1.4.2 气体辅助注射成型技术

气体辅助注射成型（GAIM）技术突破了传统注射成型的限制，可灵活地应用于多种制件的成型。它在节省原料、防止缩痕、缩短冷却时间、提高表面质量、减小塑件内应力、减小锁模力、提高生产效率，以及降低生产成本等方面具有显著的优点。因此，GAIM一出现就受到了企业广泛的重视，并得以应用。目前，几乎所有用于普通注射成型的热塑性塑料及部分热固性塑料都可以采用GAIM法来成型，GAIM塑件也已涉及结构功能件等各个领域。

1.工艺过程

气体辅助注射成型工艺过程是先在模具型腔内注入部分或全部熔融的树脂，然后立即注入高压的惰性气体（一般使用压缩氮气），利用气体推动熔体完成充模过程或填补因树脂收缩后留下的空隙，在熔体固化后再将气体排出，再脱出塑件。气体辅助注射成型工艺一般有预注射、注入气体、保压、模具中的空气排放、多余的氮气回收、塑件脱模等几个过程。随着应用领域的扩大，出现了更多的气体辅助注射成型新技术，如振动气体辅助注射成型、冷却气体辅助注射成型、多腔控制气体辅助注射成型及气体辅助共注射成型技术等。

气体辅助注射成型通常有短射（short shot）气体辅助成型、满射（full shot）气体辅助成型及外气（external gas）成型几种形式。

图1-20所示为短射气体辅助成型，首先注入一定量的熔体（通常为型腔体积的50%～90%），然后立即向熔体内注入气体，靠气体的压力推动将熔体充满整个型腔，并用气体保压，直至树脂固化，然后排出气体和脱模。

满射气体辅助成型是在树脂完全充满型腔后才开始注入气体，如图1-21所示，熔体由于冷却收缩会让出一条流动通道，气体沿通道进行二次穿透，不但能弥补塑料的收缩，而且靠气体压力进行保压，效果更好。

图1-22所示为外气成型工艺过程，与上述两种成型方法的不同之处在于，它不是将气体注入塑料内以形成中空的部位或管道，而是将气体通过气针注入与塑料相邻的模腔表面局部密封位置中，故称为“外气注射”。从工艺的角度来看，取消了保压阶段，保压的作用由气体注射来代替。外气注射突出的优点在于它能够对点加压，可预防凹痕，减小应力变形，使塑件外观质量更加完美。

2.注气位置

早期是利用注塑机的喷嘴将气体经主流道注入模具型腔，目前采用固定式或可动插入式气针直接由型腔进入制件，如图1-23所示。

制件气体入口位置的设计因制件形状结构的差异而会有所不同，应根据制件结构的情况和所用材料的特性加以综合考虑。

1）管状或棒形件

如把手、座垫和方向盘等制件主要应使气体穿透整个熔体而使熔体在内部形成气道。所以，在此类制件设计中，气道入口位置的选择要尽量保证气体与熔体流动方向一致及气体穿透的畅通，常采用一个入口并使其气体尽可能贯穿整个制件。

2）板状件

在大型板类制件的气体辅助注射成型中，常将加强筋作为气体通道，所以，气道的设计实质就改为对加强筋的设计。气体的入口也应尽量保证气体与熔体流动方向一致，且流向制件最后被充填的部位。由于大型板类制件的流程比较长，因此，采用气体辅助注射成型，可很好地改善甚至消除其因保压不足而引起的制件翘曲、变形或凹孔等现象。

3）壁厚不均的特殊件

应在这类制件的厚壁或过渡处，开设气道辅以气体充填，以消除该处可能产生的凹陷和减小制件变形。

3.工艺参数

1）预注射量

GAIM的预注射量应视具体情况而定（如制件使用要求、塑料种类选取、工艺参数设置等），一般为型腔总体积的70%～100%。对同一种料的制品来说，随着预注射量的增加，气体注入量必然会减少，所以气体穿入的长度也会有所下降，有可能导致远端气道无法充填气体而在该处表面形成凹陷、缩痕或变形等。而此时在气道中形成的中空面积会比理想的略有增大。

2）熔体注射温度

温度的升高会降低熔体的黏度，从而减小气体的充填阻力，有利于增加气体穿入充填的长度。但温度过高易造成吹穿或薄壁穿透等现象。相反，熔体温度过低则不利于气体的穿入，甚至达不到GAIM所需要的效果。适当的温度可很好地提高制件的外观质量和内在性能。所以对那些黏度于温度变化敏感的物料来说，注射温度的控制就显得十分必要。

3）延迟时间

延迟时间是从熔体预注射结束到气体开始注射的这段时间，这段时间虽短，但在GAIM中却起着十分重要的作用。延迟时间过短，则气体易与高温低黏熔体混合，而且也容易造成高温低黏的熔体吹穿或薄壁穿透，使制件外观质量受到严重影响；随着延迟时间增长，熔体冻结层逐渐增厚，气体穿入阻力也相应增大，使气体穿入制品内部的长度及气道中空面积也会相应减小。而且由于受熔体表面张力作用的影响，远端气道的中空形状会趋向于圆形。

4）气体注射压力和速率

气体压力是气体充入气道推动熔体完成充模及保压的动力，所以控制气体的压力大小及稳定性是很有必要的。由于气体受其一定的压缩性、通道中的非线性动态流动及熔体流动阻力等一些因素的影响，要精确控制气体压力及速率是相当困难的。所以，目前常用的气体注射装置有：

（1）不连续压力产生法即体积控制法，如Cinpres公司的设备，它首先往汽缸中注入一定体积的气体，然后采用液压装置压缩，使气体压力达到设定值时才进行注射充填。大多数的气体辅助注射成型机械都采用这种方法，但该法不能保持恒定的大压力。

（2）连续压力产生法即压力控制法，如Battenfeld公司的设备，它是利用一个专用的压缩装置来产生高压气体。该法能始终或分段保持压力恒定，而且其气体压力分布可通过调控装置来选择设定。

如果气体注射压力和速率大，由于熔体流动的摩擦生热会降低熔体黏度、减薄冻结层，所以能保证气体的顺利穿入，增大穿入长度及气道中空面积。但注射压力也不能太大，GAIM中气体压力一般为5～32MPa。

5）气体保压压力及时间

气体保压阶段是提高制件外观、尺寸精度及使用质量的关键。由于气体的压力降几乎为零，故其传递的压力基本上是一致的。GAIM中的保压阶段克服了传统注射成型（CIM）中保压压力不均引起的应力集中等现象，同时也加速了制件内部冷却速率，从而有利于提高制件的质量及性能。同CIM一样，大的气体保压压力会提高制件的表面质量，而且有利于通过气体的二次穿透补偿熔体收缩引起的缺料现象；延长保压时间，有利于制件充分冷却，减小后收缩，但具体取值应根据实际生产要求而定。

另外，注气时间和模具温度等也对成型结果有着一定的影响。

综上所述可以看出：GAIM中的各工艺参数对成型结果的作用不是单一的，例如大的保压压力、长的保压时间和高的模温虽都有利于气体穿透程度和制件质量，但会加大机械设备的投入成本，制品成本增加及成型周期也相应增大；而减少预注射量和缩短充气延迟的时间，虽都有利于气体的穿透，但也有可能会引起短射或吹穿等问题。因此，各工艺参数还应根据实际生产情况及操作经验合理设置。