气体辅助注射成型的快速冷却新技术.docx

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气体辅助注射成型的快速冷却新技术

气体辅助注射成型的快速冷却新技术

Seong-YeolHana,∗,Jin-KwanKwagb,Cheol-JuKimb,Tae-WonParkc,Yeong-DeugJeongd

aGraduateSchoolofPrecisionMechanicalEngineering,PukyongNationalUniversity,Busan,SouthKorea

bNARAM&DCo.,Ltd,50-1,Changwon,GyeongNam,SouthKorea

cDepartmentofComputerAidedDieandMold,ChangwonPolytechnicCollege,Changwon,GyeongNam,SouthKorea

dSchoolofMechanicalEngineering,PukyongNationalUniversity,Busan,SouthKorea

摘要：

气体辅助注射成型技术（GAIM）是传统注射成型技术的发展和演变，是一种用以成型中空塑件产品的工艺。

气体辅助注射成型技术相对于传统的注射工艺有许多优势，如可以减少原料，减少凹痕和翘曲的产生，降低注射压力等。

因此，气体辅助注射成型技术已被广泛用于工业生产成型中空塑件（如把手、电视显示器框架等）的模具。

当然，气体辅助注射成型技术存在一些不足之处，如冷却时间长和易产生流动痕，冷却时间长主要是由于模具成型过程中向型腔注入气体导致散热困难，有时甚至会产生后翘曲现象。

为了解决这些问题，我们开发了一种新型的气体辅助注射成型技术——逆向气体辅助注射成型技术（RGIM）。

逆向气体辅助注射成型技术主要有两个特殊的单元，一个是过溢料冲区单元，溢料缓冲区主要是用以减少原料。

另一个是空气单元，空气单元主要用以模具的快速冷却。

通过许多基于数值计算的实验和CAE分析得出了逆向冷却注射成型技术的冷却效率大约比气体辅助注射成型技术的冷却效率提高50%。

关键字：

气体辅助注射成型；逆向气体辅助注射成型；空气单元；溢料缓冲区

1.气体辅助注射成型技术的背景

由于注射成型能够将原料注射到模具中并经过单一的工艺过程生产大量的塑胶产品，所以注射成型已经成为工业生产塑胶制品的重要工艺[1]。

根据Rosato的统计，大约有32%的塑胶产品是由注射成型工艺生产的[2]。

注射成型技术已经广泛用于生产日常塑料用品和一些商业产品。

近年来，由于气体辅助注射成型被广泛用以生产中空的塑料产品，使得气体辅助注射成型技术成为注射成型的一大革命[3,4]。

气体辅助注射成型技术已经发展25年了，它最原始的想法是来自于广泛用以生产瓶子和一些相对比较小的中空塑件的吹塑成型工艺。

这种利用压缩气体注射成型技术第一次被用于商业化生产是由Friederich发明的，该专利于1978年7月18日在美国发表，专利号为4101617。

Friederich的专利解决了利用注射模具生产带有中空塑件的实现难题[5]。

在气体辅助注射成型技术发展的前些年，用来生产薄壁塑件的结构发泡技术引起了工业生产的特别关注。

利用结构发泡技术生产的塑件与注射成型技术生产的塑件比具有质量轻、表面光洁度好、缩痕少等优点。

在最近这些年，工业生产的注意力已经转向了气体辅助注射成型技术，气体辅助成型技术能提高塑件的质量，缩短生产周期，提高生产率，节约原料和降低合模压力。

在注射成型工艺中气体辅助注射技术的合理应用能生产出具有表面质量好、翘曲变形量小、质量轻等优点的塑件。

气体辅助注射成型可分为短射（shortshot）和满射（fullshot）两种形式。

短射主要可分为三个简单的过程，短射时先向型腔注入部分树脂（一般只充入型腔体积750%~98%），一个短暂的延时后在树脂中心注入压缩气体，靠压缩气体的压力推动树脂充满整个型腔。

