郭 伟

（大连职业技术学院，辽宁大连 116037）

0 引言

气辅注塑成型技术（GAIM），也叫中空注射成型技术，是国内最近二十年发展起来的一种注塑成型工艺。该技术在1986 年德国国际塑料机械展览会上展出后，很快作为新工艺被接受，并称之为塑料加工业的未来技术[1]。由于气体辅助成型技术在减少模具费用、合模力吨位、成型周期和制品材料用量等方面有较大优势，它的潜力很快引起北美市场的注意[2]。气体辅助注塑成型技术在80 年代末得到不断完善和发展并商品化，90 年代作为一项成功技术开始进入实用阶段。1990 年黄苔在《国外塑料》杂志中发表了一篇翻译文章《气体辅助注射成型—项已商业化的新技术》，引发了国内技术人员对气体辅助成型技术的关注和研究。此后在90 年代末，中国科学院化学研究所塑料国家工程研究中心的梁瑞凤、北京航空航天大学华正模具研究所的许鹤峰、陈言秋、华中理工大学塑性成形模拟及模具技术国家重点实验室的张华、李德群、郑州工业大学橡塑模具国家工程研究中心的申长雨等人陆续发表了气辅注塑成型技术的介绍文章，带动了国内气辅注塑成型技术的应用推广。

1 气辅注射成型技术原理

气辅注塑成型技术（GAIM）是指注塑过程中在塑胶填充模具型腔的适当时候（填充比60%～99%），将高压惰性气体（通常为氮气N2）经气辅控制器通过气孔、浇口、流道或直接注入模腔内熔融塑料内，气体在熔融塑胶的包裹下推动熔融塑胶继续充满型腔，并继续用气体保压代替传统的塑胶保压过程的一种新兴的注塑成型技术。惰性气体的功能主要是驱动熔融塑胶继续流动直至充满模腔，同时形成中空管道，减少材料用量和制品壁厚，缩短冷却时间。

气辅注塑成型技术生产制品的典型工艺过程主要分为熔体注射、气体注射、气体保压和制品顶出4 个阶段。根据具体工艺过程的不同，气辅注塑成型技术可分为标准成型法、副腔成型法、熔体回流法和活动型芯法四种[3]。

2 气辅注塑成型技术的特点

相较于传统的螺杆挤压注塑成型技术，气辅注塑成型技术（GAIM）具有以下优点[4]：

（1）消除缩瘪痕迹：传统注塑产品在肉厚部分容易发生缩瘪现象，缩瘪产生的原因在于材料的厚度太大引起的梯度收缩，外侧（先接触模腔）的树脂会先冷却，内部的熔融树脂继续冷却的时候，体积减少带来外侧先冷却部分受拉变形而出现缩瘪。气辅注塑成型技术通过借助中空气体管道施压，促使产品收缩时由内部向外部进行，则固化后在外观上便不会有缩瘪痕迹。

（2）减少残余应力、降低翘曲问题[5]：传统的注塑成型技术，为了确保塑料充填完整，即熔融塑料由主流道流动到模腔的全部区域，需要维持较高压力。这一压力带来了较高的流动剪应力，残存应力会造成制品在高低温下发生形变。气辅注塑成型技术利用高压惰性气体将熔融塑料压紧到模腔上，由于气体是非粘性的，能够有效传递压力。熔融塑料内部的气体各处等压，因此模具型腔内压力分布比传统工艺均匀，同时气体前沿到熔体前沿的距离缩短，缩短了有效流长，有效降低内应力，减少了制品发生翘曲的问题。

（3）降低锁模力，提高模具的效益：传统注塑的注塑和保压压力较高，需要较高的锁模力，以防止塑料溢出。但GAIM 的保压压力只需要与内部的惰性气体压力相平衡，故可以大幅降低锁模力。锁模力的降低，使得模具可以采用易加工的铝合金材料。另外，锁模力的降低，使得选择注塑机时可以适当降低注塑机吨位，减少设备投资，提高设备利用率。

