氣體輔助注射成型的快速冷卻新技術(shù)

1、氣體輔助注射成型的快速冷卻新技術(shù)Seong-Yeol Hana, Jin-Kwan Kwag b, Cheol-Ju Kimb, Tae-Won Park c, Yeong-Deug Jeong da Graduate School of Precision Mechanical Engineering, Pukyong NationalUniversity, Busan, South Koreab NARA M&D Co., Ltd, 50-1, Changwon, Gyeong Nam, South Koreac Department of Computer Aided Die and M

2、old, Changwon Polytechnic College, Changwon, Gyeong Nam, South Koread School of Mechanical Engineering, Pukyong National University, Busan, South Korea摘 要：氣體輔助注射成型技術(shù)（GAIM）是傳統(tǒng)注射成型技術(shù)的發(fā)展和演變，是一種用以成型中空塑件產(chǎn)品的工藝。氣體輔助注射成型技術(shù)相對于傳統(tǒng)的注射工藝有許多優(yōu)勢，如可以減少原料，減少凹痕和翹曲的產(chǎn)生，降低注射壓力等。因此，氣體輔助注射成型技術(shù)已被廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)成型中空塑件（如把手、電視顯示器框架等）

3、的模具。當(dāng)然，氣體輔助注射成型技術(shù)存在一些不足之處，如冷卻時(shí)間長和易產(chǎn)生流動(dòng)痕，冷卻時(shí)間長主要是由于模具成型過程中向型腔注入氣體導(dǎo)致散熱困難，有時(shí)甚至?xí)a(chǎn)生后翹曲現(xiàn)象。為了解決這些問題，我們開發(fā)了一種新型的氣體輔助注射成型技術(shù)逆向氣體輔助注射成型技術(shù)（RGIM）。逆向氣體輔助注射成型技術(shù)主要有兩個(gè)特殊的單元，一個(gè)是過溢料沖區(qū)單元，溢料緩沖區(qū)主要是用以減少原料。另一個(gè)是空氣單元，空氣單元主要用以模具的快速冷卻。通過許多基于數(shù)值計(jì)算的實(shí)驗(yàn)和CAE分析得出了逆向冷卻注射成型技術(shù)的冷卻效率大約比氣體輔助注射成型技術(shù)的冷卻效率提高50%。關(guān)鍵字：氣體輔助注射成型；逆向氣體輔助注射成型；空氣單元；溢料緩沖

4、區(qū) 1. 氣體輔助注射成型技術(shù)的背景 由于注射成型能夠?qū)⒃献⑸涞侥＞咧胁⒔?jīng)過單一的工藝過程生產(chǎn)大量的塑膠產(chǎn)品，所以注射成型已經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)塑膠制品的重要工藝1。根據(jù)Rosato的統(tǒng)計(jì)，大約有32%的塑膠產(chǎn)品是由注射成型工藝生產(chǎn)的2。注射成型技術(shù)已經(jīng)廣泛用于生產(chǎn)日常塑料用品和一些商業(yè)產(chǎn)品。近年來，由于氣體輔助注射成型被廣泛用以生產(chǎn)中空的塑料產(chǎn)品，使得氣體輔助注射成型技術(shù)成為注射成型的一大革命3,4。氣體輔助注射成型技術(shù)已經(jīng)發(fā)展25年了，它最原始的想法是來自于廣泛用以生產(chǎn)瓶子和一些相對比較小的中空塑件的吹塑成型工藝。 這種利用壓縮氣體注射成型技術(shù)第一次被用于商業(yè)化生產(chǎn)是由Friederich發(fā)明

5、的，該專利于1978年7月18日在美國發(fā)表，專利號為4101617。Friederich的專利解決了利用注射模具生產(chǎn)帶有中空塑件的實(shí)現(xiàn)難題5。在氣體輔助注射成型技術(shù)發(fā)展的前些年，用來生產(chǎn)薄壁塑件的結(jié)構(gòu)發(fā)泡技術(shù)引起了工業(yè)生產(chǎn)的特別關(guān)注。利用結(jié)構(gòu)發(fā)泡技術(shù)生產(chǎn)的塑件與注射成型技術(shù)生產(chǎn)的塑件比具有質(zhì)量輕、表面光潔度好、縮痕少等優(yōu)點(diǎn)。 在最近這些年，工業(yè)生產(chǎn)的注意力已經(jīng)轉(zhuǎn)向了氣體輔助注射成型技術(shù)，氣體輔助成型技術(shù)能提高塑件的質(zhì)量，縮短生產(chǎn)周期，提高生產(chǎn)率，節(jié)約原料和降低合模壓力。在注射成型工藝中氣體輔助注射技術(shù)的合理應(yīng)用能生產(chǎn)出具有表面質(zhì)量好、翹曲變形量小、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)的塑件。氣體輔助注射成型可分為短射

