气体辅助注射成型原理及应用

一、气体辅助注射成型概述——Jack Avery

气体辅助注射成型过程首先是向模腔内进行树脂的欠料注射，然后将气体导入熔融物料当中，气体沿着阻力最小方向流向制品的低压和高温区域。当气体在制品中流动时，它通过置换熔融物料而掏空厚壁截面。这些置换出来的物料充填制品的其余部分(图1-3)。当填充过程完成以后，由气体继续提供保压压力，解决物料冷却过程中体积收缩的问题。

气体辅助注射成型主要有以下两种基本类型：恒体积和恒压力。体积恒定时，汽缸内已经加压的气体在注射之前就已经预先确定好注射体积，由活塞推动气体进入制品。气体的压力取决于制品中的体积与汽缸体积之比。气体的压力、停留时间以及活塞运动速度直接影响着制品外观。如图1-4所示为恒体积成型中一个注射周期内的压力变化曲线。对于每一注射周期，在注射之前都必须重新建立压力。

压

气

时间

图1-4 恒体积系统的气体压力曲线图[源自：Innovation in

Polymer Processing：Molding,Stevenson，J.F.(Ed.)]

另外一种类型是恒压力成型。我们通过空气压缩机将氮气（N2）装入储存罐中预先加压，储存罐向一毓的阀门提供恒定压力。压力曲线可以通过调节气压和开启相应阀门来实现。图1-5所示为成型周期内，气体压力可以保持恒定。

时间

p

氮气压力

p p p p 3

图1-5 恒压力系统的气体压力曲线图[源自：Innovation in

Polymer Processing ：Molding,Stevenson ，J.F.(Ed.)]

气体辅助注射成型的实现主要有两个选择，二者的区别在于气体注入位置的不同。气体注射既可以通过喷嘴来实现，也可以直接注进模腔——从分流道进入或者直接进入制品(如图1-6、图1-7和图1-8)。最主要的不同是由喷嘴进气的方式要求所有气道都从喷嘴外开始。而采取气体直接注射到模具中的方式时，气体通道可以独立地设置在浇口位置。对于这种方式，注射之前物料可以实现正常的填充。

气体辅助注射成型加工的基本方式有许多种。这里介绍其中两种：一是采用多个喷嘴的形式；另一是在熔融物料中使液体蒸发产生气体从而形成气体通道。

多喷嘴的气体辅助注射成型方法与结构发泡成型方法一样都是用于成型大件制品。采用这种方式可以缩短气体流动距离，降低气体注射压力和模腔所受压力。多个喷嘴气体辅助注射成型方式常用于同一模板上的多个模具的情况。不过单个模具也可拥有一个或者多个气体喷嘴，这取决于制品形状大小以及气体流动距离的要求。

由于会受到流动平衡和填充方式的制约，单个喷嘴的气体辅助注射成型方式对于在一个成型周期内成型多个形状不同、质量不同的制品是非常困难的。多喷嘴气体辅助注射方式则可以解决这个问题。它允许向多个模腔中充入不同体积的物料和不同压力的气体。现在已经有人设计出了一种可以同时控制6个气体喷嘴进行工作的机器。它的控制系统允许6个不同的模具同时安装在拥有多个喷嘴的机器模板上。图1-11为同时成型一个9kg和一个2.3kg制品的示意图。有些模腔可以同时有多个喷嘴，而其他模腔则只有一个喷嘴。机器可通过编写程序来实现对不同的模腔中注入不同要求的物料和气体。这样我们可以将机器的工作能力提高50%甚至更高。这项技术现在主要用于质量2.3kg以上大型制品的生产当中。

HELGA（Hettinga 液态气体辅助注射成型）与前一种用N2来辅助成型的方法有很大区别，如图1-12所示。成型所需的一部分物料先被注入模腔中，随后采用共注射的方式注入更多包含专门液体的物料。液体与熔融物料接触以后转化为气体形成中空结构。当液体停止流动时，注射过程也随之结束。气体包含在制品里面，它提供的压力可以使制品的缩痕降到最低。制品冷却以后，即使制品受热其内部的气体不会活动。

HELGA成型方法与采用气体喷嘴的成型方法效果相当，它在应用过程中最大的一个优点就是制品不用开设进气孔，而其他一些气体辅助性成型方式在完成制品成型以后，都必须采取另外一个工序来封口。

