氣體輔助注塑成型技術(shù)研究

雷治林 宋相軍

摘 要：氣體輔助注塑成型技術(shù)通過在熔體注塑過程中引入高壓氣體，獲得高表面質(zhì)量、高尺寸精度的塑料制件，從而克服了常規(guī)注射成型工藝難以一次成型壁厚差異大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的注塑件的局限性，目前已經(jīng)在國內(nèi)外家電、汽車等眾多行業(yè)獲得推廣應(yīng)用。本文介紹了氣體輔助注射成型技術(shù)原理、特點、優(yōu)勢、適用范圍及發(fā)展前景，分析了氣輔成型制品的典型氣道截面形狀以及常見的工藝缺陷問題，并以保險杠、把手等汽車零部件為例闡述了氣體輔助注塑成型工藝在汽車行業(yè)應(yīng)用的技術(shù)優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：氣輔注塑成型;汽車注塑件;設(shè)計原則;工藝

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.21.037

1 氣體輔助注塑成型技術(shù)概述

1.1 氣體輔助注塑成型的技術(shù)原理與技術(shù)特點

氣體輔助注塑成型技術(shù)是20世紀(jì)90年代初興起于歐洲的一種創(chuàng)新性的塑料成型技術(shù)。該技術(shù)的主要成型原理為：在塑料熔體填充成型模具的過程中，利用可控制的高壓氣體（通常為氮氣）注入到塑料熔體內(nèi)部，從而推動塑料熔體充填全部模具型腔，并通過高壓氣體在熔體內(nèi)部形成的中空氣道對塑料熔體施加保壓壓力，從而可以實現(xiàn)一次性生產(chǎn)壁厚差異大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的注塑制件。由于氣體注入的位置及壓力可以靈活設(shè)置，大大提高了汽車、家電、日用品等眾多行業(yè)注塑制件的設(shè)計自由度，被稱為注塑成型行業(yè)繼螺桿注塑機以來的又一項革命性技術(shù)[1]。

氣體輔助注塑成型技術(shù)的優(yōu)勢：（1）節(jié)省材料10%～50%;（2）鎖模力降低30%～70%;（3）提高生產(chǎn)效率20%～40%;（4）消除制品的縮痕、翹曲等缺陷。

1.2 氣體輔助注塑成型技術(shù)的應(yīng)用范圍

由于高壓氣體注入注塑制件內(nèi)部后形成中空氣道，因此氣輔注塑成型技術(shù)對于桿類或棒狀制件具有顯著的節(jié)省原材料效果，例如冰箱/電器把手件、座椅扶手等厚壁實心類注塑制件。采用氣體輔助注塑成型技術(shù)，不僅可以節(jié)省原材料高達20%-40%，而且由于高壓氣體由內(nèi)向外的保壓作用，還可以取得優(yōu)異的表面質(zhì)量。此外，氣體輔助注塑成型技術(shù)還可以有效地提升大型平板類制件的成型尺寸精度，抑制或消除平板類制件常見的翹曲變形缺陷，例如車門板、冰箱托盤、汽車內(nèi)外飾件等平板類制件采用氣體輔助注塑成型工藝，可以通過合理設(shè)計和利用制件的加強筋結(jié)構(gòu)，在加強筋根部開設(shè)氣體通道，從而有效減小或消除平板件因截面壁厚差異產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，達到降低或消除翹曲變形的目的。隨著新一代電視技術(shù)的發(fā)展，電視機的大尺寸化、平面化趨勢不斷提高，對大屏幕電視的前后殼體注塑件尺寸精度和裝配要求越來越嚴(yán)格，日本64cm以上大屏幕電視的前/后殼體注塑件采用氣體輔助注塑成型技術(shù)生產(chǎn)的比例超過90%，各類家用電器的注塑制件已經(jīng)成為氣體輔助注塑成型技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一[2]。

1.3 氣體輔助注塑技術(shù)的發(fā)展前景

氣體輔助注塑成型技術(shù)自從20世紀(jì)90年代進入工業(yè)化生產(chǎn)后，首先被彩電行業(yè)引入用于解決大尺寸平面電視機殼體的高精度成型難題。日本電視機廠商利用氣體輔助注塑成型技術(shù)成功地實現(xiàn)了29〞電視機殼前殼體的生產(chǎn)，隨后國內(nèi)的電視機廠商如四川長虹等也引進英國氣體輔助注塑成型設(shè)備生產(chǎn)大尺寸平面電視機。國外主要的汽車廠商也十分關(guān)注氣體輔助注塑成型技術(shù)在汽車行業(yè)的應(yīng)用，例如美國Ford公司、日本馬自達公司都開發(fā)了不同車型的保險杠、儀表板、雜物箱等氣體輔助注塑成型制件。此外，隨著人們對各種消費類電子產(chǎn)品、辦公/日常用品的要求不斷輕薄化、便攜化，氣體輔助注塑成型制件設(shè)計一體化程度高、成型質(zhì)量好等技術(shù)優(yōu)勢將得到進一步的推廣普及。