（4）节省材料：由于气辅注塑成型技术会在制品内部形成中空的气体管道，壁厚控制效果好，故可以减少材料用量，一般减少10%～50%[6]，具体的材料节省比例根据浇口和气道的详细设计而有所不同。根据材料的惯性矩和抗弯截面系数的计算，中空气道对制品的抗弯能力影响很小，可以忽略不计。

（5）缩短成型周期：气辅注塑成型技术的应用带来制品材料的减少及内部的中空结构，可以使冷却速度大幅降低，有效降低制品成本。

（6）延长模具寿命：气辅注塑成型技术有效降低了注射压力和锁模力，模具承受的压力大幅降低，可以有效降低模具的设计成本，提高模具的使用寿命。

（7）降低注塑机机械损耗：气辅注塑成型技术的应用降低了注射压力和锁模力，使注塑机各主要受力部件所受压力相应降低，减少了主要零件的磨损，提高了注塑机的使用寿命。

3 气辅注塑成型技术的应用

气辅注塑成型技术（GAIM）在1985 年首次应用于实际生产后，人们对于这一技术的研究热情高涨，在欧美、日本以及中国香港、台湾等地迅速得到推广和应用。人们利用其减轻翘曲变形、提高表面质量的优点，生产汽车仪表板、汽车内饰件[7-10]、大型家用电器外壳[11]、大型家具等；利用其内部中空管道节省原料、缩短冷却时间等降低成本的优点，应用于生产衣服架、工具手柄、支撑件等柱状制品。

4 气辅注塑成型技术的发展

气辅注塑成型技术（GAIM）在近年来发展迅速，除了上面介绍的内部气辅注塑成型技术外，还拓展出了应用在汽车仪表板、汽车内饰件上的外部气体辅助注塑成型技术、振动气辅注塑技术、冷却气体气辅注塑技术、多腔控制气辅注塑技术、气辅共注成型技术[12-13]以及水辅注塑成型技术等。其中，外部气体辅助注塑技术用气体注射过程替代了保压过程的作用，进一步节省了注塑工艺周期和应力变形，但该技术只适应于单侧外观件的情况；水辅成型技术具有制品冷却时间短、内壁光滑、不易出现手指效应、水可循环利用等优点，在近年得到了较快的推广，然而与气辅成型技术相比，该技术会产生较大的注射孔，而且水辅成型技术最后需要一个排水过程，故不宜用于生产薄壁外观件；振动气辅注塑技术、冷却气体气辅注塑技术、多腔控制气辅注塑技术在设备投资、工艺难度、应用场景等方面具有较多的局限性，尚未得到广泛普及。

5 总结

气辅注塑成型技术（GAIM）作为螺杆挤压注塑成型技术出现以来最大的技术进步，在近年来得到了较为迅速的发展和推广。在中国科学院化学研究所塑料国家工程研究中心、北京航空航天大学华正模具研究所、华中理工大学塑性成形模拟及模具技术国家重点实验室、郑州工业大学橡塑模具国家工程研究中心等科研院所和成都航天塑胶集团、广州中新塑料有限公司以及各大电视厂商的推动下，我国的塑料制品行业紧跟气辅注塑成型技术发展，对于提高我国塑料制品的产品质量和生产效率都起到了重要的作用。

然而，气辅注塑成型和水辅注塑成型等关键技术受到了英国的Gas Injection、Cinpres 公司，德国的Battenfeld、Bayer 公司，奥地利的Engel 公司，美国的Nitrojection、Hettinga 公司等公司的专利限制，我国尚未在这一关键技术方面取得有效突破。在气辅注塑模具的设计和优化方面，我们也还处于探索和研究阶段，主要的优化方针软件也是采用国外的MoldFlow、C-Mold 等。随着气辅注塑日渐成为塑料加工领域内广泛应用的新兴工业技术，我们还需要在气辅注塑成型技术的工艺和设计方针等关键技术方面加大研发力度和科研投入。