流體驅動彈頭輔助注塑技術的演變

匡唐清，馮 強，徐 盼，劉文文，柳和生

(1.華東交通大學機電與車輛工程學院，南昌 330013；2. 東華理工大學機電工程學院，南昌 330013)

0 前言

FPAIM是一種借助壓力流體驅動固體彈頭在熔體中穿透從而得到中空件的新型注塑工藝[1-3]。FPAIM技術在1992年的日本專利[1]中提出，到目前為止，國內外對該技術除了有少量相關專利外，只有德國亞琛大學IKV研究所[3-7]及本課題組[2,8-9]在開展該技術的研究、應用推廣工作。在FPAIM工藝中，先將彈頭置于流體射嘴上，而后合模注膠，彈頭被膠料覆蓋，再通過流體射嘴注入壓力流體，驅動彈頭在熔體中穿透，完成充填；在保持流體壓力，直到完成保壓補縮及冷卻；最后再卸壓，排出流體，開模取件，完成一個成型周期。如圖1所示[2-3]。根據工藝特點，與流體輔助注塑技術(Fluid-assisted injection molding, FAIM)藝類似，FPAIM工藝也可以分為5種方法：短射法、溢料法、回流法、活動型芯法和流動成型法[2-7]。

圖1 流體驅動彈頭輔助注塑工藝過程示意圖Fig.1 Schematic process sequence of the fluid-projectile-assisted injection technique

由于固體彈頭的引入，相對FAIM工藝，FPAIM技術可實現對殘留壁厚的有效控制，壁厚更均勻[10]；簡化了流體射嘴的設計與制造難度[3]；解決了水輔助注塑(Water-assisted injection molding, WAIM)技術存在的適用材料較少或材料需成本較高的特殊改性處理才能使用的問題[11]；可生產中空截面形狀特定、截面更大的中空件[3]。但是固體彈頭的引入也帶來了彈頭設計、制備及去除的問題，以及相對FAIM而言其不能成型變截面制件等問題。

針對FPAIM技術中存在的問題，又提出了些改進的方法與措施。本文擬從管件端口、彈頭形狀與制備、管件壁厚控制、與其他工藝的結合等方面對FPAIM技術的發展演變進行較全面地闡述，以促進該技術在我國的研究、發展與應用推廣。

1 管件端口

在傳統的FPAIM工藝中，彈頭位于型腔一端，彈頭前端被熔體覆蓋，在高壓流體的驅動下彈頭從型腔一端穿透到另一端，得到一端開放、一端封閉的中空管件。對通管、兩端封閉中空件、和歧管的成型需對此工藝進行改進。

1.1 通管FPAIM成型

傳統的FPAIM工藝中固體彈頭停留在管件末端，需切除末端后才得通管。Hidetoshi 等[12]提出一種方法，通過設置溢流腔，將彈頭排入溢流腔得到通管，如圖2所示。

圖2 通管的FPAIM成型裝置示意圖Fig.2 Diagram of an FPAIM device used to produce parts with open ends

為避免彈頭在穿透過程中卡滯，流體從彈頭側超車如同FAIM工藝般成型得到中空造成對成型質量的誤判，能確認彈頭完全穿透型腔，Yasuhiko 等[13]提出一種方法，通過在型腔末端溢流腔前端間設置彈頭儲留區，彈頭儲留段出口比彈頭截面略小，只要成型后在儲留區發現彈頭即可確認彈頭完全穿透型腔，如圖3所示。

圖3 現場確認彈頭完全穿透的FPAIM裝置示意圖Fig.3 Diagram of an FPAIM device that allows easy confirmation of quality at the site

1.2 兩端封閉的中空件FPAIM成型

Helmut等[14]提出了一種成型封閉中空件的FPAIM工藝，既保留了FAPIM工藝壁厚均勻的優點，又盡可能地減小了成型件上的開口痕跡。流體射嘴從對外觀影響很小的側邊伸入型腔，壓力流體注入時彈頭沿管道軸線方向穿透，穿透長度通過控制熔體預注射量來實現，如圖4所示。

圖4 兩端封閉中空件的FPAIM成型裝置Fig.4 An FPAIM device used to produce parts with closed inner voids

1.3 歧管FPAIM成型

在FPAIM工藝中，彈頭只能沿一個方向穿透，要利用多個彈頭沿多個方向穿透來得到歧管是非常困難的。可用抽芯方式成型歧管的某支管，但也僅限直管或圓弧管，模具結構也會較復雜。Minoru等[15]提出FPAIM工藝與FAIM工藝結合的方式來成型歧管，其中中空主管采用FPAIM工藝成型，而中空支管在彈頭經過分支位置后，打開其末端閥，利用FAIM工藝成型，高壓流體把支管中的熔體排擠到其溢料腔中，如圖5所示。