2 氣輔成型制品典型氣道形狀和常見工藝問題

氣輔成型制品的設(shè)計原則：（1）制品公稱厚度以不小于2mm為原則;（2）氣道過長，在氣流長度方向可能存在氣體穿透不足，而使產(chǎn)品產(chǎn)生縮痕等質(zhì)量缺陷;（3）氣體穿透長度過短，可能會產(chǎn)生氣流穿過氣道外，出現(xiàn)“跑道效應(yīng)”;（4）氣道過小，會出現(xiàn)“氣指效應(yīng)”，氣體穿透無法控制;（5）正確的氣道尺寸，能夠?qū)怏w引導(dǎo)到所有期望穿透的區(qū)域，通常是制品壁厚的2～4倍。進一步講，氣道斷面任何尺寸不可大于30mm;氣道斷面大小尺寸比應(yīng)小于2;氣道寬度一般是高度的0.5到1.5倍;氣道轉(zhuǎn)角內(nèi)圓角半徑以大于6mm為原則;經(jīng)穿透后的氣道壁厚度大約是直徑的1/3。

3 汽車注塑件氣輔成型工藝應(yīng)用實例

為了滿足汽車注塑零部件的一體化發(fā)展要求，美國OEM廠商Delphi內(nèi)飾件和照明系統(tǒng)公司與GE公司合作開發(fā)了汽車車門內(nèi)板氣輔成型制件（“Super Plug”計劃）。該計劃實現(xiàn)了以塑代鋼的設(shè)計目標(biāo)，采用全新結(jié)構(gòu)設(shè)計的樹脂與30%玻璃纖維材料，通過氣體輔助注塑成型技術(shù)，成功制造了截面差異大、壁厚分布不均（零件厚度為3mm～20mm不等）的整體汽車車門內(nèi)板，從而替代了原有設(shè)計方案以金屬材料為主的61個零件裝配而成的汽車門板，不僅大幅減輕了零部件質(zhì)量，而且不需要后續(xù)的裝配工序和設(shè)備，顯著降低了設(shè)備和人工成本。

用氣輔技術(shù)的優(yōu)勢：（1）所有組件整合為一體，減少組件和裝配成本;縮痕消除，表面質(zhì)量提高;（2）注塑機噸位2600噸，比傳統(tǒng)注塑成型降低了26%;（3）質(zhì)量減輕：前保險杠降低37%，后保險杠降低24%。

4 結(jié)論

氣體輔助注塑成型技術(shù)利用連通腔體內(nèi)部氣體壓力均等的原理，克服了常規(guī)注塑成型工藝的單一熔體流動、填充等性能的局限性，因此受到國內(nèi)外塑料加工行業(yè)的廣泛關(guān)注，該技術(shù)首先在國外彩電行業(yè)獲得實際應(yīng)用，隨后進入汽車、日用品、電子電信等眾多行業(yè)，在國內(nèi)也逐漸獲得重視。該技術(shù)能夠大大提高產(chǎn)品的設(shè)計自由度，節(jié)省原材料消耗量，降低和節(jié)約生產(chǎn)設(shè)備的投資。隨著我國經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展，氣體輔助注塑成型技術(shù)必將在我國汽車、家電、日用、交通等諸多行業(yè)進一步推廣，并創(chuàng)造顯著的經(jīng)濟效益。

參考文獻：

[1]梁瑞鳳.氣體輔助注射成型技術(shù)—一項向傳統(tǒng)注射成型工藝挑戰(zhàn)的未來技術(shù)[J].高分子通報，1996（04）：226-233.

[2]梁繼才，孫志斌，付沛福，李笑明.氣體輔助注射成型裝置[J].電加工與模具，2000（02）：36-38.

[3]潘俊宇，匡唐清，賴德煒，陳碧龍.汽車門把手的氣體輔助注塑模具改進及工藝優(yōu)化[J].中國塑料，2017（04）：91-96.

*為通訊作者