6、（short shot）和滿射（full shot）兩種形式。短射主要可分為三個(gè)簡單的過程，短射時(shí)先向型腔注入部分樹脂（一般只充入型腔體積750%98%），一個(gè)短暫的延時(shí)后在樹脂中心注入壓縮氣體，靠壓縮氣體的壓力推動(dòng)樹脂充滿整個(gè)型腔。下一步利用氣體的壓力保壓，直到樹脂固化，然后排出氣體，獲得一空心的塑件6。短射適用于厚壁的充模阻力不大的塑件，特別是手把之類的棒狀制件，可節(jié)省大量的原材料。然而，當(dāng)氣體注入太晚或最初氣體壓力太低時(shí)容易產(chǎn)生明顯的表面缺陷和變形7。另一種就是滿射，滿射是指在樹脂完全充滿型腔后才開始注入氣體。在一段預(yù)設(shè)的延時(shí)期后，第一階段的氣體開始注入。當(dāng)樹脂開始冷卻時(shí)，厚壁處的樹脂由

7、于冷卻收縮而讓出一條流動(dòng)通道，第二階段的氣體開始注入，氣體沿著通道進(jìn)行二次穿透，可以彌補(bǔ)塑料冷卻時(shí)的收縮。在樹脂內(nèi)部的氣壓式一致的，在開模之前，模具內(nèi)的氣體將會被抽空或回收，樹脂在噴嘴停止注射并且澆口處的樹脂凝固后由于氣體的保壓作用開始回填。滿射主要應(yīng)用于薄壁的充模阻力較大的塑件。當(dāng)樹脂內(nèi)部還是熔融態(tài)時(shí)，氣體開始沿著厚壁阻力最小的地方填充，而這些被推動(dòng)的熔融樹脂必定會從型腔流動(dòng)到其他地方，這個(gè)地方稱之為完全浪費(fèi)塑料的溢料緩沖區(qū)5。以上兩種氣體輔助注射成型的形式仍然存在一些缺點(diǎn)，比如當(dāng)模具內(nèi)部填充滿高壓氣體時(shí)，氣體與樹脂的接觸表面容易變得粗糙，還有噴嘴設(shè)計(jì)的局限性和模具冷卻時(shí)間長。在這些缺點(diǎn)中，

8、冷卻時(shí)間長是影響塑件制造周期的最重要因素。一個(gè)空心塑件內(nèi)部溫度的上升主要由于氣體的注入引起的，氣體的注入導(dǎo)致塑件散熱緩慢，這些塑件空心處的熱氣體相當(dāng)于熱的型芯而導(dǎo)致模具冷卻緩慢。因此，氣體輔助注射成型的生產(chǎn)周期將被延長。2. 逆向氣體輔助注射成型技術(shù)（RGIM） 在傳統(tǒng)的氣體輔助注射成型中，塑件上的畸形缺陷必須去除，注射模的塑料越減越少。為了達(dá)到快速冷卻，中空塑件的內(nèi)部相當(dāng)于熱型芯的氣體也必須盡快排出。為了滿足這些要求，我們研究出一種新的氣體輔助注射成型技術(shù)逆向氣體輔助注射成型技術(shù)，該技術(shù)已經(jīng)在韓國申請了專利，專利號為0286015。逆向氣體輔助注射成型包括兩個(gè)特殊的單元，一個(gè)是空氣單元，另一

9、個(gè)是溢料緩沖區(qū)單元?？諝鈫卧饕靡詺怏w的注入和排出中空形狀中的氣體，溢料緩沖區(qū)單元主要用以減少原料。圖1所示為逆向氣體輔助注射成型系統(tǒng)的基本原理。圖1 逆向氣體輔助注射成型系統(tǒng)的基本原理逆向氣體輔助注射成型可分為四個(gè)階段（如圖2所示）。第一階段為填充階段，塑料熔體從熱流道注入模具型腔，一般填充型腔體積的98%100%左右，類似于短射。第二階段為在一段合適的延時(shí)期后注入氣體掏空熔體。在這階段，經(jīng)過加壓的氣體注如模具型腔內(nèi)，氣體沿著阻力最小方向流向制品的低壓和高溫區(qū)域，當(dāng)氣體在制品中流動(dòng)時(shí)，它通過置換熔體而掏空厚壁截面。第三階段為保壓階段，當(dāng)填充過程完成以后，由氣體繼續(xù)提供保壓壓力，解決物料冷卻

