚氨酯(PU)、聚脲、环氧树脂、或其他双液型的化学热固材料。

聚氨酯反应射出成型的特点

PU RIM，属于低温低压射出

  • 吐出压力 2 bar，模内压力最高只有 8bar，所需模具夹持力低，相较于传统涂装，底材的需求度较低。
  • 由于化学反应过程中，属放热反应，所需的温度低，例如:料温20-90℃，模温40-90℃之间。
  • 综合以上优势，耗能较传统注塑机少30%以上。

PU RIM 适合成型结构形状复杂的制品

  • 适于生产有筋、凸台、缺口及吊耳的零件，内应力小
  • 成型过程中，有效地结合增强材料、基料、与嵌入件，减少后加工的装配费用
  • RIM结构件的表面分辨率高，模具抛光状态良好则不须修饰或打磨，即可作为涂装表面(finishing)
  • RIM外观件的亦可直接作为 外观件，例如RIM Coating工艺。可透过模具处理直接做表面修饰，例如抛光或喷沙
  • 液态原料黏度低，反应PU料的黏度低，常温下，低于2000 mPa．S。在设备加温之后充模时物料黏度可以控制于100 mPa•s~ 300 mPa•s之间。也因流动性良好，在生产弹性体的零件时，模具设计上需要良好的排气，排除成品中的气泡。例如下列易硕腾PSM 90的影片:

PU RIM原料属于纯液态不含溶剂的化学品

  • 配方选择自由度大，可设计成多种结构可背多种材料增强，可完全订制物性、化性极为宽广的RIM材料。一般而言:
    • 密度范围: 300kg/m3~1400 kg/m3 。
    • 硬度范围: Shore 0 A ~ shore 85 D
    • 绕曲强度: 无增强材 200-700 Mpa
  • RIM PU 一般是由 聚醚多元醇 (Polyols)及二异氰酸酯(Isocynate)作为主要双组份原料组成。其他还有扩链剂/交联剂、催化剂、发泡剂、及其他助剂组成。若加入不同增强材于聚醚多元醇中，如玻纤、云母、硅灰石等，进行混合射出，则称为RRIM( Reinforcement Reaction Injection Molding)，可以大幅强化物性。取自BASF官网-http://www.polyurethanes.basf.de/
  • RIM PU 按照密度以及发泡程度可以简单区分为，硬质发泡、半硬质发泡、软质发泡、弹性体。更多制成品案例可见 >> 易硕腾-产业应用

PU RIM自动化程度高

  • 混合头可机械性自洁，相较于PU低压设备，维修需求少，生产效率高，适于大规模生产。
  • 根据生产线设计，一台RIM可供应多座模座/工位。
  • 从原料的工料，直到制品的后修饰，均有充足自动化的可能及案例。

反应射出成型原理与高压机构成

目前RIM设备的主流为高压机，高压机的名称，原因是出自于混合头的高压碰撞混合原理，透过计量泵输出约200 bar 左右压力，两个物料 ( POLY & ISO)各自经过极小的侧孔后，两料产生爆炸性的雾化喷射后，于混合室高速地碰撞混合。然而，若是开模灌注，从混合头吐出的流体压力约只有2~3 bar ，是比水龙头还小的流出压力。相较于低压机，高压机有环保低污染以及适用于成型快速原料等特色。

高压机的原理示意如下，

引用自科思创官网-https://www.polyurethanes.covestro.com

高压机归纳以下特点，

  1. 混合室小，混合精度效果好。不同于低压机，无搅拌机构，不须经常性更换密封，也不需要经常性校准流量
  2. 一般有L型头，具有自清洁设计，不需仰赖溶剂清洗管线，环保节约
  3. 停机后，返工快速有效率，不须进行管线清洁及流量调适
  4. 吐出、成型、固化、脱模快速 。维修率低，自动化程度高，适于大批量生产
  5. 对于特别高黏度或有加填料的原料，因可透过加温降低物料黏度来降低加工难度

按易硕腾PSM 90的机台构成为例，设备设计的概念及说明如下:

  1. 储料罐:保证物料在储存过程中具有良好的流动性、均匀性与温度可控性。
    一般装备有温度控制器、搅拌装置(80 rpm)、残料指示计、压力计、氮气或干燥空气充气(约1~2.5 bar)、压力安全阀(3 bar)、或是搭载自动进料泵自动进料至储罐中。
  2. 计量泵:保证吐料的固定流量，并将其推送至混合头，保证计量的准确性，精度要求。在出泵位置设有压力计，侦测出料背压，实时监控并显示于屏幕。
    ISOTHERM计量方式如下图所示，

    以流量控制阀与流量计搭配死循环循环控制系统，确保输入计量汽缸的油流量稳定，间接计量吐料流量。
    优势:以液压单冲程柱塞泵计量，压力稳定，少波动，受物料黏度影响小，适于流量小应用。不同于一般高压机的旋转泵设计。

  3. 混合头:在注射前，物料会从料罐经过循环泵送至混合头，再回流至料罐，以确保混合前的状态是被精确的控制。而在混合头内喷嘴阀打开后，两种料分别从混合头内的两个测孔，进入混合室进行高压碰撞混合(约140-210 bar间)，以达到最佳混合效果。经由吐料通道流入模具中。两料在混合室中，理想混合撞击速率可达100 m/s左右，如果黏度太大、或者流量太小，则不能抵达此速率，则可经由混合室的结构设计来优化为100 m/s。ISOTHERM含有多种混合室型号，具备不同的孔径大小，可以经由更换混合室或者经由插入减径环调整。
  4. 液压控制系统:
    以易硕腾为例，液压系统主要有为两个控制单元，

    • Metering circuit: 控制计量柱塞泵的运作。
    • Control circuit: 控制高低压切换阀的切换、清洁柱塞运作、混合针阀的运作。
  5. 温控系统:
    易硕腾采用双夹套式保温，并且加温油与物料的循环方向相反，以达到精准控制的目的；于低温处理，支持外接水冷系统。

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