氣體輔助成型技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

郭 偉

（大連職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧大連 116037）

0 引言

氣輔注塑成型技術(shù)（GAIM），也叫中空注射成型技術(shù)，是國(guó)內(nèi)最近二十年發(fā)展起來的一種注塑成型工藝。該技術(shù)在1986 年德國(guó)國(guó)際塑料機(jī)械展覽會(huì)上展出后，很快作為新工藝被接受，并稱之為塑料加工業(yè)的未來技術(shù)[1]。由于氣體輔助成型技術(shù)在減少模具費(fèi)用、合模力噸位、成型周期和制品材料用量等方面有較大優(yōu)勢(shì)，它的潛力很快引起北美市場(chǎng)的注意[2]。氣體輔助注塑成型技術(shù)在80 年代末得到不斷完善和發(fā)展并商品化，90 年代作為一項(xiàng)成功技術(shù)開始進(jìn)入實(shí)用階段。1990 年黃苔在《國(guó)外塑料》雜志中發(fā)表了一篇翻譯文章《氣體輔助注射成型—項(xiàng)已商業(yè)化的新技術(shù)》，引發(fā)了國(guó)內(nèi)技術(shù)人員對(duì)氣體輔助成型技術(shù)的關(guān)注和研究。此后在90 年代末，中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所塑料國(guó)家工程研究中心的梁瑞鳳、北京航空航天大學(xué)華正模具研究所的許鶴峰、陳言秋、華中理工大學(xué)塑性成形模擬及模具技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的張華、李德群、鄭州工業(yè)大學(xué)橡塑模具國(guó)家工程研究中心的申長(zhǎng)雨等人陸續(xù)發(fā)表了氣輔注塑成型技術(shù)的介紹文章，帶動(dòng)了國(guó)內(nèi)氣輔注塑成型技術(shù)的應(yīng)用推廣。

1 氣輔注射成型技術(shù)原理

氣輔注塑成型技術(shù)（GAIM）是指注塑過程中在塑膠填充模具型腔的適當(dāng)時(shí)候（填充比60%～99%），將高壓惰性氣體（通常為氮?dú)釴2）經(jīng)氣輔控制器通過氣孔、澆口、流道或直接注入模腔內(nèi)熔融塑料內(nèi)，氣體在熔融塑膠的包裹下推動(dòng)熔融塑膠繼續(xù)充滿型腔，并繼續(xù)用氣體保壓代替?zhèn)鹘y(tǒng)的塑膠保壓過程的一種新興的注塑成型技術(shù)。惰性氣體的功能主要是驅(qū)動(dòng)熔融塑膠繼續(xù)流動(dòng)直至充滿模腔，同時(shí)形成中空管道，減少材料用量和制品壁厚，縮短冷卻時(shí)間。

氣輔注塑成型技術(shù)生產(chǎn)制品的典型工藝過程主要分為熔體注射、氣體注射、氣體保壓和制品頂出4 個(gè)階段。根據(jù)具體工藝過程的不同，氣輔注塑成型技術(shù)可分為標(biāo)準(zhǔn)成型法、副腔成型法、熔體回流法和活動(dòng)型芯法四種[3]。

2 氣輔注塑成型技術(shù)的特點(diǎn)

相較于傳統(tǒng)的螺桿擠壓注塑成型技術(shù)，氣輔注塑成型技術(shù)（GAIM）具有以下優(yōu)點(diǎn)[4]：

（1）消除縮癟痕跡：傳統(tǒng)注塑產(chǎn)品在肉厚部分容易發(fā)生縮癟現(xiàn)象，縮癟產(chǎn)生的原因在于材料的厚度太大引起的梯度收縮，外側(cè)（先接觸模腔）的樹脂會(huì)先冷卻，內(nèi)部的熔融樹脂繼續(xù)冷卻的時(shí)候，體積減少帶來外側(cè)先冷卻部分受拉變形而出現(xiàn)縮癟。氣輔注塑成型技術(shù)通過借助中空氣體管道施壓，促使產(chǎn)品收縮時(shí)由內(nèi)部向外部進(jìn)行，則固化后在外觀上便不會(huì)有縮癟痕跡。

（2）減少殘余應(yīng)力、降低翹曲問題[5]：傳統(tǒng)的注塑成型技術(shù)，為了確保塑料充填完整，即熔融塑料由主流道流動(dòng)到模腔的全部區(qū)域，需要維持較高壓力。這一壓力帶來了較高的流動(dòng)剪應(yīng)力，殘存應(yīng)力會(huì)造成制品在高低溫下發(fā)生形變。氣輔注塑成型技術(shù)利用高壓惰性氣體將熔融塑料壓緊到模腔上，由于氣體是非粘性的，能夠有效傳遞壓力。熔融塑料內(nèi)部的氣體各處等壓，因此模具型腔內(nèi)壓力分布比傳統(tǒng)工藝均勻，同時(shí)氣體前沿到熔體前沿的距離縮短，縮短了有效流長(zhǎng)，有效降低內(nèi)應(yīng)力，減少了制品發(fā)生翹曲的問題。

（3）降低鎖模力，提高模具的效益：傳統(tǒng)注塑的注塑和保壓壓力較高，需要較高的鎖模力，以防止塑料溢出。但GAIM 的保壓壓力只需要與內(nèi)部的惰性氣體壓力相平衡，故可以大幅降低鎖模力。鎖模力的降低，使得模具可以采用易加工的鋁合金材料。另外，鎖模力的降低，使得選擇注塑機(jī)時(shí)可以適當(dāng)降低注塑機(jī)噸位，減少設(shè)備投資，提高設(shè)備利用率。

