氣體輔助射出成型(GAIM)

1. 氣體輔助射出成型原理

氣體輔助射出成型是指在射出工藝中，熔融塑料充填到型腔適當的時候(90%~100%)射入高壓氣體，推動熔融塑料繼續充填滿型腔(圖1)，使物件內部膨脹而形成中空，保持產品完整表面，用氣體保壓來代替塑料保壓過程的一種射出成型技術。由於氣體具有高效的壓力傳遞性，因而可消除內部應力，防止製品變形。

2. 氣體輔助射出成型的兩種工藝

氣體輔助射出工藝是利用氣體的壓力來輔助塑件成型。根據氣體的作用可分為內部氣輔助射出和外部氣體輔助射出兩種工藝，其工作原理如下。

2.1內部氣輔助射出工藝

(A)原理：
內部氣體輔助射出過程是先向模具型腔中注入經準確劑量的塑膠熔體(圖2-a)，在通過特殊的射嘴向熔體注入壓縮氣體，氣體在熔體內沿阻力最小的方向擴散前進，推動熔體充滿型腔並對熔體進行保壓(圖2-b)，待塑料融體冷卻凝固後排出熔體內的氣體，開模推出製品(圖2-c)。該方法由氣體在熔體內部的穿透來輔助充填及保壓補縮，有效地降低了壓力的要求，製品內部應力分布均勻，保證了製品的表面質量。壓縮氣體一般選用氮氣，這是因為氮氣價廉、易得且不與塑膠熔體發生反應。根據工藝的不同、成型過程有壓力控制和體積控制兩種方式。前者(壓力控制)是按一定的壓力規則(如等壓、分級、等變率等方式)注入氣體，後者(體積控制)是先將一定量的氣體存入壓力容器中，再由活塞的移動控制氣體的注入。目前壓力控制方式更為常用。

(B) 內部氣輔助射出的成型週期可分為如下6個階段
1) 塑料融體充填階段。這一階段與傳統射出相同，只是在傳統射出時熔體充滿整個型腔，而在氣體輔助成型時熔體只要充滿局部型腔，餘下部份要靠氣體補充。
2) 切換延遲時間。從塑料融體射出結塑到氣體射出開始的一段延遲時間。這一過程非常短暫。
3) 氣體射出階段。從氣體開始射出到整個型腔被完全充滿的時間。這一階段相對整個成型周期來說很短暫，但對製品的質量卻十分重要，控制不好會產生許多成型缺陷，如氣穴、吹穿、射出不足或氣體向較薄部分滲透等。
4) 保壓階段。氣體壓力保持不變或略有升高使氣體在塑料融體內部繼續穿透(稱為二次穿透)以補償塑料冷卻引起的材料收縮。由於氣體由內向外施壓，可以保證製品外表面緊貼型腔壁。
5) 氣體釋放階段。氣體入口壓力降為大氣壓。
6) 推出階段。當製品冷卻到具有一定的剛度和強度後開模將製品推出。

2.2 外部氣輔助射出工藝

(A)原理：
外部氣體輔助射出工藝又稱表面氣體成型(External Gas-assisted Injection Molding)，它是在模具表面及塑件表面的特別封閉處注入高壓氣體，使加壓區的塑料被排擠以使塑建表面沒有縮痕的一種方法，如(圖3)所示。這種特別封閉處也可稱為加壓區，而每一個加壓區是由連接成品的密封件所包圍的，以防止氣體洩漏，密封件的截面可以是矩形也可以是三角形，這樣可以提高成品的剛性。當然，採用外部氣體輔助射出成型工藝會在加壓區留下明顯的痕跡。

● 外部氣輔成型動畫

(B)外部氣體輔助射出工藝特別適合於以下幾種情況
1) 塑料的收縮率十分高的時候。
2) 成品內助狀物體背面容易出現凹痕時。
3) 熔體充填模具型腔的流程十分長時。
4) 當成品是薄壁塑件(厚度在1mm左右)而又不能加氣槽及厚壁時。

3. 氣體輔助射出成型的種類

以下未經特別指名的氣體輔助射出均指內部氣體輔助射出。
氣體輔助射出根據工藝特點可分為短射法、副型腔法、回流法和活動型芯法四種，其工藝過程及優、缺點具體如下。

3.1 短射法

(A) 工藝過程
短射法也稱標準成型法，如(圖4)所示。該方法先往型腔中注入經過準確計量的熔體(圖4-a)，再通過澆口和流道注入壓縮氣體，氣體在型腔中熔體的包圍下沿阻力最小的方向況散前進，對熔體進行穿透和排空(圖4-b)，最後推動熔體充滿整個型腔並進行保壓(圖4-c)，待塑料冷卻到具有一定剛度和強度後開模頂出(圖4-d)。

(B) 優點
對傳統射出模做少量修改(設置氣道)即可實現該方法。
(C) 缺點
熔體/氣體的切換延遲會導致製品表面出現遲滯痕，影響外觀，當然也可通過後續的噴漆處理掩蓋遲滯痕。

3.2 副型腔法

(A) 工藝過程
副型腔法如(圖5)所示。該方法在型腔之外設置一可與型腔相通的副型腔，首先關閉副型腔，向型腔中注入熔體直到型腔充滿並進行保壓(圖5-a)，然後開啟副型腔，向型腔內注入氣體，氣體的穿透使多於出來的熔體流入副型腔(圖5-b)，當氣體穿透到一定程度時關閉副型腔，升高氣體壓力對型腔中的熔體進行保壓補縮(圖5-c)，最後開模推出製品(圖5-d)

