气体辅助注射成型技术原理及应用.

气体辅助注射成型技术原理及应用

气体辅助注射成型(Gas-Assisted Injection Molding, GAIM)技术最早可追溯到20世纪70年代，该技术在20世纪80年代末得到了完善并实现了商品化。从20世纪90年代开始，作为一项成功的技术，气体辅助注射成型技术在美、日、欧等发达国家和地区得到了广泛应用。目前该技术主要被应用在家电、汽车、家具、日常用品、办公用品等加工领域中。

气体辅助注射成型技术的工艺过程

气体辅助注射成型技术的工艺过程是：先向模具型腔中注入塑料熔体，再向塑料熔体中注入压缩气体。借助气体的作用，推动塑料熔体充填到模具型腔的各个部分,使塑件最后形成中空断面而保持完整外形。在成型后的制品中，由气体形成的中空部分被称为气道。由于具有廉价、易得且不与塑料熔体发生反应的优点，因此一般所使用的压缩气体为氮气。

气体辅助注塑成型周期可分为以下六个阶段。

（1）塑料充模阶段

这一阶段与普通注塑成型基本相同，只是普通注塑成型时塑料熔体是充满整个型腔，而气体辅助注塑成型时塑料熔体只充满局部型腔，其余部分要靠气体补充。（2）切换延迟阶段

这一阶段是塑料熔体注射结束到气体注射开始时的时间，这一阶段非常短暂。（3）气体注射阶段

此阶段是从气体开始注射至整个型腔被充满的时间，这一阶段也比较短，但对制品质量的影响极为重要，如控制不好，会产生空穴、吹穿、注射不足和气体向较薄的部分渗透等缺陷。

（4）保压阶段

熔体内气体压力保持不变或略有上升使气体在塑料内部继续穿透，以补偿塑料冷却引起的收缩

（5）气体释放阶段

使气体入口压力降到零。

（6）冷却开模阶段

将制品冷却到具有一定刚度和强度后开模取出制品。

根据具体工艺过程的不同，气体辅助注射成型可分为标准成型法、副腔成型法、熔体回流法和活动型芯法四种。

1、标准成型法

标准成型法是先向模具型腔中注入经准确计量的塑料熔体（如图1a所示)，再通过浇口和流道注入压缩气体。气体在型腔中塑料熔体的包围下沿阻力最小的方向扩散前进，对塑料熔体进行穿透和排空（如图1b所示），最后推动塑料熔体充满整个模具型腔并进行保压冷却（如图1c所示)，待塑料制品冷却到具有一定刚度和强度后，开模将其顶出(如图1d所示)。

2、副腔成型法

副腔成型法是在模具型腔之外设置一个可与型腔相通的副型腔。首先关闭副型腔，向型腔中注射塑料熔体，直到型腔充满并进行保压(如图2a所示)。然后开启副型腔，向型腔内注入气体。由于气体的穿透，使多余出来的熔体流入副型腔(如图2b所示)。当气体穿透到一定程度时，关闭副型腔，升高气体压力以对型腔中的熔体进行保压补缩(如图2c所示),最后开模顶出制品(如图2d所示)。3、熔体回流法

熔体回流法与副腔成型法类似，所不同的是模具没有副型腔。气体注入时，多余的熔体不是流入副型腔，而是流回注射机的料筒, 如图3所示。

4、活动型芯法

活动型芯法是在模具型腔中设置活动型芯。首先使活动型芯位于最长伸出位置，向型腔中注射塑料熔体，直到型腔充满并进行保压(如图4a所示)。然后注入气体，活动型芯从型腔中逐渐退出以让出所需的空间(如图4b所示)。待活动型芯退到最短伸出位置时，升高气体压力实现保压补缩（如图4c所示）, 最后制品脱模（如图4d所示）。

气体辅助注射成型技术的设备配置

气体辅助注射成型技术所需配置的设备主要包括注射机、气体压力控制单元和供气及回收装置。

1、注射机

气体辅助注射成型对注射机的注射量和注射压力的精度要求较高。一般情况下，要求注射机的注射量精度误差应在±0.5%以内，注射压力波动相对稳定，控制系统能和气体压力控制单元匹配。此外，气体辅助注射成型有时要求注射机使用弹弓射嘴以防止熔体倒流，并通过反映螺杆行程的位移触发器(电子尺)触发气体压力控制单元。

