气体辅助注射成型.doc

气体辅助注射成型 2.1 气体辅助注射成型概述 气体辅助注塑成型技术是一项新兴的塑料注射成型技术，此技术最早可追溯到1971年，美国尝试用加气注射成型方法制造中空鞋跟，但未取得成功，1983年英国采用低发泡注射成型法制造建筑材料时衍生出控制塑料制品内部压力的成型方法，称之为气体辅助注射成型。该技术很快得到迅速的发展，推动各行业的进步。 1、气体辅助注射成型的适用范围 气体辅助注射成型最大的优点是制品由于中空结构使刚性增加而不用增加质量，有时还能减轻。 由气体辅助注射成型制品有两大类 1）封闭式气道 封闭式气道制品主要是由一个厚壁截面和气体穿行的通道组成。如门把手、扶手、框架结构、中空管等。 2）开放式气道 开放式气道制品主要是薄壁元件，类似于传统的加强筋结构制品。 2、气体辅助注塑技术的优点主要有 1） 制品残余应力降低 2） 翘曲变形较小 3） 减少/消除缩痕 4） 更大的设计自由度 5） 制品综合性能提高 6） 与结构发泡相比，制品外观质量的到改善 7） 中空制品有以下特点 更加易于填充 物料流动距离更长 刚度与质量之比更大 8） 与实心制品相比成型周期缩短 9） 合模力吨位要求降低 10） 注射压力降低 11） 气道取代热流道系统从而使模具成本降低 3、气体辅助注塑技术的缺点主要有 1）专利使用权限制。 2）附加的成本，一方面是气体辅助注射成型的专用设备要求的一定的附加费用；另一方面是气体的使用。 3）气体喷嘴的设计及位置的选择相当的困难。 4、 材料 大多数热塑性塑料都可用于气体辅助注射成型加工，表1-1列出了一些常用的材料 表1-1气体辅助注射成型所用原料 ABS PET，玻璃纤维增强 ABS/PC M-PPE M-PPO 聚甲醛 HIPS PS（玻璃或矿物质填充级） PA（非填充和玻璃纤维填充级） 聚砜 PBT（玻璃纤维增强级） PVC PC SPS 聚醚酰亚胺 HDPE 5、设计注意事项 气体辅助注射成型制品的优化设计需要注意以下三点 1）气道布局的优化 2）气道尺寸与制品相关 3）平衡物料填充方式 气道在模腔内的布局既包括气体喷嘴的定位，也包括气道进入模具位置的选择，气体会沿着阻力最小的方向向前流动。在物料进入模具之后，模腔中压力最小的地方必须靠近气道的末端，这个压力差会促使气流沿着预期流道前进，从而推动物料充满整个型腔。布局中另外还要避免出现闭环气道。闭环气道会产生料塞，而使气流无法汇合。如图1-1所示 图1-1封闭的环形气体流道 气道尺寸要求其理论壁厚与气道直径的比值至少为21或者2.51。最大值则根据制品的几何尺寸及其在制品中的位置来确定。 不恰当的气道尺寸会引起以下一些问题熔体前锋冻结，气体呈指状流动进入薄壁区域，发生气体喷出现象等。 模腔内物料的填充平衡是非常有必要的，特别是出现多个气道或者气道在模腔内出现分岔时。改善流道平衡的有效方法是改变气道的尺寸大小，比如说浇口附近气道因先填充所以要小些，而离浇口最远的流道为了填充平衡则要求最大。 气体辅助注射成型中有气流通过制品拐角处时，制品在拐角内侧的壁厚较小，我们在设计制品时就应注意到这个问题。气流一般会选择路径最短的方向流动，于是在气流通过拐角时便会靠内侧流动从而造成制品壁厚不均。为避免这种情况发生，需要在成型时采用尽可能大的气孔直径。如图1-2所示 图1-2转角内侧变薄 为提高制品的强度或硬度，我们可以采取在气道或与之垂直的壁上增设加强筋的办法。为增加制品加强筋刚度而采用的中空结构示意图。如图1-3所示 图1-3气道加强筋的典型结构 6、 应用 气体辅助注射成型技术最初只是应用于把手、桌子、庭院椅子等制品。随着这项技术本身的发展完善，以及采用气体辅助注射成型的制品结构设计的改进，气体辅助注射成型技术的应用变得越来越复杂多样。如可用于生产小型货车车门把手；车门组件。对于小型制品需要考虑的一个重要事项是气体辅助注射成型设备的投资很难收回；在很多情形当中，虽然制品质量减轻可以节省材料，以及缩小制品成型周期，但是要抵消这部分开支也不是那么容易。 7、模具 气体辅助注射成型是由注射成型演变而来的。因此，这两中加工方式所采用的模具非常相似，材料也基本一样。 在设计模具时，重要的一点是要知道究竟采用通过喷嘴、从流道内或从制品内等三种进气方式中的哪一种进行气体辅助注射成型。如果采用从流道内和通过喷嘴进气的方式，为防止物料在注入以前就凝固，浇口尺寸要足够大。