塑料注射成型新工艺

注射成型（注塑）能一次成型外形复杂、尺寸精确的塑料制品，且成型过程自动化程度高，在塑料成型加工中有着广泛的应用。但随着塑料制品的应用日益广泛，人们对塑料制品的精度、形状、功能、成本等提出了更高的要求，传统的注射成型工艺已难以适应这种要求，主要表现在：①生产大面积结构制件时，高的熔体粘度需要高的注塑压力，高的注塑压力要求大的锁模力，从而增加了机器和模具的费用；②生产厚壁制件时，难以避免表面缩痕和内部缩孔，塑料件尺寸精度差；③加工纤维增强复合材料时，缺乏对纤维取向的控制能力，基体中纤维分布随机，增强作用不能充分发挥。因而在传统注射成型技术的基础上，又发展了一些新的注射成型工艺，如气体辅助注射、剪切控制取向注射、层状注射、熔芯注射、低压注射等，以满足不同应用领域的需求。笔者拟对上述成型新工艺作一简要介绍。 1气体（水）辅助注射成型 气体辅助注射成型是自往复式螺杆注塑机问世以来，注射成型技术最重要的发展之一。它通过高压气体在注塑制件内部产生中空截面，利用气体保压，减少制品残余内应力，消除制品表面缩痕，减少用料，显示出传统注射成型无法比拟的优越性。气体辅助注射的工艺过程主要包括三个阶段： 起始阶段为熔体注射。该阶段把塑料熔体注入型腔，与传统注射成型相同，但是熔体只充满型腔的60%～95%，具体的注射量随产品而异。 第二阶段为气体注入。该阶段把高压惰性气体注入熔体芯部，熔体前沿在气体压力的驱动下继续向前流动，直至充满整个型腔。气辅注塑时熔体流动距离明显缩短，熔体注塑压力可以大为降低。气体可通过注气元件从主流道或直接由型腔进入制件。因气体具有始终选择阻力最小（高温、低粘）的方向穿透的特性，所以需要在模具内专门设计气体的通道。 第三阶段为气体保压。该阶段使制件在保持气体压力的情况下冷却，进一步利用气体各向同性的传压特性在制件内部均匀地向外施压，并通过气体膨胀补充因熔体冷却凝固所带来的体积收缩（二次穿透），保证制品外表面紧贴模壁。 气辅技术为许多原来无法用传统工艺注射成型的制件采用注塑提供了可能，在汽车、家电、家具、电子器件、日常用品、办公自动化设备、建筑材料等几乎所有塑料制件领域已经得到了广泛的应用，并且作为一项带有挑战性的新工艺为塑料成型开辟了全新的应用领域。气辅技术特别适用于制作以下几方面的注塑制品： （1）管状、棒状制品 如手柄、挂钩、椅子扶手、淋浴喷头等。采用中空结构，可在不影响制品功能和使用性能的前提下，大幅度节省原材料，缩短冷却时间和生产周期。 （２）大型平板制件 如汽车仪表板、内饰件格栅。商用机器的外罩及抛物线形卫星天线等。通过在制件内设置内置式气道，可以显著提高制品的刚度和表面质量，减小翘曲变形和表面凹陷，大幅度降低锁模力，实现用较小的设备成型较大的制件。 （３）厚、薄壁一体的复杂结构制品 如电视机、计算机用打印机外壳及内部支撑和外部装饰件等。这类制品通常用传统注塑工艺无法一次成型，采用气辅技术提高了模具设计的自由度，有利于配件集成，如松下74cm电视机外壳所需的内部支撑和外部装饰件的数量从常规注塑工艺的17个减至8个，可大幅度缩短装配时间。 水辅助注射成型是IKV公司在气体辅助注射成型技术基础上开发的新技术，是用水代替氮气辅助熔体流动，最后利用压缩空气将水从制件中压出。与气体辅助注射成型相比，水辅助注射成型能够明显缩短成型时间和减小制品壁厚，可应用于任何热塑性塑料，包括那些分子量较低、容易被吹穿的塑料，且可以生产大直径（40mm以上）棒状或管状空心制件。例如，对于直径为10mm的制件，生产周期可从60s减至10s（壁厚1～1.5mm）；而直径为30mm的制件，生产周期则可由180s减到40s（壁厚2.5～3.0mm）。IKV公司和Ferromatik Milacron公司目前正在完善样机，其他一些气辅注塑厂商如Battenfeld公司和Engel公司最近也加入到开发的队伍中来。水辅助注射成型主要用于生产内表面光滑、重复性好的介质导管，其质量和经济效益都是气体辅助注射技术所不及的。 ２ 模具滑动注射成型 模具滑动注射成型法是由日本制钢所开发的一种两步注射成型法，主要用于中空制品的制造。其原理（图1）是首先将中空制品一分为二，两部分分别注射形成半成品，然后将两部分半成品和模具滑动至对合位置，二次合模，在制品两部分结合缝再注入塑料熔体（２次注射），最后得到完整的中空制品。与吹塑制品相比，该法成型制品具有表面精度好、尺寸精度高、壁厚均匀且设计自由度大等优点。 注射成型（注塑）能一次成型外形复杂、尺寸精确的塑料制品，且成型过程自动化程度高，在塑料成型加工中有着广泛的应用。