2、气体压力控制单元

气体压力控制单元包括压力控制阀和电子控制系统，有固定式和移载式两种。固定式气体压力控制单元是将压力控制阀直接安装在注射机上，将电子控制系统直接安装在注射机控制箱内，即气体压力控制单元和注射机连为一体。移载式气体压力控制单元是将压力阀和电子控制系统做在一套控制箱内，使其在不同的情况下能和不同的注射机搭配使用，如图5所示。

3、供气和回收装置

供气装置由备用氮气罐、氮气发生器、低压氮气罐、增压装置和高压氮气罐组成。氮气发生器制备的氮气首先进入低压罐，然后经增压装置进入高压罐，高压氮气再经由气体压力控制单元按设定压力进入模具。回收装置用于回收气体注射通路中残留的氮气，回收后的氮气进入低压罐。氮气发生器如图6所示。

气辅工艺控制

1．注气参数气辅控制单元是控制各阶段气体压力大小的装置，气辅参数只有两个值：注气时间（秒）和注气压力（MPa）。

2．气辅注塑过程是在模具内注入塑胶熔体的同时注入高压气体，熔体与气体之间存在着复杂的两相作用，因此工艺参数控制显得相当重要，下面就讨论一下各参数的控制方法：

a．注射量气辅注塑是采用所谓的“短射”方法（short size），即先在模腔内注入一定量的料（通常为满射时的70－95％），然后再注入气体，实现全充满过程。熔胶注射量与模具气道大小及模腔结构关系最大。气道截面越大，气体越易穿透，掏空率越高，适宜于采用较大的“短射率”。这时如果使用过多料量，则很容易发生熔料堆积，料多的地方会出现缩痕。如果料太少，则会导致吹穿。如果气道与流料方向完全一致，那么最有利于气体的{HotTag}穿透，气道的掏空率最大。因此在模具设计时尽可能将气道与流料方向保持一致。

b．注射速度及保压在保证制品表现不出现缺陷的情况下，尽可能使用较高的注射速度，使熔料尽快充填模腔，这时熔料温度仍保持较高，有利于气体的穿透及充模。气体在推动熔料充满模腔后仍保持一定的压力，相当于传统注塑中的保压阶段，因此一般讲气辅注塑工艺可省却用注塑机来保压的过程。但有些制品由于结构原因仍需使用一定的注塑保压来保证产品表现的质量。但不可使用高的保压，因为保压过高会使气针封死，腔内气体不能回收，开模时极易产生吹爆。保压高亦会使气体穿透受阻，加大注塑保压有可能使制品表现出现更大缩痕。

c．气体压力及注气速度气体压力与材料的流动性关系最大。流动性好的材料（如PP）采用较低的注气压力。几种材料推荐压力如下：塑料种类熔纸(g/10min) 使用气压(MPa) PP 20~30 8~10 HIPS 2~10 15~20 ABS

1~520~25 气体压力大，易于穿透，但容易吹穿；气体压力小，可能出现充模不足，填不满或制品表面有缩痕；注气速度高，可在熔料温度较高的情况下充满模腔。对流程长或气道小的模具，提高注气速度有利于熔胶的充模，可改善产品表面的质量，但注气速度太快则有可能出现吹穿，对气道粗大的制品则可能会产生表面流痕、气纹。

d．延迟时间延迟时间是注塑机射胶开始到气辅控制单元开始注气时的时间段，可以理解为反映射胶和注气“同步性”的参数。延迟时间短，即在熔

胶还处于较高温度的情况下开始注气，显然有利于气体穿透及充模，但延迟时间太短，气体容易发散，掏空形状不佳，掏空率亦不够。

气体辅助注射成型技术的特点

传统的注射成型不能将制品的厚壁部分与薄壁部分结合在一起成型，而且由于制件的残余应力大，易翘曲变形，表面有时还会有缩痕。通常，结构发泡成型的缺点是，制件表面的气穴往往因化学发泡助剂过分充气而造成气泡，而且装饰应用时需要喷涂。气体辅助注射成型则将结构发泡成型与传统的注射成型的优点结合在一起，可在保证产品质量的前提下大幅度降低生产成本，具有良好的经济效益。气体辅助注射成型技术的优点主要体现在：

● 所需注射压力小。气体辅助注射成型可以大幅度降低对注射机吨位的要求，使注射机投资成本降低，电力消耗下降，操作成本减少。此外，由于模腔内压力的降低，还可以减少模具损伤，并降低对模具壁厚的要求，从而降低模具成本。