这对于子浇口或潜伏浇口来说非常关键，它们通常都比普通注射成型时的尺寸大一些。 从流道内或制品中进气等其他气体辅助注射系统，气体喷嘴位置的选择是非常棘手的问题。因为气体喷嘴必须包含在模具里面，冷却线位置或者其他模具功能可能会因此受到影响。 热流道能用于从制品内进气方式的气体辅助注射成型中。 2.2 气体辅助注射成型方法 气体辅助注射成型原理是利用高压气体在塑件内部产生中空截面，利用气体保压代替塑料注射保压，消除制品缩痕，完成注射成型过程。 1、内部气体压缩过程 气体辅助注射成型过程（如图1-4所示）是先向模具型腔中注入经准确计量的塑料熔体（图a），再通过特殊的喷嘴向熔体中注入压缩气体，气体在熔体内沿阻力最小的方向扩散前进，推动熔体充满型腔并对熔体进行保压（图b），待塑料熔体冷却凝固后排去熔体内的气体，开模推出制品（图c）。压缩气体一般选用氮气，因为氮气价廉、易得，且不与塑料熔体发生反应。 a b c 图1-4 气体辅助注射成型过程示意图 a注入熔体 b注入气体及保压冷却 c开模推出 （1）、气体辅助注射成型工艺分类 根据具体工艺过程的不同，可将气体辅助成型分为标准成型法、副型腔成型法、熔体回流法和活动型芯法四种。 1）标准成型法 如图1-5所示，标准成型法是先向模具型腔中注入经准确计量的塑料熔体（图a），再经过浇口和流道注入压缩气体，气体在型腔内塑料熔体的包围下沿阻力最小的方向扩散前进，对塑料熔体进行穿透和排空（图b），最后推动塑料熔体充满整个型腔并进行保压冷却（图c），待制品冷却到一定刚度和强度后开模推出（图d）。 图1-5 标准成型法成型过程示意图 a注入塑料熔体 b气体穿透 c保压冷却 d制品脱模 2）副型腔成型法 如图1-6所示，副型腔成型法是在模具型腔之外设置一个与型腔相通的副型腔，首先关闭副型腔，向型腔中注射塑料熔体直到型腔充满并进行保压（图a），然后开启副型腔，向型腔内注入气体，由于气体的穿透而多余出来的熔体流入副型腔（图b），当气体穿透到一定程度时关闭副型腔，升高气体压力对型腔中的熔体进行保压补缩（图c），最后开模推出制品（图d）。 图1-6 副型腔成型法成型过程示意图 a关闭副型腔、充模并保压 b开启副型腔、保压冷却 c关闭副型腔、保压冷却、 d制品脱模 3）熔体回流法 熔体回流法与副型腔成型法类似，所不同的是模具不设副型腔，气体注入时多余的熔体不是流入副型腔，而是流回注射机的料筒，其过程如图1-7所示 图1-7 熔体回流法成形过程示意图 a熔体充模并保压 b注入气体、熔体向料筒回流 c 保压冷却 d制品脱模 4）活动型芯法 如图1-8所示，活动型芯法是在模具型腔中设置活动型芯，首先使活动型芯位于最长伸出位置，向型腔中注入塑料熔体，直至型腔充满并进行保压（图a），然后注入气体，活动型芯从型腔中逐渐退出，以让出所需的空间（图b），待活动型芯退出最短伸出位置时升高气体压力，实现保压补缩（图c），最后制品脱模（图d）。 图1-8 活动型芯法成型过程示意图 a熔体充模保压 b注入气体，型芯后退 c保压冷却 d制品脱模 （2）、气体辅助注射成型技术 气体辅助注射成型基本上有两种不同的过程 体积控制产生不连续压力 压力控制产生连续压力 通过一个增压缸产生不连续的压力来满足体积控制技术的要求。在该过程中，精确控制压缩前气体的体积。气体在增压缸中被压缩后注射（如图1-9a所示）。模腔中实际的气体压力无从得知，压力受气管长度和直径、与模具连接的软管及模腔体积的影响。在气体注入和冷却阶段型腔内都会产生压力降，实际模腔中的气压不可控。因此气体实际上不能实现保压的功能（图1-9b所示） 图1-9a 气体辅助注射成型的体积受控设备的原理 图1-9b 气体辅助注射成型中的压力受控法和体积受控法的气体 在压力控制过程中，气压将保持稳定。通过使用专门的压力发生器使惰性气体（氮气）的压力达到设定值，这个过程即为压力控制。如图1-10所示 图1-10 气体辅助注射成型的压力受控设备的原理 （3）、气体辅助注射成型所使用的气体 气体辅助注射成型所使用的气体主要是氮气。压缩空气由于不洁净，在高温、高压情况下发生化学反应而导致材料降解或腐蚀，所以不适用。氮气的优点在于它是惰性气体，不会发生化学反应，氮气的另一优点是无毒、难燃成本低 （4）、气体辅助注射成型设备 典型的气体辅助注射成型设备如图1-11所示，主要包括注射机、气体压力控制单元和供气、回收装置。 