注塑工藝及模具設計第六講 特種注塑模（三）

洪慎章

(上海交通大學塑性成形技術與裝備研究院，上海 200030)

6.3 氣體輔助注塑模

氣體輔助注塑成型工藝是由德國的 Battenfe1d公司最先提出的。該工藝是當型腔中注射了部分聚合物熔體以后，緊接著通過噴嘴、流道將壓縮空氣（通常為 N2）注入熔體中形成中空塑件的特殊工藝，即表層是連續(xù)結實的實體，而塑件的心部存在空氣空間。這樣的塑件有高的強度質量比，所以在汽車、建材及日用品中有著十分誘人的發(fā)展前景。

圖340所示為 Battenfe1d公司的氣體輔助注塑裝置。 圖341所示為氣體輔助注塑成型過程。

圖340 氣體輔助注塑裝置

氣體的壓力、流量、體積是決定塑件中空氣夾芯方位、大小等的重要因素。 另外，模具結構和工藝參數（如注射速度、熔料溫度、模具溫度、注射壓力、保壓時間等）也對氣體夾芯產生重要影響。

6.3.1 氣體輔助注塑成型的優(yōu)點

（1）在塑件厚壁處，肋、凸臺等部位表面不會出現縮痕，提高了塑件質量。 一般氣體輔助注塑成型制件的截面形狀如圖342所示。

（2）所需鎖模力為一般注塑成型的1/10～1/5，可大幅度降低設備成本。

（3）因成型時注射壓力低，故塑件中的殘余應力極小，塑件不易出現翹曲和應力碎裂，可大幅度降低廢品率。

（4）可減輕塑件的質量，減少原材料的費用，使塑件適應工業(yè)產品輕型化的要求。

（5）所需冷卻時間短，可縮短成型周期，提高注塑成型的生產效率。

（6）可成型各種復雜形狀的塑件。

6.3.2 熱固性樹脂材料

根據 Battenfe1d的研究，對不同熱固性塑料使用內部氣壓的可能性依賴于注射階段熔料的流動行為（流動曲線），已經表明必須滿足下列的先決條件:

（1）熔料對模壁腔的黏合性（熔料無低黏度潤滑層）。

（2）熔料前沿沿型腔壁流動的平板流動曲線 。

（3）壓縮流動前沿（熔料的任—部分未被壓縮）。

已經表明平板流動的熱固性塑料具有上述性能，因此非常適合內部氣壓技術。

適合采用氣助壓力系統(tǒng)的熱固性樹脂有酚醛樹脂（PF）、脲醛樹脂（UF）、三聚氰胺甲醛樹脂（MF）、三聚氰胺-酚醛樹脂（MP）、不飽和聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂（EP）。

氣體輔助注塑模具的基本結構與—般注塑模具相同。由于采用低壓成型，有利于提高模具壽命，但對型腔表面的形位精度提出了更高的要求。這是因為這種成型方法能較逼真地反映型腔壁表面的狀況，對于成型表面帶有裝飾花紋的塑件有好處；但另—方面，如果模具表面存在某些缺陷，也能從塑件表面反映出來。

6.4 水輔助注塑模

德國又開發(fā)出基于同樣原理的新的注塑成型技術——水輔助注塑成型技術，它比氣體輔助注塑成型技術在縮短成型周期、減小制件厚度與重量等方面更具有吸引力。如德國 Sulo公司開發(fā)成功的 PP塑料成型的全塑超市購物手推車。該產品用氣體輔助成型需要的時間是280 s，而用水輔助成型只需68 s。可見水輔助注塑成型是一項極具有竟爭優(yōu)勢的成型技術。

6.4.1 水輔助注塑成型工藝過程與方法

6.4.1.1 水輔助注塑成型工藝過程

水輔助注塑成型的基本過程是: 先將塑化好的塑料熔體注入封閉的模具型腔，然后通過安裝于模具上的注射器將一定溫度與壓力的水注入型腔內熔體的心部。由于水的溫度遠低于熔體溫度，因此水流及其前鋒面與熔體接觸的界面因熔體溫度迅速降低而形成一層高黏度的固化膜，將水流包裹在制件壁厚中心。水流在壓力作用下，如同柱塞一樣推動熔體向前流動并最終充滿型腔。同時，當型腔內的高溫熔體開始接觸到較冷的型腔壁時，也會在模壁處產生一定厚度的凝固層，使得制件心部的水流不致穿透固化膜與模壁接觸。經過一定時間的冷卻固化，便可排空制件心部的水，開模獲得空心的制件。