10、過程中體積收縮的問題。最后一個(gè)階段是吹氣階段，在保壓階段的幾秒后，利用空氣單元鼓入空氣，鼓入的空氣一方面可以冷卻模具，另方面是排出空心部分的熱氣，我們在空氣單元中應(yīng)用了一個(gè)能自動(dòng)收集氣體的分餾器。圖2 逆向氣體輔助注射成型工藝的四個(gè)階段逆向氣體輔助注射成型技術(shù)與傳統(tǒng)的氣體輔助注射成型技術(shù)主要有兩個(gè)不同之處。第一，逆向氣體輔助注射成型技術(shù)不是直接通過擠壓被氣體置換出的多余熔體而填滿型腔的，而是利用氣體使其重新進(jìn)入溢料緩沖區(qū)排空熔體，因此，此種方法比較節(jié)省原料。第二，逆向氣體輔助注射成型技術(shù)擁有一個(gè)空氣單元，利用空氣單元能將中空部分的熱氣及時(shí)排出從而達(dá)到快速冷卻的效果。3. 逆向氣體輔助注射成型工

11、藝的注射成型實(shí)驗(yàn)該實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要有帶有逆向氣體輔助注射功能的模具、氣體壓縮裝置和一個(gè)空氣單元。該實(shí)驗(yàn)的模具為一模一腔模具，主要是用以成型微波爐把手。模具溫度為50，氣體壓縮裝置是有GAIN科技公司制造的8，用以模具快速冷卻的空氣單元如圖3所示，空氣的溫度為15，我們使用的注射機(jī)為LG（LGH 140）(如圖4所示)。3.1 逆向氣體輔助注射成型工藝的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（DOE） 本實(shí)驗(yàn)主要是對利用逆向氣體輔助注射成型技術(shù)成型兩種不同高聚物塑件的冷卻效率的驗(yàn)證，這兩種高聚物分別是通用聚苯乙烯（GPPS，LG Chemical 25SPI）和聚丙烯（PP，LG Chemical M580）。為了提高實(shí)驗(yàn)的效率

12、和可靠性，我們計(jì)劃運(yùn)用田口方法（Taguchi Method）9進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。我們將利用統(tǒng)計(jì)軟件MINITABTM對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析（ANOVA）10。我們選擇了三個(gè)對模具注射質(zhì)量影響最大的因素，這些也是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)必須考慮的因素。表1所示說明了試驗(yàn)中這三個(gè)因素的影響水平。圖3 氣體壓縮裝置和空氣單元 圖4 注射機(jī)表2所示為實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)安排，在每一組成型條件下實(shí)驗(yàn)樣品會被成型5次，在去除第一次和最后一次成型的樣品后，其他3次的樣品數(shù)據(jù)的平均值將記錄表格中。表1 實(shí)驗(yàn)因素影響水平表2 逆向氣體輔助注射成型工藝的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)3.2 GPPS的實(shí)驗(yàn)分析實(shí)驗(yàn)首先使用的是通用聚苯乙烯（GPPS），我們測出了其所成

13、型塑件的溫度、長度（如圖5所示）和重量，表3所示為各測量值。圖5 逆向氣體輔助注射成型技術(shù)所成型的產(chǎn)品表3 每一組成型條件下的溫度、長度和重量的測量值上述成型過程是在GPPS熔體溫度為220和沒有鼓入氣體的條件下進(jìn)行的。在成型過程中，當(dāng)模具冷卻30s后，塑件溫度為175。在這些實(shí)驗(yàn)中，第七組成型條件具有最低塑件的溫度，而第八組中具有最高的塑件溫度。第七組與第八組的塑件溫度相差26。通過與第七組測得的塑件溫度比較得出冷卻效率提高了將近50%。在塑件長度方面，第三組的長度最長，第八組的長度最短。盡管成型條件不斷變化，但塑件的重量幾乎恒定不變。S/N的比值“越小越好”的特點(diǎn)是基于表3塑件溫度的測量值

14、得出的。圖6說明在這三個(gè)影響因素中，持續(xù)鼓入氣體是影響冷卻效率的最大因素。通過方差計(jì)算分析得出最優(yōu)值條件為熔體溫度為220，注入氣體的延時(shí)時(shí)間為21s和持續(xù)鼓入氣體的時(shí)間為70s。圖6 GPPS塑件溫度的S/N比率圖3.3 PP的實(shí)驗(yàn)分析在PP的實(shí)驗(yàn)中，成型塑件的溫度、長度（如圖5所示）、高度和光澤度的測量值如表4所示。表4每一組成型條件下的溫度、長度、高度和重量的測量值通過比較第三組在沒有鼓入氣體的成型條件下測得溫度值可以得出冷卻效率提高了將近45%，而塑件的長度、高度和光澤度變化很小?；诒?計(jì)算得到的S/N比率，圖7說明持續(xù)鼓入氣體是影響塑件溫度的主要因素。通過方差計(jì)算分析得出最優(yōu)值條件