图1-11 典型的气体辅助成型设备 1备用氮气罐 2氮气发生器 3抵压氮气罐 4增压装置 5高压氮气罐 6气体压力控制单元 7位移触发器 （5）、气体的回收 为了尽量减少气体的消耗，压力发生器应有气体回收装置。一个是需要考虑的是与高压注入气体量对应的回收气体的体积。另一个需要考虑的是有些塑料中包含挥发性物质，这些挥发性物质会损坏这些气体回收系统，导致影响其正常工作。气体回收系统需要安装特殊的过滤器来处理这类问题，现在由于费用的问题，人们把问题的重点放在现场生产氮气上了，此时生产的氮气可以确保其纯净，而从模腔中排除气体直接释放到空气中 2、外部气体辅助注射成型 对于许多部件，由于设计或者装配的要求，不允许制品内部有气道。然而对于标准高压注射成型，要求很小的或者没有翘曲的美观表面很难实现。外部气体注射成型可以产生内部气体辅助注射成型产生的效果，而不需要在制品内部开设气道 1、工艺过程 外部气体成型技术与前面的工艺不同。在塑料完全充满型腔后，气体被注射到模腔表面和熔融材料之间，如图1-12所示。气体压力是建立在预定的表面区域上，而且在塑料冷却期间起着活塞的作用。 图1-12 外部气体辅助注射成型的原理 2、外部气压成型的优点 这种工艺有许多明显的优点 1） 不需要对制品设计进行修改 2） 制件只需一个装饰表面（如图1-13所示） 3） 减小或消除缩痕（如图1-14所示） 4） 减小或消除翘曲缺陷 5） 减小合模力 图1-13 壁厚不均的化妆盒（左边为无外部气体压力；右边为由外部气体压力） 图1-14 有宽加强筋的盖 3、气辅制品和模具设计基本原则 （1） 设计时先考虑哪些壁厚处需要掏空，哪些表面的缩痕需要消除，再考虑如何连接这些部位成为气道。 （2） 大的结构件全面打薄，局部加厚为气道。 （3） 气道应依循主要的料流方向均衡地配置到整个模腔上，同时应避免闭路式气道。 （4） 气道的截面形状应接近圆形以使气体流动顺畅；气道的截面大小要合适，气道太小可能引起气体渗透，气道太大则会引起熔接痕或者气穴。 （5） 气道应延伸到最后充填区域（一般在非外观面上），但不需延伸到型腔边缘。 （6） 主气道应尽量简单，分支气道长度尽量相等，支气道末端可逐步缩小，以阻止气体加速。 （7） 气道能直则不弯（弯越少越好），气道转角处应采用较大的圆角半径。 （8） 对于多腔模具，每个型腔都需由独立的气嘴供气。 （9） 若有可能，不让气体的推进有第二种选择。 （10） 气体应局限于气道内，并穿透到气道的末端。 （11） 精确的型腔尺寸非常重要。 （12） 制品各部分匀称的冷却非常重要。 （13） 采用浇口进气时，流动的平衡性对均匀的气体穿透非常重要。 （14） 准确的熔胶注射量非常重要，每次注射量误差不应超过0.5。 （15） 在最后充填处设置溢料井，可促进气体穿透，增加气道掏空率，消除迟滞痕，稳定制品品质。而在型腔和溢料井之间加设阀浇口，可确保最后充填发生在溢料井内。 （16） 气嘴进气时，小浇口可防止气体倒流入浇道。 （17） 进浇口可置于薄壁处，并且和进气口保持30mm以上的距离，以避免气体渗透和倒流。 （18） 气嘴应置于厚壁处，并位于离最后充填处最远的地方。 （19） 气嘴出气口方向应尽量和料流方向一致。 （20） 保持熔胶流动前沿以均衡速度推进，同时避免形成V字型熔胶流动前沿。 （21） 采用缺料注射时，进气前未充填的型腔体积以不超过气道总体积的一半为准。 （22） 采用满料注射时，应参照塑料积收缩量。 2.3 气体辅助注射成型实例 制件名称淋浴器喷头 原始设备生产商Hansgrohe 模具生产商Hansgrohe 应用淋浴器喷头 气体辅助注射成型方式Airpress Ⅲ 材料ABS 淋浴器喷头的制造是采用气体辅助注射成型制造中空制品的一个非常典型的例子，以前都采用压模法进行加工。Airpress Ⅲ成型工艺采用满注射成型方法允许熔融物料在气体充入之前冷却形成一道紧靠模具壁的固化层，在注入的气体后，多余的物料被顶回注射机机筒中。在气体进入之前，固化层的形成对于得到较高的表面光洁度是很关键的。但还是不能避免出现比如波纹或者缩痕的缺陷，为了达到要求，我们可以采用电镀工艺来提高制品的外观质量。 采用气体辅助注射成型的优点 1）与压模法相比生产率提高 2）与压模法相比成型过程更加干净 3）外观美观 4）制品质量提高 5）成本降低