氣體輔助成型技術發展現狀

郭 偉

（大連職業技術學院，遼寧大連 116037）

0 引言

氣輔注塑成型技術（GAIM），也叫中空注射成型技術，是國內最近二十年發展起來的一種注塑成型工藝。該技術在1986 年德國國際塑料機械展覽會上展出后，很快作為新工藝被接受，并稱之為塑料加工業的未來技術[1]。由于氣體輔助成型技術在減少模具費用、合模力噸位、成型周期和制品材料用量等方面有較大優勢，它的潛力很快引起北美市場的注意[2]。氣體輔助注塑成型技術在80 年代末得到不斷完善和發展并商品化，90 年代作為一項成功技術開始進入實用階段。1990 年黃苔在《國外塑料》雜志中發表了一篇翻譯文章《氣體輔助注射成型—項已商業化的新技術》，引發了國內技術人員對氣體輔助成型技術的關注和研究。此后在90 年代末，中國科學院化學研究所塑料國家工程研究中心的梁瑞鳳、北京航空航天大學華正模具研究所的許鶴峰、陳言秋、華中理工大學塑性成形模擬及模具技術國家重點實驗室的張華、李德群、鄭州工業大學橡塑模具國家工程研究中心的申長雨等人陸續發表了氣輔注塑成型技術的介紹文章，帶動了國內氣輔注塑成型技術的應用推廣。

1 氣輔注射成型技術原理

氣輔注塑成型技術（GAIM）是指注塑過程中在塑膠填充模具型腔的適當時候（填充比60%～99%），將高壓惰性氣體（通常為氮氣N2）經氣輔控制器通過氣孔、澆口、流道或直接注入模腔內熔融塑料內，氣體在熔融塑膠的包裹下推動熔融塑膠繼續充滿型腔，并繼續用氣體保壓代替傳統的塑膠保壓過程的一種新興的注塑成型技術。惰性氣體的功能主要是驅動熔融塑膠繼續流動直至充滿模腔，同時形成中空管道，減少材料用量和制品壁厚，縮短冷卻時間。

氣輔注塑成型技術生產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 個階段。根據具體工藝過程的不同，氣輔注塑成型技術可分為標準成型法、副腔成型法、熔體回流法和活動型芯法四種[3]。

2 氣輔注塑成型技術的特點

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

（1）消除縮癟痕跡：傳統注塑產品在肉厚部分容易發生縮癟現象，縮癟產生的原因在于材料的厚度太大引起的梯度收縮，外側（先接觸模腔）的樹脂會先冷卻，內部的熔融樹脂繼續冷卻的時候，體積減少帶來外側先冷卻部分受拉變形而出現縮癟。氣輔注塑成型技術通過借助中空氣體管道施壓，促使產品收縮時由內部向外部進行，則固化后在外觀上便不會有縮癟痕跡。

（2）減少殘余應力、降低翹曲問題[5]：傳統的注塑成型技術，為了確保塑料充填完整，即熔融塑料由主流道流動到模腔的全部區域，需要維持較高壓力。這一壓力帶來了較高的流動剪應力，殘存應力會造成制品在高低溫下發生形變。氣輔注塑成型技術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。熔融塑料內部的氣體各處等壓，因此模具型腔內壓力分布比傳統工藝均勻，同時氣體前沿到熔體前沿的距離縮短，縮短了有效流長，有效降低內應力，減少了制品發生翹曲的問題。

（3）降低鎖模力，提高模具的效益：傳統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，使得選擇注塑機時可以適當降低注塑機噸位，減少設備投資，提高設備利用率。

（4）節省材料：由于氣輔注塑成型技術會在制品內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]，具體的材料節省比例根據澆口和氣道的詳細設計而有所不同。根據材料的慣性矩和抗彎截面系數的計算，中空氣道對制品的抗彎能力影響很小，可以忽略不計。

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

（6）延長模具壽命：氣輔注塑成型技術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計成本，提高模具的使用壽命。

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

3 氣輔注塑成型技術的應用

氣輔注塑成型技術（GAIM）在1985 年首次應用于實際生產后，人們對于這一技術的研究熱情高漲，在歐美、日本以及中國香港、臺灣等地迅速得到推廣和應用。人們利用其減輕翹曲變形、提高表面質量的優點，生產汽車儀表板、汽車內飾件[7-10]、大型家用電器外殼[11]、大型家具等；利用其內部中空管道節省原料、縮短冷卻時間等降低成本的優點，應用于生產衣服架、工具手柄、支撐件等柱狀制品。

4 氣輔注塑成型技術的發展

氣輔注塑成型技術（GAIM）在近年來發展迅速，除了上面介紹的內部氣輔注塑成型技術外，還拓展出了應用在汽車儀表板、汽車內飾件上的外部氣體輔助注塑成型技術、振動氣輔注塑技術、冷卻氣體氣輔注塑技術、多腔控制氣輔注塑技術、氣輔共注成型技術[12-13]以及水輔注塑成型技術等。其中，外部氣體輔助注塑技術用氣體注射過程替代了保壓過程的作用，進一步節省了注塑工藝周期和應力變形，但該技術只適應于單側外觀件的情況；水輔成型技術具有制品冷卻時間短、內壁光滑、不易出現手指效應、水可循環利用等優點，在近年得到了較快的推廣，然而與氣輔成型技術相比，該技術會產生較大的注射孔，而且水輔成型技術最后需要一個排水過程，故不宜用于生產薄壁外觀件；振動氣輔注塑技術、冷卻氣體氣輔注塑技術、多腔控制氣輔注塑技術在設備投資、工藝難度、應用場景等方面具有較多的局限性，尚未得到廣泛普及。

5 總結

氣輔注塑成型技術（GAIM）作為螺桿擠壓注塑成型技術出現以來最大的技術進步，在近年來得到了較為迅速的發展和推廣。在中國科學院化學研究所塑料國家工程研究中心、北京航空航天大學華正模具研究所、華中理工大學塑性成形模擬及模具技術國家重點實驗室、鄭州工業大學橡塑模具國家工程研究中心等科研院所和成都航天塑膠集團、廣州中新塑料有限公司以及各大電視廠商的推動下，我國的塑料制品行業緊跟氣輔注塑成型技術發展，對于提高我國塑料制品的產品質量和生產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鍵技術受到了英國的Gas Injection、Cinpres 公司，德國的Battenfeld、Bayer 公司，奧地利的Engel 公司，美國的Nitrojection、Hettinga 公司等公司的專利限制，我國尚未在這一關鍵技術方面取得有效突破。在氣輔注塑模具的設計和優化方面，我們也還處于探索和研究階段，主要的優化方針軟件也是采用國外的MoldFlow、C-Mold 等。隨著氣輔注塑日漸成為塑料加工領域內廣泛應用的新興工業技術，我們還需要在氣輔注塑成型技術的工藝和設計方針等關鍵技術方面加大研發力度和科研投入。