水輔助注塑成型工藝過程可分為四個階段，即熔體注射→水的注射→水的排空→塑件脫模

6.4.1.2 水輔助注塑成型方法

按照具體成型工藝過程的不同，目前水輔助注塑成型有4種工藝方法。

（l）短射（欠量注射）法 這種方法也稱吹脹法，它是通過對封閉型腔進行經過準確計量的熔體欠量注射，然后迅速切換到向型腔內的熔體心部注入高壓水而實現的。水在熔體心部流動如同柱塞一樣推動熔體向前并充滿型腔，同時實施保壓，如圖343所示。來自注塑機機筒的熔體和供水系統(tǒng)的水，由專門的控制閥門分別控制。制件固化后，打開控水閥門，借助水的重力或外界壓縮空氣的壓力可將水排凈。這種方法在熔體欠量注射結束而切換到水的注入時，會因熔體流短暫的停滯而在制件表面形成滯留痕，影響外觀質量。它適合壁厚較大的制件成型，但應嚴格控制熔體注入的量。若注入的熔體量太少，可能導致水流前鋒面的熔體膜被穿透，使水進入型腔而損傷模具。

（2）返流法 該方法是注入熔體時，型腔先被熔體完全充滿，然后通過安裝于模具上且位于熔體充模流動末端或附近的水注射器向型腔內熔體心部注入水。水的壓力高于熔體壓力，因此，型腔心部的熔體受水的排擠被迫向注塑機機筒的頭部空間返流，如圖344所示。這種方法避免了短射法在由注入熔體后向注水切換時在制件表面上形成的滯留痕跡，可獲得表面優(yōu)質的制件，但需要特殊的噴嘴和阻逆環(huán)控制返流回注射機筒的熔體量，且不允許水穿透到注塑機機筒前端。同時返流回來的熔體與注射機筒原有的熔體存在溫度和壓力的差異，這將會影響下一次注射的制件質量。

圖343 短射法

圖344 返流方法

（3）溢流法 這種工藝方法的模具需用兩個型腔，一個為成型制件的主型腔，另一個是與其連通的溢流腔。主型腔通過安裝在其末端的控制閥與溢流腔隔開形成兩個封閉型腔。開始注入熔體時主型腔被完全充滿，然后由水注射器向主型腔內的熔體心部注水，并打開主型腔末端的控制閥，使主型腔內被水排擠出來的熔體通過閥門通道流入溢流腔。關閉主型腔閥門可對制件實施保壓，如圖345 所示。這種方法同樣可獲得表面優(yōu)質的制件，但脫模后制件及溢流腔需增加修整、清理與切除多余材料的工序。

（4） 流動法 這是短射法與溢流法的結合。成型時先對型腔進行欠量的熔體注射，然后向型腔內的熔體心部注入水，水推動熔體向前流動充滿型腔，打開型腔端部的控制閥，水流穿透熔體前鋒面的固化膜，通過型腔末端的控制閥，流回到供水系統(tǒng)回路，如圖346所示。這種方法節(jié)省材料，同時水從制件心部流向循環(huán)回路，增加冷卻速率，但制件的出水口處會產生缺陷 。

圖345 溢流方法

圖346 流動方法

6.4.2 水輔助注塑成型技術的主要特點

水輔助注塑成型技術與氣體輔助注塑成型技術相比較，其根本差別在于二者使用的輔助成型介質的性質不同: 一種是液態(tài)的水，另一種是氣態(tài)的氮氣。水是不可壓縮的，而氣體則可以。水不但黏度高于氣體，而且水的熱導率比氣體大40倍，其熱容量也比氣體高4倍。由于水的流體特性，使水輔助注塑成型具有如下特點:

（l）縮短循環(huán)時間 水輔助注塑成型是將一定溫度（10～80℃）的高壓（30 MPa） 水注入型腔內熔體的心部，因此，水可直接從制件壁厚的心部對制件進行冷卻，而且這種冷卻是隨著制件形狀由內到外均勻作用的，冷卻充分，效果好，可大大縮短制件的成型周期。研究表明，水輔助成型的冷卻循環(huán)時間只有氣體輔助成型的25%，甚至更低。如成型直徑為Φ10 mm、壁厚為1.0～1.5 mm的制件，氣體輔助成型時間為60 s，而水輔助成型時間只需10 s；成型直徑為 （Φ30 mm、壁厚為2.5～3.0 mm的制件，氣體輔助成型時間需要180 s，而水輔助成型時間只需40 s。

