氣體輔助注塑成型技術研究

雷治林 宋相軍

摘 要：氣體輔助注塑成型技術通過在熔體注塑過程中引入高壓氣體，獲得高表面質量、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、結構復雜的注塑件的局限性，目前已經在國內外家電、汽車等眾多行業(yè)獲得推廣應用。本文介紹了氣體輔助注射成型技術原理、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)應用的技術優(yōu)勢。

關鍵詞：氣輔注塑成型;汽車注塑件;設計原則;工藝

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

1 氣體輔助注塑成型技術概述

1.1 氣體輔助注塑成型的技術原理與技術特點

氣體輔助注塑成型技術是20世紀90年代初興起于歐洲的一種創(chuàng)新性的塑料成型技術。該技術的主要成型原理為：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，從而可以實現一次性生產壁厚差異大、結構復雜的注塑制件。由于氣體注入的位置及壓力可以靈活設置，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[1]。

氣體輔助注塑成型技術的優(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的應用范圍

由于高壓氣體注入注塑制件內部后形成中空氣道，因此氣輔注塑成型技術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，不僅可以節(jié)省原材料高達20%-40%，而且由于高壓氣體由內向外的保壓作用，還可以取得優(yōu)異的表面質量。此外，氣體輔助注塑成型技術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，可以通過合理設計和利用制件的加強筋結構，在加強筋根部開設氣體通道，從而有效減小或消除平板件因截面壁厚差異產生的內應力，達到降低或消除翹曲變形的目的。隨著新一代電視技術的發(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生產的比例超過90%，各類家用電器的注塑制件已經成為氣體輔助注塑成型技術的主要應用領域之一[2]。

1.3 氣體輔助注塑技術的發(fā)展前景

氣體輔助注塑成型技術自從20世紀90年代進入工業(yè)化生產后，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成功地實現了29〞電視機殼前殼體的生產，隨后國內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備生產大尺寸平面電視機。國外主要的汽車廠商也十分關注氣體輔助注塑成型技術在汽車行業(yè)的應用，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計一體化程度高、成型質量好等技術優(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，而使產品產生縮痕等質量缺陷;（3）氣體穿透長度過短，可能會產生氣流穿過氣道外，出現“跑道效應”;（4）氣道過小，會出現“氣指效應”，氣體穿透無法控制;（5）正確的氣道尺寸，能夠將氣體引導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小于2;氣道寬度一般是高度的0.5到1.5倍;氣道轉角內圓角半徑以大于6mm為原則;經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)了汽車車門內板氣輔成型制件（“Super Plug”計劃）。該計劃實現了以塑代鋼的設計目標，采用全新結構設計的樹脂與30%玻璃纖維材料，通過氣體輔助注塑成型技術，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）的整體汽車車門內板，從而替代了原有設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量，而且不需要后續(xù)的裝配工序和設備，顯著降低了設備和人工成本。

用氣輔技術的優(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）質量減輕：前保險杠降低37%，后保險杠降低24%。

4 結論

氣體輔助注塑成型技術利用連通腔體內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，因此受到國內外塑料加工行業(yè)的廣泛關注，該技術首先在國外彩電行業(yè)獲得實際應用，隨后進入汽車、日用品、電子電信等眾多行業(yè)，在國內也逐漸獲得重視。該技術能夠大大提高產品的設計自由度，節(jié)省原材料消耗量，降低和節(jié)約生產設備的投資。隨著我國經濟的持續(xù)發(fā)展，氣體輔助注塑成型技術必將在我國汽車、家電、日用、交通等諸多行業(yè)進一步推廣，并創(chuàng)造顯著的經濟效益。

參考文獻：

[1]梁瑞鳳.氣體輔助注射成型技術—一項向傳統(tǒng)注射成型工藝挑戰(zhàn)的未來技術[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