氣體輔助注射成型(Gas-Assisted Injection Molding, GAIM)技術(shù)最早可追溯到20世紀(jì)70年代，該技術(shù)在20世紀(jì)80年代末得到了完善并實(shí)現(xiàn)了商品化。從20世紀(jì)90年代開始，作為一項(xiàng)成功的技術(shù)，氣體輔助注射成型技術(shù)在美、日、歐等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)得到了廣泛應(yīng)用。目前該技術(shù)主要被應(yīng)用在家電、汽車、家具、日常用品、辦公用品等加工領(lǐng)域中。
氣體輔助注射成型技術(shù)的工藝過程
氣體輔助注射成型技術(shù)的工藝過程是：先向模具型腔中注入塑料熔體，再向塑料熔體中注入壓縮氣體。*助氣體的作用，推動(dòng)塑料熔體充填到模具型腔的各個(gè)部分,使塑件最后形成中空斷面而保持完整外形。與普通注射成型相比，這一過程多了一個(gè)氣體注射階段，且制品脫模前由氣體而非塑料熔體的注射壓力進(jìn)行保壓。在成型后的制品中，由氣體形成的中空部分被稱為氣道。由于具有廉價(jià)、易得且不與塑料熔體發(fā)生反應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)，因此一般所使用的壓縮氣體為氮?dú)狻?/span>
根據(jù)具體工藝過程的不同，氣體輔助注射成型可分為標(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。
1、標(biāo)準(zhǔn)成型法
標(biāo)準(zhǔn)成型法是先向模具型腔中注入經(jīng)準(zhǔn)確計(jì)量的塑料熔體，再通過澆口和流道注入壓縮氣體。氣體在型腔中塑料熔體的包圍下沿阻力最小的方向擴(kuò)散前進(jìn)，對(duì)塑料熔體進(jìn)行穿透和排空，最后推動(dòng)塑料熔體充滿整個(gè)模具型腔并進(jìn)行保壓冷卻，待塑料制品冷卻到具有一定剛度和強(qiáng)度后，開模將其頂出。
2、副腔成型法
副腔成型法是在模具型腔之外設(shè)置一個(gè)可與型腔相通的副型腔。首先關(guān)閉副型腔，向型腔中注射塑料熔體，直到型腔充滿并進(jìn)行保壓。然后開啟副型腔，向型腔內(nèi)注入氣體。由于氣體的穿透，使多余出來的熔體流入副型腔。當(dāng)氣體穿透到一定程度時(shí)，關(guān)閉副型腔，升高氣體壓力以對(duì)型腔中的熔體進(jìn)行保壓補(bǔ)縮,最后開模頂出制品。
3、熔體回流法
熔體回流法與副腔成型法類似，所不同的是模具沒有副型腔。氣體注入時(shí)，多余的熔體不是流入副型腔，而是流回注射機(jī)的料筒。
4、活動(dòng)型芯法
活動(dòng)型芯法是在模具型腔中設(shè)置活動(dòng)型芯。首先使活動(dòng)型芯位于最長伸出位置，向型腔中注射塑料熔體，直到型腔充滿并進(jìn)行保壓。然后注入氣體，活動(dòng)型芯從型腔中逐漸退出以讓出所需的空間。待活動(dòng)型芯退到最短伸出位置時(shí)，升高氣體壓力實(shí)現(xiàn)保壓補(bǔ)縮, 最后制品脫模。
氣體輔助注射成型技術(shù)的設(shè)備配置
氣體輔助注射成型技術(shù)所需配置的設(shè)備主要包括注射機(jī)、氣體壓力控制單元和供氣及回收裝置。
1、注射機(jī)
氣體輔助注射成型對(duì)注射機(jī)的注射量和注射壓力的精度要求較高。一般情況下，要求注射機(jī)的注射量精度誤差應(yīng)在±0.5%以內(nèi)，注射壓力波動(dòng)相對(duì)穩(wěn)定，控制系統(tǒng)能和氣體壓力控制單元匹配。此外，氣體輔助注射成型有時(shí)要求注射機(jī)使用彈弓射嘴以防止熔體倒流，并通過反映螺桿行程的位移觸發(fā)器(電子尺)觸發(fā)氣體壓力控制單元。
2、氣體壓力控制單元
氣體壓力控制單元包括壓力控制閥和電子控制系統(tǒng)，有固定式和移載式兩種。固定式氣體壓力控制單元是將壓力控制閥直接安裝在注射機(jī)上，將電子控制系統(tǒng)直接安裝在注射機(jī)控制箱內(nèi)，即氣體壓力控制單元和注射機(jī)連為一體。移載式氣體壓力控制單元是將壓力閥和電子控制系統(tǒng)做在一套控制箱內(nèi)，使其在不同的情況下能和不同的注射機(jī)搭配使用。
3、供氣和回收裝置