（2）制件表面無縮痕 水輔助成型中注入型腔的熔體，是在高達近30 MPa的水壓力作用下緊貼型腔壁流動與冷卻固化的，制件的整個成型收縮與冷卻定型過程始終受到來自制件心部的水壓力作用。制件壁厚密度高，冷卻均勻，收縮一致，表面平整無縮痕，沒有翹曲與扭曲變形，外觀質量好。

（3）可成型薄壁和內表面光滑的制件 由于水輔助成型所用的水溫度遠低于熔體溫度，因此注入型腔的水與高溫熔體接觸的界面，會因熔體溫度迅速降低 而立即形成一層光滑的高黏度固化膜。固化膜內側的水在壓力作用下向外均勻施壓，使尚未凝固的制件壁厚受壓而減薄，但水不會穿透固化膜進入壁厚，同時水流前鋒面的熔體在水壓力作用下向前推移，使更多的熔體向前流動，從而獲得壁厚較小且內表面光滑的制件。圖347所示為水輔助成型與氣體輔助成型制件內表面的比較。水的黏度高于氣體，以及熔體固化膜的作用，使水不會像氣體那樣容易滲入到熔體內，因此，可獲得內表面光滑的制件。而氣體則容易滲透到制件內表面，并產生氣泡或形成空隙，致使制件內表面粗糙。

圖347 制件內表面的形貌

（4）節(jié)省材料 水輔助成型可成型比氣體輔助成型所能達到的壁厚更小的制件，因而節(jié)省材料，減輕制件重量，降低成本。研究表明，水輔助注塑成型可節(jié)省材料30%～40%。氣體輔助成型在用于直徑較大的制件成型時，其壁厚仍較大，易造成制件內表面產生氣泡。當成型直徑超過Φ40 mm的制件時，氣道形成后，因壁厚較大及氣體不具有冷卻作用，易造成壁厚不均。而水輔助成型具有高于氣體的水壓力及快速冷卻的作用，可使壁厚小而均勻。用氣體輔助成型和水輔助成型分別成型直徑為Φ6～Φ8的玻璃纖維增強的PA管狀制件，試驗表明，水輔助成型的制件壁厚可比氣體輔助成型的壁厚小50%以上。

（5）水介質可重復利用且易于控制與獲得 水輔助成型方法中，制件中排出的水，可回流到供水系統(tǒng)循環(huán)使用。同時水的溫度、壓力、流量等易于準確控制，有利于保證成型制件的質量。水比氣體輔助成型用的氮氣方便易得，經濟有效。

（6）增加排水工序 水輔助成型的制件冷卻固化后，需排空排凈制件心部的水，然后脫模。目前有兩種方法:一是靠水的重力排空；二是借助外界壓縮空氣的壓力將水排出。后者排水干凈，但需增加供氣裝置。

此外，水的密封問題是關系到水輔助成型技術能否獲得廣泛應用的關鍵。一旦發(fā)生水的泄漏或濺射到模具上，會影響制件的成型質量。因此，應有可靠的密封或防漏措施。

6.4.3 水輔助注塑成型的應用范圍

水輔助注塑成型的應用范圍與氣體輔助成型基本一致，但它可成型比氣體輔助成型具有更大更長的內部空間或更小壁厚，以及內表面光滑的制件，既適用于小型制件的成型，也適用于大型制件的成型。

（1）復雜形狀的管狀制件 這類制件用水輔助成型可獲得更大的截面空問和較小的壁厚，節(jié)省材料，縮短成型周期，如各種手柄、扶手、家具腿、門把手和汽車上的冷卻管路等。對于超過180°彎曲的管狀制件，用水輔助成型獲得的制件可比氣體輔助成型具有更均勻的壁厚和更光滑的內表面，如圖348所示。

（2）厚壁制件 對壁厚或直徑較大的制件，用水輔助成型可獲得合理的結構剛度與較小的壁厚，大大減小制件的重量，節(jié)省原材料，同時降低了成型制件對注塑機能力的要求。

圖348 不同彎曲度的管狀制件水輔助成型與氣體輔助成型壁厚的比較

（3） 壁厚不均的復雜結構制件 這類制件的厚壁部分可通過水輔助成型，避免傳統(tǒng)注塑成型工藝中因收縮不均而引起的翹曲、扭曲及表面縮痕等缺陷，從而獲得表面平整光滑的制件，提高了制件設計的靈活性和自由度。

