气体辅助注塑成型技术研究
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摘 要：气体辅助注塑成型技术通过在熔体注塑过程中引入高压气体，获得高表面质量、高尺寸精度的塑料制件，从而克服了常规注射成型工艺难以一次成型壁厚差异大、结构复杂的注塑件的局限性，目前已经在国内外家电、汽车等众多行业获得推广应用。本文介绍了气体辅助注射成型技术原理、特点、优势、适用范围及发展前景，分析了气辅成型制品的典型气道截面形状以及常见的工艺缺陷问题，并以保险杠、把手等汽车零部件为例阐述了气体辅助注塑成型工艺在汽车行业应用的技术优势。
关键词：气辅注塑成型;汽车注塑件;设计原则;工艺
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.21.037
1 气体辅助注塑成型技术概述
1.1 气体辅助注塑成型的技术原理与技术特点
气体辅助注塑成型技术是20世纪90年代初兴起于欧洲的一种创新性的塑料成型技术。该技术的主要成型原理为：在塑料熔体填充成型模具的过程中，利用可控制的高压气体（通常为氮气）注入到塑料熔体内部，从而推动塑料熔体充填全部模具型腔，并通过高压气体在熔体内部形成的中空气道对塑料熔体施加保压压力，从而可以实现一次性生产壁厚差异大、结构复杂的注塑制件。由于气体注入的位置及压力可以灵活设置，大大提高了汽车、家电、日用品等众多行业注塑制件的设计自由度，被称为注塑成型行业继螺杆注塑机以来的又一项革命性技术[1]。
气体辅助注塑成型技术的优势：（1）节省材料10%～50%;（2）锁模力降低30%～70%;（3）提高生产效率20%～40%;（4）消除制品的缩痕、翘曲等缺陷。
1.2 气体辅助注塑成型技术的应用范围
由于高压气体注入注塑制件内部后形成中空气道，因此气辅注塑成型技术对于杆类或棒状制件具有显著的节省原材料效果，例如冰箱/电器把手件、座椅扶手等厚壁实心类注塑制件。采用气体辅助注塑成型技术，不仅可以节省原材料高达20%-40%，而且由于高压气体由内向外的保压作用，还可以取得优异的表面质量。此外，气体辅助注塑成型技术还可以有效地提升大型平板类制件的成型尺寸精度，抑制或消除平板类制件常见的翘曲变形缺陷，例如車门板、冰箱托盘、汽车内外饰件等平板类制件采用气体辅助注塑成型工艺，可以通过合理设计和利用制件的加强筋结构，在加强筋根部开设气体通道，从而有效减小或消除平板件因截面壁厚差异产生的内应力，达到降低或消除翘曲变形的目的。随着新一代电视技术的发展，电视机的大尺寸化、平面化趋势不断提高，对大屏幕电视的前后壳体注塑件尺寸精度和装配要求越来越严格，日本64cm以上大屏幕电视的前/后壳体注塑件采用气体辅助注塑成型技术生产的比例超过90%，各类家用电器的注塑制件已经成为气体辅助注塑成型技术的主要应用领域之一[2]。
1.3 气体辅助注塑技术的发展前景
气体辅助注塑成型技术自从20世纪90年代进入工业化生产后，首先被彩电行业引入用于解决大尺寸平面电视机壳体的高精度成型难题。日本电视机厂商利用气体辅助注塑成型技术成功地实现了29〞电视机壳前壳体的生产，随后国内的电视机厂商如四川长虹等也引进英国气体辅助注塑成型设备生产大尺寸平面电视机。国外主要的汽车厂商也十分关注气体辅助注塑成型技术在汽车行业的应用，例如美国Ford公司、日本马自达公司都开发了不同车型的保险杠、仪表板、杂物箱等气体辅助注塑成型制件。此外，随着人们对各种消费类电子产品、办公/日常用品的要求不断轻薄化、便携化，气体辅助注塑成型制件设计一体化程度高、成型质量好等技术优势将得到进一步的推广普及。
2 气辅成型制品典型气道形状和常见工艺问题
气辅成型制品的设计原则：（1）制品公称厚度以不小于2mm为原则;（2）气道过长，在气流长度方向可能存在气体穿透不足，而使产品产生缩痕等质量缺陷;（3）气体穿透长度过短，可能会产生气流穿过气道外，出现“跑道效应”;（4）气道过小，会出现“气指效应”，气体穿透无法控制;（5）正确的气道尺寸，能够将气体引导到所有期望穿透的区域，通常是制品壁厚的2～4倍。进一步讲，气道断面任何尺寸不可大于30mm;气道断面大小尺寸比应小于2;气道宽度一般是高度的0.5到1.5倍;气道转角内圆角半径以大于6mm为原则;经穿透后的气道壁厚度大约是直径的1/3。
3 汽车注塑件气辅成型工艺应用实例
为了满足汽车注塑零部件的一体化发展要求，美国OEM厂商Delphi内饰件和照明系统公司与GE公司合作开发了汽车车门内板气辅成型制件（“Super Plug”计划）。该计划实现了以塑代钢的设计目标，采用全新结构设计的树脂与30%玻璃纤维材料，通过气体辅助注塑成型技术，成功制造了截面差异大、壁厚分布不均（零件厚度为3mm～20mm不等）的整体汽车车门内板，从而替代了原有设计方案以金属材料为主的61个零件装配而成的汽车门板，不仅大幅减轻了零部件质量，而且不需要后续的装配工序和设备，显著降低了设备和人工成本。
用气辅技术的优势：（1）所有组件整合为一体，减少组件和装配成本;缩痕消除，表面质量提高;（2）注塑机吨位2600吨，比传统注塑成型降低了26%;（3）质量减轻：前保险杠降低37%，后保险杠降低24%。
4 结论
气体辅助注塑成型技术利用连通腔体内部气体压力均等的原理，克服了常规注塑成型工艺的单一熔体流动、填充等性能的局限性，因此受到国内外塑料加工行业的广泛关注，该技术首先在国外彩电行业获得实际应用，随后进入汽车、日用品、电子电信等众多行业，在国内也逐渐获得重视。该技术能够大大提高产品的设计自由度，节省原材料消耗量，降低和节约生产设备的投资。随着我国经济的持续发展，气体辅助注塑成型技术必将在我国汽车、家电、日用、交通等诸多行业进一步推广，并创造显著的经济效益。
参考文献：
[1]梁瑞凤.气体辅助注射成型技术—一项向传统注射成型工艺挑战的未来技术[J].高分子通报，1996（04）：226-233.
[2]梁继才，孙志斌，付沛福，李笑明.气体辅助注射成型装置[J].电加工与模具，2000（02）：36-38.
[3]潘俊宇，匡唐清，赖德炜，陈碧龙.汽车门把手的气体辅助注塑模具改进及工艺优化[J].中国塑料，2017（04）：91-96.
*为通讯作者
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