供氣裝置由備用氮?dú)夤?、氮?dú)獍l(fā)生器、低壓氮?dú)夤?、增壓裝置和高壓氮?dú)夤藿M成。氮?dú)獍l(fā)生器制備的氮?dú)馐紫冗M(jìn)入低壓罐，然后經(jīng)增壓裝置進(jìn)入高壓罐，高壓氮?dú)庠俳?jīng)由氣體壓力控制單元按設(shè)定壓力進(jìn)入模具?；厥昭b置用于回收氣體注射通路中殘留的氮?dú)?，回收后的氮?dú)膺M(jìn)入低壓罐。氮?dú)獍l(fā)生器。
氣體輔助注射成型技術(shù)的特點(diǎn)
傳統(tǒng)的注射成型不能將制品的厚壁部分與薄壁部分結(jié)合在一起成型，而且由于制件的殘余應(yīng)力大，易翹曲變形，表面有時(shí)還會(huì)有縮痕。通常，結(jié)構(gòu)發(fā)泡成型的缺點(diǎn)是，制件表面的氣穴往往因化學(xué)發(fā)泡助劑過分充氣而造成氣泡，而且裝飾應(yīng)用時(shí)需要噴涂。氣體輔助注射成型則將結(jié)構(gòu)發(fā)泡成型與傳統(tǒng)的注射成型的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合在一起，可在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下大幅度降低生產(chǎn)成本，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。氣體輔助注射成型技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在：
● 所需注射壓力小。氣體輔助注射成型可以大幅度降低對(duì)注射機(jī)噸位的要求，使注射機(jī)投資成本降低，電力消耗下降，操作成本減少。此外，由于模腔內(nèi)壓力的降低，還可以減少模具損傷，并降低對(duì)模具壁厚的要求，從而降低模具成本。
● 制品翹曲變形小。由于注射壓力小，且塑料熔體內(nèi)部的氣體各處等壓，因此型腔內(nèi)壓力分布比傳統(tǒng)注射成型均勻，保壓冷卻過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力較小，使制品出模后的翹曲傾向減小。
● 可消除縮痕，提高表面質(zhì)量，降低廢品率。氣體輔助注射成型保壓過程中，塑料的收縮可由氣體的二次穿透予以補(bǔ)償，且氣體的壓力可以使制品外表面貼緊模具型腔，所以制品表面不會(huì)出現(xiàn)凹陷。此外，該技術(shù)還可將制品的較厚部分掏空以減小甚至消除縮痕。
● 可以用于成型壁厚差異較大的制品。由于采用氣體輔助注射成型可以將制品較厚的部分掏空形成氣道從而保證制品的質(zhì)量，因此采用這種方法生產(chǎn)的制品在設(shè)計(jì)上的自由度較大，可以將采用傳統(tǒng)注射成型時(shí)因厚薄不均必須分為幾個(gè)部分單獨(dú)成型的制品合并起來，實(shí)現(xiàn)一次成型。
● 可以在不增加制品重量的情況下，通過氣體加強(qiáng)筋改變材料在制品橫截面上的分布，增加制品的截面慣性矩，從而增加制品的剛度和強(qiáng)度，這有利于減輕汽車、飛機(jī)、船舶等交通工具上部件的重量。
● 可通過氣體的穿透減輕制品重量，節(jié)省原材料用量，并縮短成型周期，提高生產(chǎn)率。
● 該技術(shù)可適用于熱塑性塑料、一般工程塑料及其合金以及其他用于注射成型的材料。
氣體輔助注射成型技術(shù)的缺點(diǎn)是：需要增加供氣和回收裝置及氣體壓力控制單元，從而增加了設(shè)備投資；對(duì)注射機(jī)的注射量和注射壓力的精度要求有所提高；制品中接觸氣體的表面與貼緊模壁的表面會(huì)產(chǎn)生不同的光澤；制品質(zhì)量對(duì)工藝參數(shù)更加敏感，增加了對(duì)工藝控制的精度要求。
氣體輔助注射成型CAE分析
過去，在確定氣體輔助注射成型工藝時(shí)，主要是通過嘗試法，即依靠設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)來設(shè)計(jì)產(chǎn)品和模具，憑技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)來確定工藝參數(shù)，然后通過多次實(shí)驗(yàn)，不斷修正已有的方案。其結(jié)果是，在增加生產(chǎn)成本的同時(shí)，還延長了產(chǎn)品的開發(fā)周期。