6.5 模內裝飾注塑模

6.5.1 模內裝飾原理及特點

傳統(tǒng)的塑料器件表面印上不同的圖案，而這些圖案往往會因長時間摩擦（尤其是接觸按鍵）而消失，且不耐劃傷，容易產生劃痕。即使印在透明按鍵材料上，這些圖案也不會透光，并且對于表面不平整的材料，只能用移印的辦法印上圖案，給批量生產帶來了不便。隨著社會的進步，人們對表面裝飾的要求也在不斷提高，為滿足社會的需要，人們研制和開發(fā)了新的表面裝飾技術——ⅠMD 技術。

ⅠMD（Ⅰn-Mold Decoration，模內裝飾） ，就是將已印刷成型好的裝飾片材放入注塑模內，然后將樹脂注射在成型片材的背面，使樹脂與片材接合成一體固化成型的技術。ⅠMD是在注塑成型的同時進行鑲件加飾的技術，產品是和裝飾承印材料覆合成為一體，對立體狀的成型品全體可進行加飾印刷，使產品達到裝飾性與功能性于一身的效果。采用該方法可同時獲得鍍金和印刷等效果，并可在三維曲面上同時表現6種色相，適合于大批量生產。利用可成型膜進行模內涂裝是一種經濟、耐用和環(huán)保的 ⅠMD方式，正取代成型后上漆、印制、熱沖壓和鍍鉻等工藝，廣泛應用于家電、電子、汽車、計算機、通信等行業(yè)，通常手機顯示屏、鍵盤裝飾多采用這種工藝。ⅠMD工藝特點如下:

（1）產品穩(wěn)定性。使產品產生一致性與標準化的正確套色。

（2）產品耐久性。透過特殊處理的 COATⅠNG薄膜的保護，可提供產品更優(yōu)良的表面耐磨與耐化學特性。

（3） 3D復雜形狀設計。應用薄膜優(yōu)良的伸展性，可順利達成所需的產品復雜性外形設計需求。

（4） 多樣化風格。可依客戶需求創(chuàng)造金屬電鍍或天然材質特殊式樣亮銀的金屬圖案和印刷圖案結合，可以進行更為廣泛的圖案設計。

（5）制程簡化。經由一次注塑成型的方法，將成型與裝飾同時完成，可有效降低成本與工時，可提供穩(wěn)定的生產。

（6） 降低成本與工時。ⅠMD制程中只需要一套模具，不像其他制程需開多套模具，可以去除一次作業(yè)程序的人力與工時，降低系統(tǒng)成本與庫存成本。

（7）可避免下述直接印刷的問題:印刷機器、制版等設備；印刷技術的學習；油墨、有機溶劑的處理；印刷顏色調配和轉印的初期工序。

表52為 ⅠMD與其他表面裝飾技術的比較。

表52 ⅠMD與其他表面裝飾技術的比較

6.5.2 模內裝飾的工藝流程及分類

日本寫真印刷株式會社 （ Nissha） 在裝飾膜設計、 印刷以及模內裝飾研究、設計、生產領域處于全球領先地位。Nissha將模內覆膜分為 ⅠMD Type-TR（trans- fer，油墨轉移型模內裝飾，見圖349）、ⅠMD Type-S（simulforming，模壓型模內裝飾，見圖 350）、 ⅠMD Type-P（preforming，預壓成型模內裝飾，見圖351）。ⅠMD Type-TR就是常說的模內裝飾（ⅠMD） ，ⅠMD Type-S、 ⅠMD Type-P 是模內貼標簽（ⅠML） 。它們之間的比較見表53。

ⅠMD Type-TR的特點：廣泛應用于弱電、辦公自動化、化妝品、汽車等領域；注塑、裝飾可以由一個工藝完成，并可以實現自動化；需要專用的模具；可以實現圖案的定位注塑。

ⅠMD Type-S的特點：注塑、圖案裝飾在同一工序內實現（可實現自動化）；需使用專用的注塑成型模具；注塑成型后需要加工。

表53 模內裝飾油墨轉移型、模壓型、預壓成型工藝特性對比

圖349 油墨轉移型模內裝飾薄膜結構和注塑過程

ⅠMD Type-P的特點：由于是凸成型，不易造成上部圖案的拉伸；可以超過分型面裝飾。

圖350 模壓型模內裝飾薄膜結構和注塑過程

圖351 預壓成型模內裝飾薄膜結構和注塑過程

目前ⅠMD按制造過程的不同可分為薄膜式模內轉印（ⅠMF）及滾筒式模內轉印（ⅠMR）兩種。ⅠMF法是先將油墨印刷在一層厚度約0.18 mm的薄膜[材料為聚碳酸酯（PC）或聚對苯二甲酸乙二醇酯]上，經過成型之后，置于注塑機臺上，依靠模具定位機構定位，在模內與基材一同成型。ⅠMR法是先以滾筒印刷的方式將薄膜印制成卷再以滾筒方式運送。ⅠMF與ⅠMR的優(yōu)缺點列于表54。