圖5 歧管的FPAIM成型工藝Fig.5 An FPAIM process used to produce a pipe with a branch

2 彈頭

在傳統FPAIM工藝中，彈頭為球狀，可獲得截面恒定、壁厚均勻的中空件。但對于彎管存在高壓流體超車的危險，也不能成型變截面的中空件。

2.1 彈頭形狀

在FPAIM工藝中應該防止發生彈頭翻轉、卡滯或流體超車現象的出現。在直管處只要彈頭足夠長就可以防止彈頭偏離穿透中心，彈頭前部圓角就可以防止卡滯。在彎管中，認為彈頭在彎曲處穿透的穩定性隨其長徑比而增長，但彈頭過長容易導致在彎曲處發生卡滯。彎管采用球型彈頭可保證截面形狀恒為圓形，但存在壓力流體超車的風險。Hopmann等[3]進行的初步實驗發現拋物線性彈頭適于成型彎管，通過比較不同長徑比彈頭在不同彎曲半徑彎管處的穿透，發現在同一彎曲半徑彎管中壁厚隨彈頭長徑比增加而變薄，采用相同長徑比的彈頭時壁厚隨彎曲角度的增大而變薄，嚴重時彈頭無法通過彎曲段而被卡滯。

采用球形彈頭時，在制件內表面會出現類似焊縫樣的缺陷，導致內表面的光潔度降低，在彎管中這一現象尤其顯著。若彈頭后部沒有柱面，比如只是個錐面或半球面，則彈頭不會沿著型腔中心穿透。Tomoyoshi 等[16]提出了一個由頂部和柱體部分組成的彈頭，柱體長徑比為0.1～1，頂部高長徑比為0.3～1.6，如圖6所示。

(a)圓柱+錐頂結合的彈頭 (b) 圓柱+球頂結合的彈頭圖6 柱+頂結合的彈頭示意圖Fig.6 Diagram of projectiles with a columnar portion and a top portion

為避免彈頭表面形成的薄膜留在制件內表面，導致需要額外的剝離操作。KATAGIRI[17]提出采用與成型塑料相容的樹脂制作球形彈頭，彈頭表面布滿大量凹坑以增強彈頭與薄膜間的作用力。采用樹脂制作彈頭也使得其更容易被壓力流體驅動。

2.2 變截面管成型

與FAIM工藝相比，在FPAIM工藝中只需要調整彈頭截面尺寸就可以獲得壁厚更薄的中空管件。傳統的FPAIM工藝的主要缺點是固體彈頭在熔體中穿透截面的恒定也就要求型腔橫截面形狀尺寸應該恒定。Metri等[18]針對截面積基本恒定的變截面管，提出采用壁厚均勻，彈性壓縮剛度低于成型材料，耐熱溫度高達350 ℃的彈性材料來制作中空彈頭，硅膠被認為是合適的材料。這樣的彈頭在變截面型腔中穿透時能彈性適應型腔截面，從而獲得壁厚基本均勻的變截面管件，如圖7所示。

圖7 使用彈性彈頭成型變截面管材Fig.7 Using elastic projectile to produce pipes with variable cross-section

Helmut[19]提出了另外一種具有不同外徑的管件的成型方法，設計了3種可隨流體壓力而膨脹的彈頭，由此成型截面大小變化的中空制件(如圖8所示)。該彈頭前段不可變形，后段可隨流體壓力而脹開，從而成型不同直徑等壁厚的中空件。彈頭材質包括不同硬度的TPE材料、PP、PE、PA或其他合適的共混物。

(a)帶鰓瓣狀條帶的彈頭 (b)帶薄壁可膨脹柱體的彈頭(c)帶可膨脹體與鰓瓣狀條帶的彈頭圖8 成型變管徑管件的彈頭Fig.8 Projectiles used to produce pipes with different outer diameters

2.3 彈頭成型

在傳統的FPAIM工藝中，成型前需預制彈頭并置于模具中，這降低了加工效率?？稍谀＞叩暮线m位置設置彈頭成型型腔，與制件同模成型，得到的彈頭可用于本模或下一模中空件的成型。Egon等[20]提出了一種通用裝置，彈頭型腔與成型件型腔相鄰且同軸，注入熔體充填滿兩型腔，彈頭型腔先期冷卻定型，打開彈頭成型哈夫塊，再注入高壓流體驅動彈頭在成型件型腔熔體中穿透，如圖9所示。Alexander 等[22]提出了一種直接在高壓流體射嘴附近加強冷卻獲得帽子狀彈頭的方法，如圖10所示。這2種方法都要求流體注入前流體射嘴必須關閉以免熔體進入。