● 制品翘曲变形小。由于注射压力小，且塑料熔体内部的气体各处等压，因此型腔内压力分布比传统注射成型均匀，保压冷却过程中产生的残余应力较小，使制品出模后的翘曲倾向减小。

● 可消除缩痕，提高表面质量，降低废品率。气体辅助注射成型保压过程中，塑料的收缩可由气体的二次穿透予以补偿，且气体的压力可以使制品外表面贴紧模具型腔，所以制品表面不会出现凹陷。此外，该技术还可将制品的较厚部分掏空以减小甚至消除缩痕。

● 可以用于成型壁厚差异较大的制品。由于采用气体辅助注射成型可以将制品较厚的部分掏空形成气道从而保证制品的质量，因此采用这种方法生产的制品在设计上的自由度较大，可以将采用传统注射成型时因厚薄不均必须分为几个部分单独成型的制品合并起来，实现一次成型。

● 可以在不增加制品重量的情况下，通过气体加强筋改变材料在制品横截面上

的分布，增加制品的截面惯性矩，从而增加制品的刚度和强度，这有利于减轻汽车、飞机、船舶等交通工具上部件的重量。

● 可通过气体的穿透减轻制品重量，节省原材料用量，并缩短成型周期，提高生产率。

● 该技术可适用于热塑性塑料、一般工程塑料及其合金以及其他用于注射成型的材料。

气体辅助注射成型技术的缺点是：需要增加供气和回收装置及气体压力控制单元，从而增加了设备投资；对注射机的注射量和注射压力的精度要求有所提高；制品中接触气体的表面与贴紧模壁的表面会产生不同的光泽；制品质量对工艺参数更加敏感，增加了对工艺控制的精度要求。

气体辅助注射成型CAE分析

过去，在确定气体辅助注射成型工艺时，主要是通过尝试法，即依靠设计人员的经验来设计产品和模具，凭技术人员的经验来确定工艺参数，然后通过多次实验，不断修正已有的方案。其结果是，在增加生产成本的同时，还延长了产品的开发周期。

目前，可借助计算机辅助工程（CAE）实现上述过程。气体辅助注射成型CAE分析的主要作用是：

● 分析产品的成型工艺性；

● 评价模具的设计是否合理；

● 优化成型工艺参数；

●预测制品可能出现的缺陷。

实践证明，采用气体辅助注射成型技术成型的把手不仅重量得以减轻，而且缩短了成型周期，表面质量达到了要求，单个零件的生产成本也大幅度减少。

气体辅助注射成型技术的应用

气体辅助注射成型技术可应用于各种塑料产品上，如电视机或音箱外壳、汽车塑料产品、家具、浴室、厨具、家庭电器和日常用品、各类型塑胶盒和玩具等。具体而言，主要体现为以下几大类：

● 管状和棒状零件，如门把手、转椅支座、吊钩、扶手、导轨、衣架等。这是因为，管状结构设计使现存的厚截面适于产生气体管道，利用气体的穿透作用形成中空，从而可消除表面成型缺陷，节省材料并缩短成型周期。

● 大型平板类零件，如车门板、复印机外壳、仪表盘等。利用加强筋作为气体穿透的气道，消除了加强筋和零件内部残余应力带来的翘曲变形、熔体堆积处塌陷等表面缺陷，增加了强度/刚度对质量的比值，同时可因大幅度降低锁模力而降低注射机的吨位。

● 形状复杂、薄厚不均、采用传统注射技术会产生缩痕和污点等缺陷的复杂零件，如保险杠、家电外壳、汽车车身等。生产这些制品时，通过采用气体辅助注射技术并巧妙布置气道，适当增加加强筋数目，同时利用气体均匀施压来克服可能的缺陷，使零件一次成型，不仅简化了工艺，还降低了生产成本。

随着气体辅助注射成型技术的深入研究和广泛应用，形式各异的新型气体辅助注射成型技术也相继问世，如外部气辅注射成型、液辅注射成型、水辅注射成型、顺序注射与气辅注射相结合成型、局部气体辅助注射、振动气体辅助注射等。我国气体辅助注射成型技术的应用起步虽然较晚，但随着家电、汽车等工业的快速发展，对成型塑料制品的要求也在不断提高，有力地推动了这项技术的引进、研究和推广应用。