下一步利用气体的压力保压，直到树脂固化，然后排出气体，获得一空心的塑件[6]。

短射适用于厚壁的充模阻力不大的塑件，特别是手把之类的棒状制件，可节省大量的原材料。

然而，当气体注入太晚或最初气体压力太低时容易产生明显的表面缺陷和变形[7]。

另一种就是满射，满射是指在树脂完全充满型腔后才开始注入气体。

在一段预设的延时期后，第一阶段的气体开始注入。

当树脂开始冷却时，厚壁处的树脂由于冷却收缩而让出一条流动通道，第二阶段的气体开始注入，气体沿着通道进行二次穿透，可以弥补塑料冷却时的收缩。

在树脂内部的气压式一致的，在开模之前，模具内的气体将会被抽空或回收，树脂在喷嘴停止注射并且浇口处的树脂凝固后由于气体的保压作用开始回填。

满射主要应用于薄壁的充模阻力较大的塑件。

当树脂内部还是熔融态时，气体开始沿着厚壁阻力最小的地方填充，而这些被推动的熔融树脂必定会从型腔流动到其他地方，这个地方称之为完全浪费塑料的溢料缓冲区[5]。

以上两种气体辅助注射成型的形式仍然存在一些缺点，比如当模具内部填充满高压气体时，气体与树脂的接触表面容易变得粗糙，还有喷嘴设计的局限性和模具冷却时间长。

在这些缺点中，冷却时间长是影响塑件制造周期的最重要因素。

一个空心塑件内部温度的上升主要由于气体的注入引起的，气体的注入导致塑件散热缓慢，这些塑件空心处的热气体相当于热的型芯而导致模具冷却缓慢。

因此，气体辅助注射成型的生产周期将被延长。

2.逆向气体辅助注射成型技术（RGIM）

在传统的气体辅助注射成型中，塑件上的畸形缺陷必须去除，注射模的塑料越减越少。

为了达到快速冷却，中空塑件的内部相当于热型芯的气体也必须尽快排出。

为了满足这些要求，我们研究出一种新的气体辅助注射成型技术——逆向气体辅助注射成型技术，该技术已经在韩国申请了专利，专利号为0286015。

逆向气体辅助注射成型包括两个特殊的单元，一个是空气单元，另一个是溢料缓冲区单元。

空气单元主要用以气体的注入和排出中空形状中的气体，溢料缓冲区单元主要用以减少原料。

图1所示为逆向气体辅助注射成型系统的基本原理。

图1逆向气体辅助注射成型系统的基本原理

逆向气体辅助注射成型可分为四个阶段（如图2所示）。

第一阶段为填充阶段，塑料熔体从热流道注入模具型腔，一般填充型腔体积的98%~100%左右，类似于短射。

第二阶段为在一段合适的延时期后注入气体掏空熔体。

在这阶段，经过加压的气体注如模具型腔内，气体沿着阻力最小方向流向制品的低压和高温区域，当气体在制品中流动时，它通过置换熔体而掏空厚壁截面。

第三阶段为保压阶段，当填充过程完成以后，由气体继续提供保压压力，解决物料冷却过程中体积收缩的问题。

最后一个阶段是吹气阶段，在保压阶段的几秒后，利用空气单元鼓入空气，鼓入的空气一方面可以冷却模具，另方面是排出空心部分的热气，我们在空气单元中应用了一个能自动收集气体的分馏器。

图2逆向气体辅助注射成型工艺的四个阶段

逆向气体辅助注射成型技术与传统的气体辅助注射成型技术主要有两个不同之处。

第一，逆向气体辅助注射成型技术不是直接通过挤压被气体置换出的多余熔体而填满型腔的，而是利用气体使其重新进入溢料缓冲区排空熔体，因此，此种方法比较节省原料。

第二，逆向气体辅助注射成型技术拥有一个空气单元，利用空气单元能将中空部分的热气及时排出从而达到快速冷却的效果。

3.逆向气体辅助注射成型工艺的注射成型实验

该实验设备主要有带有逆向气体辅助注射功能的模具、气体压缩装置和一个空气单元。

该实验的模具为一模一腔模具，主要是用以成型微波炉把手。

模具温度为50℃，气体压缩装置是有GAIN科技公司制造的[8]，用以模具快速冷却的空气单元如图3所示，空气的温度为15℃，我们使用的注射机为LG（LGH140）（如图4所示）。