(a)填充型腔、冷卻彈頭 (b) 成型彈頭哈夫模開模(c) 注入流體并驅動彈頭穿透零件型腔圖9 含零件型腔和彈頭型腔的FPAIM模具 Fig.9 An FPAIM device that contains a part portion and a projectile portion

(a)在型腔內成型彈頭 (b) 彈頭穿透型腔圖10 型腔內直接成型彈頭的FPAIM工藝Fig.10 An FPAIM process in which a projectile is formed directly within the part cavity

Moritz等[4]提出在FPAIM工藝中采用一種穿透時為固態，成型后相變為液態或氣態的彈頭，材質為冰或者干冰，這樣成型后就無需去除彈頭的操作了。

3 壁厚均勻性控制

圖11 具有一級子腔和二級子腔的可控制彈頭移動速度的FPAIM裝置Fig.11 An FPAIM device with a primary sub-cavity and a secondary sub-cavity that can be used to control the moving speed of the projectile

在FPAIM工藝中，彈頭在高壓流體驅動下在熔體中高速穿透，很難保證彈頭一定保持沿型腔中心穿透，很可能偏離中心，尤其是彎管，這會導致中空管件壁厚差增加。因此需控制彈頭速度，而很難通過控制流體壓力或流率來控制彈頭速度。Hidetoshi 等[12]提出在型腔后加設一具有兩級子腔和活動芯的溢流腔，通過控制溢流截面從而控制彈頭的穿透速度，如圖11所示。一級子腔的體積為彈頭體積的2～10倍，過小則增大了彈頭開始穿透時的壓力阻力，過大則不能有效地控制彈頭速度，難免穿透路線走偏；二級子腔可有很多分支，各分支截面為一級子腔截面的1/100～1/3，從而增大后段彈頭的穿透阻力，也利于排擠料的回收粉碎再利用。在子腔中的可往復活動芯也可與壓力流體同步控制。

4 彈性中空件的FPAIM成型

到目前為止，功能復雜的彈性中空件，比如用于流體傳輸的介質管，常采用的多步法成本較高。FPAIM工藝提供了一種容易實施的單步法[6]。彈性件的性能取決于注入流體注入量、流體注射延遲時間、流體溫度、流體壓力、保壓時長。無論在滿射法還是在短射法中，流體注射壓力都是一個關鍵的影響因素。一般滿射法所得質量更好更穩定，但會造成熱固性材料的浪費，其不可再利用。Hopmann 等[7]采用FPAIM工藝一步成型纖維增強彈性軟管，模具需裝配一纖維套管以保證熔體注入和流體注入時纖維的位置，所得軟管可用于高壓高溫應用場合。

5 與其他工藝組合

圖12 FPAIM和共注塑工藝的復合工藝示意圖Fig.12 A process combining FPAIM and co-injection molding

Hidetoshi 等[12]提出了一種將FPAIM與共注塑工藝相結合的工藝，在該工藝中往主型腔中先后注入增強聚合物和無增強聚合物，形成皮/芯層結構，最后再注入壓力流體，彈頭驅動芯層熔體-無增強聚合物，將其排擠進入溢流腔，如圖12所示。各層材料的厚度通過控制各層熔體的注射量及注射延遲時間來控制。內層無增強聚合物使得所得中空管件具有光滑的內表面，降低了流阻；外層增強聚合物保證了所得管件良好的力學性能；被排擠到溢流腔的無增強聚合物也更易于回收利用。

Hata 等[23]提出一種兩步FPAIM技術來生產具有兩層均勻壁厚的樂管。第一步采用FPAIM技術成型外層的中空管，第二步在第一步所得中空管內采用更小的彈頭利用FPAIM技術成型出內層。

6 結論

傳統FPAIM工藝在FAIM工藝的基礎上引入一個固體彈頭，利用壓力流體驅動彈頭在熔體中穿透形成中空，由此帶來系列優點，但同時也存在些局限。通過采取合適手段可實現通管、兩段封閉的中空管、歧管的FPAIM成型；通過采取合適的彈頭形狀、彈頭材質及彈頭成型方法實現彈頭的穩定穿透、變截面管的成型及彈頭的高效成型與去除；通過對模具進行改造實現彈頭的穩定穿透，獲得均勻壁厚；FPAIM用于彈性中空件的成型及與其他工藝相結合，拓展了該工藝的應用及該工藝制件的功能。這些方法手段相當部分還只停留在想法上，具體實施還存在諸多困難，還需進一步深入的研究。