许多公司都拥有气体辅助注射成型的专利权。这些专利的内容包括将气体注入熔体的各种技术、气体喷嘴的设计及先后顺序等。表1-1列出了提供这项专利技术的主要供应商名单。建议你在决定使用其中某项技术之前，先对这些专利技术做一个全面了解，看看你所用的与其中哪一项相近。这些技术所用的设备在全球范围都可以获得。表1-2列出了一些具有全球供应能力的供应商名单。

表1-1气体辅助注射成型技术供应商名单

气体辅助注射成型的适用范围

气体辅助注射成型技术用在哪里，原因何在呢？设计人员发现气体辅助注射成型最大的优点就是制品由于中空结构使刚性增加而不用增加质量，有时甚至还能减轻。以下是气体辅助注射成型制品的两个主要类型：

——封闭式气道

——开放式气道

封闭式气道制品主要由一个厚壁截面和气体穿行的通道组成。比如门把手、扶手、框架结构、中空管等都属于此类结构。因为气体的扩散有一条设定好的清晰路线，而且制品没有薄壁部分，所以这种制品是最容易加工成型的。

开放式气道制品主要是薄壁元件，类似于传统的加强筋结构制品。因为气体可能会穿透制品的薄壁部分（有时趋向于指形），因此开放式气道制品的设计与制造都相对较困难。

气体辅助注射成型方法的优点

为什么人们对于气体辅助注射成型的兴趣如此之大呢？其主要的原因在于这种方法出现时所许诺的种种优点。以下是气体辅助注射成型其他成型方式相比所具有的一些优势：

制品残余应力降低

翘曲变形较小

减少／消除缩痕

更大的设计自由度

制品综合性能提高

与结构发泡相比，制品外观质量得到改善（也就是减少／消除修整过程）

中空制品且有以下特点

制品更加易于填充

物料流动距离更长

刚度与质量之比更大

与实心制品相比成型周期缩短

合模力吨位要求降低

注射压力降低

气道取代热流道系统从而使模具成本降低

上述即为气体辅助注射成型所拥有的优点。因此，很多公司都积极地对这项技术研究拓展新的应用领域。同其他所有的成型技术一样，必须通过所生产的制品来得到对技术的完整评价，也就是通过制品的特征和产量，来确定我们所选择的是最经济的成型加工方法。勉强去适应某种成型方法一般并不能得到最好的结果。

气体辅助注射成型方法的缺点

气体辅助注射成型肯定存在一些缺点，否则，在25年的时间里它早已在更加广阔的领域得到应用了。首先是专利使用权限制。表1-1列出了一些已经被申请专利保护的技术。虽然专利情况在不断地变化，但现在如果要使用Cinpres Ltd. , Gain Technologies和Nitrojection等公司的技术仍然需要得到专利许可。为了使用HELGA或者Johnson Controls多喷嘴成型技术而购买的设备则包括了专利使用权在内。

另外一个问题是附加的成本。即使没有专利使用权的要求，气体辅助注射成型的专用设备也会要求$30000~$85000的附加费用。这些附加费用是使用气体辅助注射成型技术的前提。根据专利使用权的费用和生产制品的产量，每个制品的成本费用增加可从少到每件几分多至数额非常巨大。

导致成本增加的另一个原因是气体的使用。除了HELGA加工方法外，一般气体辅助注射成型技术都因为氮气来源充足而将其作为首选的注射用气体。在气体辅助注射成型的早期发展阶段，高压气缸氮气常作为气体来源。这是因为氮气的用量很少，汽缸能够放在靠近机器的地方，而且成本低廉。

随着气体辅助注射成型制品产量的增加，与氮气使用相关的诸如成本、供应和安全等问题引起了人们的注意。高压氮气的来源可以通过采用大型低温液氮容器或者采用现场氮气发生器来得到。表1-3为Bauer Gas Systems Inc进行的一项研究。研究用的氮气流速为13cfm(360L/min)，工作时间为24小时／天，7天／周，50周／年。这项研究表明采用现场氮气发生器的成本回收期为半年左右，而采用液氮的成本回收周期要一年左右。不管怎样我们必须承认，氮气的使用的确使生产成本增加，而且收益率也因此受到极大的压缩。

表1-3氮气费用研究汽缸／液体／膜分离器

汽缸液体膜分离器(现场)