3.1逆向气体辅助注射成型工艺的实验设计（DOE）

本实验主要是对利用逆向气体辅助注射成型技术成型两种不同高聚物塑件的冷却效率的验证，这两种高聚物分别是通用聚苯乙烯（GPPS，LGChemical25SPI）和聚丙烯（PP，LGChemicalM580）。

为了提高实验的效率和可靠性，我们计划运用田口方法（TaguchiMethod）[9]进行实验。

我们将利用统计软件MINITABTM对实验结果进行方差分析（ANOVA）[10]。

我们选择了三个对模具注射质量影响最大的因素，这些也是实验设计必须考虑的因素。

表1所示说明了试验中这三个因素的影响水平。

图3气体压缩装置和空气单元图4注射机

表2所示为实验的设计安排，在每一组成型条件下实验样品会被成型5次，在去除第一次和最后一次成型的样品后，其他3次的样品数据的平均值将记录表格中。

表1实验因素影响水平

表2逆向气体辅助注射成型工艺的实验设计

3.2GPPS的实验分析

实验首先使用的是通用聚苯乙烯（GPPS），我们测出了其所成型塑件的温度、长度（如图5所示）和重量，表3所示为各测量值。

图5逆向气体辅助注射成型技术所成型的产品

表3每一组成型条件下的温度、长度和重量的测量值

上述成型过程是在GPPS熔体温度为220℃和没有鼓入气体的条件下进行的。

在成型过程中，当模具冷却30s后，塑件温度为175℃。

在这些实验中，第七组成型条件具有最低塑件的温度，而第八组中具有最高的塑件温度。

第七组与第八组的塑件温度相差26℃。

通过与第七组测得的塑件温度比较得出冷却效率提高了将近50%。

在塑件长度方面，第三组的长度最长，第八组的长度最短。

尽管成型条件不断变化，但塑件的重量几乎恒定不变。

S/N的比值“越小越好”的特点是基于表3塑件温度的测量值得出的。

图6说明在这三个影响因素中，持续鼓入气体是影响冷却效率的最大因素。

通过方差计算分析得出最优值条件为熔体温度为220℃，注入气体的延时时间为21s和持续鼓入气体的时间为70s。

图6GPPS塑件温度的S/N比率图

3.3PP的实验分析

在PP的实验中，成型塑件的温度、长度（如图5所示）、高度和光泽度的测量值如表4所示。

表4每一组成型条件下的温度、长度、高度和重量的测量值

通过比较第三组在没有鼓入气体的成型条件下测得温度值可以得出冷却效率提高了将近45%，而塑件的长度、高度和光泽度变化很小。

基于表4计算得到的S/N比率，图7说明持续鼓入气体是影响塑件温度的主要因素。

通过方差计算分析得出最优值条件为熔体温度为210℃，注入气体的延时时间为31s和持续鼓入气体的时间为70s。

图7图6GPPS塑件温度的S/N比率图

4.逆向气体辅助注射成型冷却时间的数值计算

我们使用一个冷却数值方程来计算鼓入气体的冷却效应。

对于冷却时间的计算我们需要假设两种情况，第一种是模具冷却时没有鼓入气体，第二种是模具冷却时鼓入气体。

由于PC塑化温度高，能很明显地观察到冷却效率，因此我们使用PC作为计算对象。

PC的密度（ρ）为1.17g/cm3，扩散率（R）为0.0004547cal/scm℃，比热（Cp）为0.2319cal/g℃，塑化温度（TM）为300℃，模具温度（TW）为60℃，注射温度（TE）为70℃。

以下的傅里叶方程是用来计算冷却时间[11]：

上述方程中tc为冷却时间（℃），s为壁厚（mm），α为热扩散系数（mm2/s），在没有鼓入气体的情况下由方程

（1）计算得冷却时间为733s。

表5热交换计算方程[12]