表54 ⅠMF與ⅠMR的比較

6.5.3 模內裝飾結構設計

（l） 制品 在成型厚壁部件時，必須注意膜的厚度，確保模具是為ⅠMD而設計的，否則部件有可能損失達30%的厚度。

（2） 模具 幾個模具上的問題需要解決，如果使用多澆口模具，會在膜的平滑表面上出現焊縫，還會有排氣問題，要在部件邊緣進行排氣。ⅠMD需要對充模過程和流動模式進行極為仔細的控制，注射壓力變化要小，必須留意澆口位置或者降低流道長度。對于一些應用來說，使用多閥澆口可能是一種解決方案。

（3）機械手 傳統(tǒng)橫動機械手已經被用于 ⅠMD。有專業(yè)人士指出，相比氣動或液動伺服混合型機械手，全伺服機械手可能是一種更佳的選擇，因為伺服定位更為精確，可重復性更高，可更容易地調節(jié)動作。

ⅠMD膜需要細致小心地操作，一些廠家在機械手的臂端工具中利用聚甲醛或氟聚合物材料的抓爪，而不會損傷表面。吸杯是另一種流行的辦法，緩慢旋轉吸杯，拾起嵌膜，而不會損傷膜，可以使用調整器來操控真空。

（4）嵌膜 在模內放置和保持住薄膜也是 ⅠMD中的關鍵因素，因此讓預成型嵌膜帶上靜電有助于預成型品在模內的精確定位。

對嵌膜尺寸進行正確計算是一個重要而又易被忽視的因素，要確保膜的尺寸略微小于最終部件的尺寸。當膜被背部成型時，它將會因引入的基層產生熱膨脹而伸長。如果在背部成型之前膜的尺寸與完成品尺寸一樣，膜就將在模內溢料。必須計算出首先當膜受熱至模溫時會如何膨脹，然后當注入基層時會如何膨脹。

6.5.4 lMD油墨

6.5.4.1 溶劑型油墨

采用溶劑型油墨網印 ⅠMD 的PC片后，需在隧道式且具有良好通風的三級干燥機中烘干。三級的最后一級干燥，建議在90℃恒溫烘干3～5 h。因此，溶劑型油墨的生產周期長，且一旦油墨的干燥程度掌握不好，就會給最后的注塑成品率帶來非常大的影響。因為溶劑型油墨印后干燥不徹底，在油墨中殘留溶劑，此溶劑在注射模內受熱的條件下無法跑掉，就會向油墨內外散發(fā)，在溶劑蒸氣壓力大的情況下，油墨就會向四周擴散而造成 “飛油” 現象，使圖文周邊模糊，嚴重者印刷的圖文全部擴散，飛濺形成向四周散射性的 “花紋 ”。

6.5.4.2 光固化油墨在 lMD技術的應用特點

（1） 可實行自動化印刷，生產效率高。

（2） UV油墨光固化只需幾秒或十幾秒，固化速度非常快。

（3）可網印更精細的線條，分辨率高，且墨層較薄，印刷面積大。

（4）注塑前，UV墨印跡若不覆膜，也不會產生印跡油墨“飛油”現象。

（5） 整個操作系統(tǒng)容易控制，UV油墨因溶劑量較少，故不需長時間蒸發(fā)或烘干溶劑過程，因而注塑時油墨受熱就不會產生“飛油”現象。

ⅠMD技術的出現，將會大大推進儀器儀表、計算機、鍵盤、面板、汽車表盤的網印技術的發(fā)展。在不久的將來，多種家用電器、 汽車等超大型產品的外殼也將會使用 ⅠMD技術完成，使生產完全實行自動化，提高效率。因此，ⅠMD技術是集合特殊 PC片材、注塑樹脂、耐溫油墨、彩色絲網印刷、沖壓成型注塑模具的設計、 制造及注塑工藝的綜合技術，因此技術含量較高，涉及技術范圍廣，因此需要有合理的結構設計，再配上先進的器材和合理的工藝，ⅠMD（ⅠMS）將會得到廣泛的應用。