（4）節(jié)省材料：由于氣輔注塑成型技術(shù)會(huì)在制品內(nèi)部形成中空的氣體管道，壁厚控制效果好，故可以減少材料用量，一般減少10%～50%[6]，具體的材料節(jié)省比例根據(jù)澆口和氣道的詳細(xì)設(shè)計(jì)而有所不同。根據(jù)材料的慣性矩和抗彎截面系數(shù)的計(jì)算，中空氣道對(duì)制品的抗彎能力影響很小，可以忽略不計(jì)。

（5）縮短成型周期：氣輔注塑成型技術(shù)的應(yīng)用帶來制品材料的減少及內(nèi)部的中空結(jié)構(gòu)，可以使冷卻速度大幅降低，有效降低制品成本。

（6）延長(zhǎng)模具壽命：氣輔注塑成型技術(shù)有效降低了注射壓力和鎖模力，模具承受的壓力大幅降低，可以有效降低模具的設(shè)計(jì)成本，提高模具的使用壽命。

（7）降低注塑機(jī)機(jī)械損耗：氣輔注塑成型技術(shù)的應(yīng)用降低了注射壓力和鎖模力，使注塑機(jī)各主要受力部件所受壓力相應(yīng)降低，減少了主要零件的磨損，提高了注塑機(jī)的使用壽命。

3 氣輔注塑成型技術(shù)的應(yīng)用

氣輔注塑成型技術(shù)（GAIM）在1985 年首次應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)后，人們對(duì)于這一技術(shù)的研究熱情高漲，在歐美、日本以及中國(guó)香港、臺(tái)灣等地迅速得到推廣和應(yīng)用。人們利用其減輕翹曲變形、提高表面質(zhì)量的優(yōu)點(diǎn)，生產(chǎn)汽車儀表板、汽車內(nèi)飾件[7-10]、大型家用電器外殼[11]、大型家具等；利用其內(nèi)部中空管道節(jié)省原料、縮短冷卻時(shí)間等降低成本的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用于生產(chǎn)衣服架、工具手柄、支撐件等柱狀制品。

4 氣輔注塑成型技術(shù)的發(fā)展

氣輔注塑成型技術(shù)（GAIM）在近年來發(fā)展迅速，除了上面介紹的內(nèi)部氣輔注塑成型技術(shù)外，還拓展出了應(yīng)用在汽車儀表板、汽車內(nèi)飾件上的外部氣體輔助注塑成型技術(shù)、振動(dòng)氣輔注塑技術(shù)、冷卻氣體氣輔注塑技術(shù)、多腔控制氣輔注塑技術(shù)、氣輔共注成型技術(shù)[12-13]以及水輔注塑成型技術(shù)等。其中，外部氣體輔助注塑技術(shù)用氣體注射過程替代了保壓過程的作用，進(jìn)一步節(jié)省了注塑工藝周期和應(yīng)力變形，但該技術(shù)只適應(yīng)于單側(cè)外觀件的情況；水輔成型技術(shù)具有制品冷卻時(shí)間短、內(nèi)壁光滑、不易出現(xiàn)手指效應(yīng)、水可循環(huán)利用等優(yōu)點(diǎn)，在近年得到了較快的推廣，然而與氣輔成型技術(shù)相比，該技術(shù)會(huì)產(chǎn)生較大的注射孔，而且水輔成型技術(shù)最后需要一個(gè)排水過程，故不宜用于生產(chǎn)薄壁外觀件；振動(dòng)氣輔注塑技術(shù)、冷卻氣體氣輔注塑技術(shù)、多腔控制氣輔注塑技術(shù)在設(shè)備投資、工藝難度、應(yīng)用場(chǎng)景等方面具有較多的局限性，尚未得到廣泛普及。

5 總結(jié)

氣輔注塑成型技術(shù)（GAIM）作為螺桿擠壓注塑成型技術(shù)出現(xiàn)以來最大的技術(shù)進(jìn)步，在近年來得到了較為迅速的發(fā)展和推廣。在中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所塑料國(guó)家工程研究中心、北京航空航天大學(xué)華正模具研究所、華中理工大學(xué)塑性成形模擬及模具技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、鄭州工業(yè)大學(xué)橡塑模具國(guó)家工程研究中心等科研院所和成都航天塑膠集團(tuán)、廣州中新塑料有限公司以及各大電視廠商的推動(dòng)下，我國(guó)的塑料制品行業(yè)緊跟氣輔注塑成型技術(shù)發(fā)展，對(duì)于提高我國(guó)塑料制品的產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率都起到了重要的作用。

然而，氣輔注塑成型和水輔注塑成型等關(guān)鍵技術(shù)受到了英國(guó)的Gas Injection、Cinpres 公司，德國(guó)的Battenfeld、Bayer 公司，奧地利的Engel 公司，美國(guó)的Nitrojection、Hettinga 公司等公司的專利限制，我國(guó)尚未在這一關(guān)鍵技術(shù)方面取得有效突破。在氣輔注塑模具的設(shè)計(jì)和優(yōu)化方面，我們也還處于探索和研究階段，主要的優(yōu)化方針軟件也是采用國(guó)外的MoldFlow、C-Mold 等。隨著氣輔注塑日漸成為塑料加工領(lǐng)域內(nèi)廣泛應(yīng)用的新興工業(yè)技術(shù)，我們還需要在氣輔注塑成型技術(shù)的工藝和設(shè)計(jì)方針等關(guān)鍵技術(shù)方面加大研發(fā)力度和科研投入。