Q：

成型总输入热量（kcal）；W：

样品重量（g）；Cp：

样品比热（kcal/g℃）；

ΔT：

塑件的塑化温度与注射温度之差（℃）；Q1：

每秒热交换值（kcal/s）；

ha：

鼓入气体的热交换系数（kcal/mm2h℃）1.72E+8；A1：

空心形状区域的表面积

（mm2）4.741E+5；TM：

塑化温度（℃）；Ta：

空气温度（℃）；Q2：

鼓入气体每秒带走的热量（kcal/s）；hR：

模具的热交换系数（kcal/mm2h℃）5.0E+7；A2：

塑件与模具接触表面积（mm2）1.41E+6；TW：

模具温度（℃）

对于第二情况，成型总输入热量为Q，塑件与模具每秒的热交换值为Q1，鼓入气体每秒带走的热量为Q2，图8所示为样品的数值计算模型。

图8样品的数值计算模型

假设鼓入气体带走的热量（Q1）和热交换值（Q2）之和等于总输入热量值，那么计算得出冷却时间126s。

这次有鼓入气体的冷却时间比第一种情况快了5倍多（如表5所示）。

5.基于有限元软件MARC的温度分布仿真模拟

为了验证上述提到的两种情形逆向气体辅助注射成型的效率，我们使用有限元软件MARC对热交换进行仿真模拟分析。

第一种情形是模具冷却时没有鼓入气体，第二种是模具冷却时鼓入气体。

塑件的材料为PC，我们将在材料的机械性能和其他所有条件都与数值计算相同的情况下的数据输入MARC。

当在塑件的中空部分未鼓入气体时，中空部分的氮气和空气的温度都接近塑件的塑化温度，因此我们假设中空部分的温度为200℃。

.

图9在没有鼓入气体时30s的温度分布

图9所示为在没有鼓入气体时30s时模具型腔壁与塑件的边界温度分布情况，此时在中空部分没有发生热交换。

图10所示为在鼓入气体时20s时中空部分的温度分布情况。

此时，在中空部分由于气体的鼓入发生了热交换，并且中空部分温度降低了70℃，这对于注射模来说是比较理想结果。

图10在鼓入气体时20s的温度分布

6.结论

逆向气体辅助注射成型技术的应用可以解决传统气体辅助注射成型中的冷却时间长等问题，并且可以提高塑件的表面质量。

为了验证逆向气体辅助注射成型技术的可靠性，我们设计了一个用于成型微波炉把手的模具成型实验，实验结果表明逆向气体辅助注射成型的冷却时间相对于传统的气体辅助注射成型的冷却时间减少了50%，同时，数值计算的结果和CAE热交换模拟分析验证了逆向气体辅助注射成型技术的可靠性。

鸣谢：

感谢本文有BrainKorea21工程大学和奈良模具有限公司（NARAM&DCo.Ltd）的支持。

参考文献：

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AnIntroduction,HanserGardnerPublicationInc.,Cincinnati,1995.

[2]Z.Tianmin,Aninvestigationofgas-assistedinjectionmolding:

effectsofprocessvariablesongasbubbleformation,Ph.D.Thesis,TheOhioStateUniversity,1994.

[3]M.Chen,D.Yao,B.Kim,Optimizationofprocessconditionsingasassistedinjectionmolding,in:

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[4]E.Moritzer,H.Potente,Theoreticalandpracticalresultsforthegasinjectionmoldingprocessvariant:

meltdisplacementintoanoverflowcavity,in:

ProceedingsoftheANTEC’96,Indianapolis,1996,pp.674–678.

[5]J.Avery,Gas-AssistInjectionMolding:

PrinciplesandApplications,HanserGardnerPublicationInc.,Cincinnati,2001.

[6]R.J.Crawford,PlasticsEngineering,thirded.,Butterworth-Heinemann,England,1998.

[7]C-MOLD,C-MOLDDesignGuide:

AResourceforPlasticsEngineers,thirded.,Ithaca,NewYork,USA,1999.

[8]J.F.Stevenson,InnovationinPolymerProcessingMolding,HanserGardnerPublicationInc.,Cincinnati,1996.

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[11]G.Menges,P.Mohren,HowtoMakeInjectionMolds,seconded.,HanserPublishers,Munich,Vienna,NewYork,Barcelona,1992.

[12]G.Menges,W.Michaeli,P.Mohren,HowtoMakeInjectionMolds,thirded.,HanserGardnerPublicationsInc.,Cincinnati,2000.