气辅注射成型及设计要点

作者：天津科技大学 张晓黎 吴崇峰 屈春起    来源：PT现代塑料

欢迎访问e展厅 展厅 1 注塑机展厅 注塑机, 立式注塑机, 二手注塑机, 真空成型机, 发泡注塑机, ... 摘要：概述了气辅注射成型过程中材料的选择、气道及模具的设计 关键词：气辅注射；气道；模具设计 气辅注射成型GRIM(Gas-Assisted Injection Molding)为一种新型的注射成型工艺，近几年已在国外得到广泛的应用，国内的使用也越来越多。其原理是利用压力相对低的惰性气体(氮气因为价廉安全又兼具冷却剂的作用而被常用，压力为0.5-300 MPa)代替传统模塑过程中型腔内的部分树脂来保压，以达到制品成型性能更加优良的目的。 1 气辅注射成型的优点 气辅注射成型克服了传统注射成型和发泡成型的局限性，具有以下优点： 1.1制件性能良好 (1)消除气孔和凹陷在制件不同壁厚连接处所设的加强筋和凸台中合理开设气道，欠料注射后气体导入，补偿了因熔体在冷却过程中的收缩，避免气孔和凹陷的产生。 (2)减少内应力和翘曲变形在制件冷却过程中，从气体喷嘴到料流末端形成连续气体通道，无压力损失，各处气压一致，因而降低了残余应力，防止制件翘曲变形。 (3)增加制件的强度制件上中空的加强筋和凸台的设计，使强度重量比比同类实心制件高出大约5，制件的惯性矩工大幅度提高，从而提高制件使用强度。 (4)提高设计的灵活性气辅注射可用来成型壁厚不均的制品，使原来必须分为几个部分单独成型的制品实现一次成型，便于制件的装配。例如国外一家公司原来生产的以几十个金属零件为主体、形状复杂的汽车门板，通过GAI M技术并采用塑料合金材料实现了一次成型。 1.2 成本低 (1)节约原材料气辅注射成型在制品较厚部位形成空腔，可减少成品重量达10%一50% (2)降低设备费用气辅注射较普通注射成型需要较小的注射压力和锁模力(可节省25%一50%)，同时节约能量达30% (3)相对缩短成型周期由于去除了较厚部位芯料，缩短冷却时间可达50%正是基于这些优点，气辅注射适用于成型大型平板状制品如桌面、门、板等；大型柜体如家用电器壳体、电视机壳、办公机械壳体等；结构部件如底座、汽车仪表板、保险杠、汽车大前灯罩等汽车内外饰件。 2 成型材料的选择 理论上讲，所有能用于常规注射成型方法的热塑性塑料均适用于气辅注射成型，包括一些填充树脂和增强塑料。一些流动性非常好，难以填充的塑料如热塑性聚氨酷成型时会有一定困难；粘度高的树脂所需气体压力高，技术上也有难度；玻璃纤维增强材料对设备有一定的磨损。 在气辅成型过程中，由于制件的成型壁厚和表面缺陷在很大程度上由原料性能决定，改变过程参数对其影响并不很大，因此成型原料的选择极为重要。表1是用于气辅注射成型的常用塑料。 PA(聚酰胺)和PBT(聚对苯二甲酸丁二酸酯)具有独特的结晶稳定性，尤其适合用于气辅注射成型；PA6,PA66和PP也经常被用于气辅成型；一些部分结晶型树脂，成型时内部靠近气道一侧由于冷却速率相对较慢，无明显无定型边界层产生，但外侧因为模壁的陕速冷却会产生无定型边界层，从而影响制品质量；对于玻璃纤维增强塑料，在模壁处会产生轻微的分子定向，且在模壁下一定距离处(约距制品外表面1mm处)沿料流方向达到最大成型高强度制件可选用具有较高弹性模量的树脂，实际生产过程中应根据制件使用要求和具体成型条件选择合适的树脂材料。 3 制件中气道的设计 气道设计是气辅成型技术中最关键的设计因素之一，它不仅影响制品的刚性同时也影响其加工行为，由于它预先规定了气体的流动状态，所以也会影响到初始注射阶段熔体的流动，合理的气道选择对成型较高质量的制品至关重要。 (1)常见气道的几何形状 对于带加强筋的大型板件，气辅注射成型时，其基板厚度一般取3一6mm，在气体流动距离较短或尺寸较小的制件中，基板厚度可减至1.5一2.5 mm；加强筋的壁厚可达到与其相接部分壁厚的100%一125%而不会产生凹陷；气道的几何形状相对于浇口应是对称或是单方向的，气体通道必须连续，体积应小于整个制件体积的10%。 (2)制件的强度分析 成型传统带加强筋的制件经常出现凹陷、翘曲变形等，而图1所示各种断面几何形状加强筋的板件采用气辅注射成型，既保证了制品强度，又克服了传统注射成型的缺点。通常，相同基板厚度条件下，类似图1(e)带有空心宽T型加强筋的比带空心窄T型加强筋的制件强度要高，后者又比相同截面带有类似图1(a)的空心半圆型加强筋板件的强度要高。 制件强度随受力大小和其形式不同变化很大，虽然采用加强筋可增大制品刚度，但若对其施加局部集中应力，就会大大削弱制品强度。 (3)气道尺寸 气道的尺寸设计与填充气体的流动方向密切相关，气体在流道内总是沿着阻力最小的方向流动。稳0定的牛顿流体通过直径为D的圆管，其压降公式为ΔP＝32μVL/D　，其中μ为流体粘度，V为平均流速，L为流体段长度，D为管径，因为气全粘度极小，低于树脂的0.1%，而且压降在长度方向上可被忽略，因而只需考虑树脂压降产生的阻力。 假塑性流体在圆管中流动的压降公式与牛顿流体形式相似，因此利用上述公式而不必考虑实际流体及气体的状况，比较基于气体近浇点不同方向的压降ΔP（即比较各段的L和D的大小），就可定性地解决气体朱充动方向问题ΔP小的方向即为气体的优先流动方向。 改变流道尺寸直接导致不同方向压降的变化，从而改变气体的流动方向，并影响制件的成型质量。 4 模具设计 由于气辅注射成型采用相对较低的注射压力和锁模力，所以除可采用一般模具钢制做模具外，还可采用锌基合金、锻铝等轻合金材料制造。 气辅注射成型过程的模具设计与普通注射成型相似，模具及制件结构设计造成的缺陷并不能通过调整成型过程中的参数来弥补，而是应及时修改模具和制件结构的设计，普通注射成型中所要求的设计原则在气辅注射成型过程中依然适用，以下主要介绍其不同部分设计时应注意事项： (1)要绝对避免喷射现象虽然现在气辅注射有朝着薄壁制品、生产特殊形状弯管方向发展的趋势，但传统的气辅注射仍多用来生产型腔体积比较大的制件，料流通过浇口时受到很高的剪应力，容易产生喷射和蠕动等熔体破裂现象。设计时可适当加大进浇口尺寸、在制品较薄处设置浇口等方法来改善这种情况。 (2)型腔设计由于气辅注射中欠料注射量、气体注射压力、时间等参数很难控制一致，因此气辅注射时一般要求一模一腔，尤其制品质量要求高时更应如此。实际生产中有过一模四腔的例子，采用多型腔设计时，要求采用平衡式的浇注系统布置形式。 (3)浇口设计一般情况只使用一个浇口，其位置的设置要保证欠料注射部分的熔体均匀充满型腔并避免产生喷射。若气针安装在注射机喷嘴和浇注系统中，浇口尺寸必须足够大，防止气体注入前熔体在此处凝结。 气辅注射中最为常见的一个问题是气体穿透预定的气道进入制件薄壁部分，在表面形成类似指状或叶状的气体流纹(Gas fingering)，甚至少数几个这样的“指纹"效应对制品的影响也是致命的，应该极力避免。 研究表明，形成这类缺陷的主要原因是由于进浇口尺寸和气体延迟时间设置不当造成的，而且这两种因素常常相互作用，比如当采用较小的浅口和较短的延迟时间时，就极易产生这种不良后果，既影响了制品外观质量又极大地降低了制件强度。一般可采用缩短气道长度，加大进浇口尺寸，合理控制气体压力的方法避免这种不利情况的发生。 (4)流道的几何形状相对于浇口应是对称或单方向的，气体流动方向与熔融树脂流动方向必须相同。 (5)模具中应设计调节流动平衡的溢流空间，以得到理想的空心通道。 气辅注射成型技术近些年在家用电器、汽车、家具、办公用品等行业广泛应用，并且朝着提高制品尺寸稳定性、制造表面性能优良的薄壁制品、生产特殊形状管材、取代汽车工业中金属制件等方向发展，相信在以后的工业生产中气辅注射技术仍将发挥其重要作用。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (3/7/2005)