目前，可*助計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）實(shí)現(xiàn)上述過程。氣體輔助注射成型CAE分析的主要作用是：
● 分析產(chǎn)品的成型工藝性；
● 評(píng)價(jià)模具的設(shè)計(jì)是否合理；
● 優(yōu)化成型工藝參數(shù)；
● 預(yù)測(cè)制品可能出現(xiàn)的缺陷。
目前國際上知名的氣體輔助注射成型CAE軟件是MoldFlow。我國氣體輔助注射成型CAE技術(shù)的研究與應(yīng)用起步較晚，華中科技大學(xué)模具技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和鄭州大學(xué)對(duì)該項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行了較深入的研究，并開發(fā)了相應(yīng)的軟件。
下面以成型把手為例，介紹氣體輔助注射成型CAE分析的過程。
如圖7所示的把手材料為ABS，手柄位置壁厚為14mm。由于是外觀件，對(duì)其成型要求很高。
在進(jìn)行模具設(shè)計(jì)之前，利用MoldFlow MPI 5.0對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了模擬。分析模型如圖8所示，在該分析模型中確定了澆口及進(jìn)氣口位置。在模擬中，設(shè)定預(yù)注射量為70%，熔體溫度為230℃，注射時(shí)間為3s，延遲時(shí)間為1.5s，氣體壓力為20MPa。模擬結(jié)果比較理想，如圖9所示。采用此種方案進(jìn)行模具設(shè)計(jì)，模具結(jié)構(gòu)圖。
實(shí)踐證明，采用氣體輔助注射成型技術(shù)成型的把手不僅重量得以減輕，而且縮短了成型周期，表面質(zhì)量達(dá)到了要求，單個(gè)零件的生產(chǎn)成本也大幅度減少。
氣體輔助注射成型技術(shù)的應(yīng)用
氣體輔助注射成型技術(shù)可應(yīng)用于各種塑料產(chǎn)品上，如電視機(jī)或音箱外殼、汽車塑料產(chǎn)品、家具、浴室、廚具、家庭電器和日常用品、各類型塑膠盒和玩具等。具體而言，主要體現(xiàn)為以下幾大類：
● 管狀和棒狀零件，如門把手、轉(zhuǎn)椅支座、吊鉤、扶手、導(dǎo)軌、衣架等。這是因?yàn)?，管狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使現(xiàn)存的厚截面適于產(chǎn)生氣體管道，利用氣體的穿透作用形成中空，從而可消除表面成型缺陷，節(jié)省材料并縮短成型周期。
● 大型平板類零件，如車門板、復(fù)印機(jī)外殼、儀表盤等。利用加強(qiáng)筋作為氣體穿透的氣道，消除了加強(qiáng)筋和零件內(nèi)部殘余應(yīng)力帶來的翹曲變形、熔體堆積處塌陷等表面缺陷，增加了強(qiáng)度/剛度對(duì)質(zhì)量的比值，同時(shí)可因大幅度降低鎖模力而降低注射機(jī)的噸位。
● 形狀復(fù)雜、薄厚不均、采用傳統(tǒng)注射技術(shù)會(huì)產(chǎn)生縮痕和污點(diǎn)等缺陷的復(fù)雜零件，如保險(xiǎn)杠、家電外殼、汽車車身等。生產(chǎn)這些制品時(shí)，通過采用氣體輔助注射技術(shù)并巧妙布置氣道，適當(dāng)增加加強(qiáng)筋數(shù)目，同時(shí)利用氣體均勻施壓來克服可能的缺陷，使零件一次成型，不僅簡化了工藝，還降低了生產(chǎn)成本。
隨著氣體輔助注射成型技術(shù)的深入研究和廣泛應(yīng)用，形式各異的新型氣體輔助注射成型技術(shù)也相繼問世，如外部氣輔注射成型、液輔注射成型、水輔注射成型、順序注射與氣輔注射相結(jié)合成型、局部氣體輔助注射、振動(dòng)氣體輔助注射等。我國氣體輔助注射成型技術(shù)的應(yīng)用起步雖然較晚，但隨著家電、汽車等工業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)成型塑料制品的要求也在不斷提高，有力地推動(dòng)了這項(xiàng)技術(shù)的引進(jìn)、研究和推廣應(yīng)用。
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