(B) 優點
能避免遲滯痕的出現。
(C) 缺點
模具結構複雜，也浪費材料和能源。

3.3 熔體回流法

熔體回流法如(圖6)所示。該方法與副型腔法類似，不同的是模具沒有副型腔，氣體注入時多餘的熔體不是流入副型腔，而是流回射出機的料管。

(B) 優點
模具結構簡單，製品表面無遲滯痕。
(C) 缺點
回流的熔體導致後續製品的質量下降。

3.4 活動型芯法

(A) 工藝過程
活動型芯法如(圖7)所示。該方法在型腔中設置活動型芯。開始活動型芯位於最長伸出位置，向型芯中注入熔體直到型腔充滿並進行保壓(圖7-a)，然後注入氣體，活動型芯從型腔中退出給出所需的空間(圖7-b)，帶活動型芯退到最短伸出位置時升高氣體壓力實現保壓補縮(圖7-c)，最後製品脫模(圖7-d)。

(B) 優點
無特別說明。
(C) 缺點
要求模具加設活動型芯的控制裝置，製品表面會留下活動型芯的痕跡。

3.5 氣體輔助射出成型動畫

以下影片是上述四種氣輔成型種類的動畫

4. 氣體輔助射出成型技術的特點

相對傳統射出工藝而言，氣體輔助射出技術由氣體的引入而具有顯著的優點，但也帶來了一些問題，如體說明如下。

4.1 優點

(A) 射出壓力較小
由於塑料融體的流動速度、壓力梯度和熔體的流動性成正比，因此當熔體的流程延長而要求流動速度不變時應提高入口壓力以便保持一定的壓力梯度，這就是傳統射出成型入口壓力不段提高的原因，其示意圖如(圖8-a)所示。
在氣體輔助射出時，由於氣體是非黏性的，可以有效地把入口壓力傳遞到氣體與熔體的交界面而不產生明顯的壓力降。因此當氣體推動熔體前進時，由於有效流程縮短，保持熔體前端按一定速度前進所需的入口壓力減小，如(圖8-b)所示。由於所需射出壓力減小，所需鎖模力也相應減小(最多可降低70%)，可以降低對射出機噸位的要求，從而使成本下降，而且由於型腔壓力較小還可以減小模具損傷並降低模具壁厚的要求，從而使模具成本下降。

(B) 製品翹曲變形小
由於射出壓力較小且塑料熔體內部的氣體各處等壓，因此保壓冷卻過程中產生的殘留應力較小，製品出模後的翹曲傾向減小。
(C) 製品表面精度提高
氣體輔助射出的保壓階段，塑料的收縮可由氣體的二次穿透予以補償，且氣體壓力可使製品外表面緊貼模具型腔，所以製品表面出會出現凹陷。此外，採用氣體輔助射出可將製品較厚部分掏空以減小甚至消除縮痕。
(表1)為相同條件下，採用傳統射出與採用氣體輔助射出時製品表面精度的對比。

(D) 製品質量輕
由於製品內充了氣體，壁厚控制好，因而原料消耗少，一般要比傳統射出方法減少10%~50%。
(E)製品剛度和強度提高
可以在不增加製品質量的情況下，通過加強筋內的氣道改變材料在製品橫截面上的分布，增大製品的慣性矩，從而提高製品的剛度和強度。這一優點對於汽車、飛機、船舶等交通工具的輕型化十分有利。
(F) 製品設計自由度大
採用氣體輔助射出可成型壁厚差異較大的製品，將製品較厚的部分掏空形成氣道。因此採用氣輔輔助射出的製品在設計上的自由度大，可以採用傳統射出時因厚薄不均必須分為幾個部分單獨成型的製品合併起來，實現一次成型。
(G) 材料適用性好
適用於熱塑性塑膠、一般工程塑料及其合金和其他用於射出的材料。
(H) 易於推廣及對現有製品和模具進行改良
完全能與傳統射出工藝(普通射出機)銜接。通過現有的製品設置加強筋，並將氣體引入該處作為氣道，即可實現現有的氣體輔助射出改良。

4.2 缺點

(A) 增加了設備投資
需要增設供氣和回收裝置及氣體壓力控制單元。
(B) 射出機精度要求更高
對射出基的射出量和射出壓力的精度有更高的要求。
(C) 光澤不均
在製品的注入氣體與未注入氣體的表面會產生不同的光澤。
(D)增加了工藝設計的難度
這主要體現以下幾點：
a) 確定熔體和氣體的最佳射出量、射出壓力和射出時間。
b) 確定射出熔體和氮氣的切換時間。
c) 確定注入氮氣的壓力控制曲線。
d) 預測熔體在型腔內的流動及氣體穿透情況。
e) 計算所需鎖模力和保壓時間。
模具設計者可借助於氣體輔助射出過程模擬軟體對氣體輔助射出過程的工藝參數進行預測。
f) 製品內表面質量難以控制
注入的氣體會溶解在熔體中，製品內表面可能由於氣體膨脹而起泡。

☆ 其他參考資料及文章

● 氣體輔助射出技術(Gas assisted injection molding)

☆ 案例及資料下載

● 壓縮檔裡的檔案內容