但随着塑料制品的应用日益广泛，人们对塑料制品的精度、形状、功能、成本等提出了更高的要求，传统的注射成型工艺已难以适应这种要求，主要表现在：①生产大面积结构制件时，高的熔体粘度需要高的注塑压力，高的注塑压力要求大的锁模力，从而增加了机器和模具的费用；②生产厚壁制件时，难以避免表面缩痕和内部缩孔，塑料件尺寸精度差；③加工纤维增强复合材料时，缺乏对纤维取向的控制能力，基体中纤维分布随机，增强作用不能充分发挥。因而在传统注射成型技术的基础上，又发展了一些新的注射成型工艺，如气体辅助注射、剪切控制取向注射、层状注射、熔芯注射、低压注射等，以满足不同应用领域的需求。笔者拟对上述成型新工艺作一简要介绍。 1气体（水）辅助注射成型 气体辅助注射成型是自往复式螺杆注塑机问世以来，注射成型技术最重要的发展之一。它通过高压气体在注塑制件内部产生中空截面，利用气体保压，减少制品残余内应力，消除制品表面缩痕，减少用料，显示出传统注射成型无法比拟的优越性。气体辅助注射的工艺过程主要包括三个阶段： 起始阶段为熔体注射。该阶段把塑料熔体注入型腔，与传统注射成型相同，但是熔体只充满型腔的60%～95%，具体的注射量随产品而异。 第二阶段为气体注入。该阶段把高压惰性气体注入熔体芯部，熔体前沿在气体压力的驱动下继续向前流动，直至充满整个型腔。气辅注塑时熔体流动距离明显缩短，熔体注塑压力可以大为降低。气体可通过注气元件从主流道或直接由型腔进入制件。因气体具有始终选择阻力最小（高温、低粘）的方向穿透的特性，所以需要在模具内专门设计气体的通道。 第三阶段为气体保压。该阶段使制件在保持气体压力的情况下冷却，进一步利用气体各向同性的传压特性在制件内部均匀地向外施压，并通过气体膨胀补充因熔体冷却凝固所带来的体积收缩（二次穿透），保证制品外表面紧贴模壁。 气辅技术为许多原来无法用传统工艺注射成型的制件采用注塑提供了可能，在汽车、家电、家具、电子器件、日常用品、办公自动化设备、建筑材料等几乎所有塑料制件领域已经得到了广泛的应用，并且作为一项带有挑战性的新工艺为塑料成型开辟了全新的应用领域。气辅技术特别适用于制作以下几方面的注塑制品： （1）管状、棒状制品 如手柄、挂钩、椅子扶手、淋浴喷头等。采用中空结构，可在不影响制品功能和使用性能的前提下，大幅度节省原材料，缩短冷却时间和生产周期。 （２）大型平板制件 如汽车仪表板、内饰件格栅。商用机器的外罩及抛物线形卫星天线等。通过在制件内设置内置式气道，可以显著提高制品的刚度和表面质量，减小翘曲变形和表面凹陷，大幅度降低锁模力，实现用较小的设备成型较大的制件。 （３）厚、薄壁一体的复杂结构制品 如电视机、计算机用打印机外壳及内部支撑和外部装饰件等。这类制品通常用传统注塑工艺无法一次成型，采用气辅技术提高了模具设计的自由度，有利于配件集成，如松下74cm电视机外壳所需的内部支撑和外部装饰件的数量从常规注塑工艺的17个减至8个，可大幅度缩短装配时间。 水辅助注射成型是IKV公司在气体辅助注射成型技术基础上开发的新技术，是用水代替氮气辅助熔体流动，最后利用压缩空气将水从制件中压出。与气体辅助注射成型相比，水辅助注射成型能够明显缩短成型时间和减小制品壁厚，可应用于任何热塑性塑料，包括那些分子量较低、容易被吹穿的塑料，且可以生产大直径（40mm以上）棒状或管状空心制件。例如，对于直径为10mm的制件，生产周期可从60s减至10s（壁厚1～1.5mm）；而直径为30mm的制件，生产周期则可由180s减到40s（壁厚2.5～3.0mm）。IKV公司和Ferromatik Milacron公司目前正在完善样机，其他一些气辅注塑厂商如Battenfeld公司和Engel公司最近也加入到开发的队伍中来。水辅助注射成型主要用于生产内表面光滑、重复性好的介质导管，其质量和经济效益都是气体辅助注射技术所不及的。 ２ 模具滑动注射成型 模具滑动注射成型法是由日本制钢所开发的一种两步注射成型法，主要用于中空制品的制造。其原理（图1）是首先将中空制品一分为二，两部分分别注射形成半成品，然后将两部分半成品和模具滑动至对合位置，二次合模，在制品两部分结合缝再注入塑料熔体（２次注射），最后得到完整的中空制品。与吹塑制品相比，该法成型制品具有表面精度好、尺寸精度高、壁厚均匀且设计自由度大等优点。 与一般的注射成型相比，注射一压缩成型的特点是： （1）熔体注射是在模腔未完全闭合情况下进行的，因而流道面积大，流动阻力小，所需的注塑压力也小。 （２）熔体收缩是通过外部施加压力给模腔使模腔尺寸变小（模腔直接压缩熔体）来补偿的，因而型腔内压力分布均匀。 因此，注射一压缩成型可以减少或消除由充填和保压产生的分子取向和内应力，提高制品材质的均匀性和制品的尺寸稳定性，同时降低塑料件的残余应力。注射一压缩成型工艺已广泛用<