15、為熔體溫度為210，注入氣體的延時(shí)時(shí)間為31s和持續(xù)鼓入氣體的時(shí)間為70s。圖7 圖6 GPPS塑件溫度的S/N比率圖4.逆向氣體輔助注射成型冷卻時(shí)間的數(shù)值計(jì)算我們使用一個(gè)冷卻數(shù)值方程來計(jì)算鼓入氣體的冷卻效應(yīng)。對于冷卻時(shí)間的計(jì)算我們需要假設(shè)兩種情況，第一種是模具冷卻時(shí)沒有鼓入氣體，第二種是模具冷卻時(shí)鼓入氣體。由于PC塑化溫度高，能很明顯地觀察到冷卻效率，因此我們使用PC作為計(jì)算對象。PC的密度（）為1.17g/cm3 ，擴(kuò)散率（R）為0.0004547cal/s cm，比熱（Cp）為0.2319cal/g，塑化溫度（TM）為300，模具溫度（TW）為60，注射溫度（TE）為70。以下的傅里葉方

16、程是用來計(jì)算冷卻時(shí)間11： 上述方程中tc為冷卻時(shí)間（），s為壁厚（mm），為熱擴(kuò)散系數(shù)（mm2/s），在沒有鼓入氣體的情況下由方程（1）計(jì)算得冷卻時(shí)間為733s。表5 熱交換計(jì)算方程12Q：成型總輸入熱量（kcal）； W：樣品重量（g）； Cp：樣品比熱（kcal/g）；T：塑件的塑化溫度與注射溫度之差（）； Q1：每秒熱交換值（kcal/s）；ha：鼓入氣體的熱交換系數(shù)（kcal/mm2h）1.72E+8； A1：空心形狀區(qū)域的表面積（mm2 ）4.741E+5；TM ：塑化溫度（）； Ta：空氣溫度（）； Q2：鼓入氣體每秒帶走的熱量（kcal/s）； hR ：模具的熱交換系數(shù)（kca

17、l/mm2h）5.0E+7；A2：塑件與模具接觸表面積（mm2 ）1.41E+6；TW ：模具溫度（）對于第二情況，成型總輸入熱量為Q，塑件與模具每秒的熱交換值為Q1，鼓入氣體每秒帶走的熱量為Q2，圖8所示為樣品的數(shù)值計(jì)算模型。圖8 樣品的數(shù)值計(jì)算模型假設(shè)鼓入氣體帶走的熱量（Q1）和熱交換值（Q2）之和等于總輸入熱量值，那么計(jì)算得出冷卻時(shí)間126s。這次有鼓入氣體的冷卻時(shí)間比第一種情況快了5倍多（如表5所示）。5. 基于有限元軟件MARC的溫度分布仿真模擬為了驗(yàn)證上述提到的兩種情形逆向氣體輔助注射成型的效率，我們使用有限元軟件MARC對熱交換進(jìn)行仿真模擬分析。第一種情形是模具冷卻時(shí)沒有鼓入氣體

18、，第二種是模具冷卻時(shí)鼓入氣體。塑件的材料為PC，我們將在材料的機(jī)械性能和其他所有條件都與數(shù)值計(jì)算相同的情況下的數(shù)據(jù)輸入MARC。當(dāng)在塑件的中空部分未鼓入氣體時(shí)，中空部分的氮?dú)夂涂諝獾臏囟榷冀咏芗乃芑瘻囟龋虼宋覀兗僭O(shè)中空部分的溫度為200。. 圖9 在沒有鼓入氣體時(shí)30s的溫度分布圖9所示為在沒有鼓入氣體時(shí)30s時(shí)模具型腔壁與塑件的邊界溫度分布情況，此時(shí)在中空部分沒有發(fā)生熱交換。圖10所示為在鼓入氣體時(shí)20s時(shí)中空部分的溫度分布情況。此時(shí)，在中空部分由于氣體的鼓入發(fā)生了熱交換，并且中空部分溫度降低了70，這對于注射模來說是比較理想結(jié)果。圖10 在鼓入氣體時(shí)20s的溫度分布6.結(jié)論逆向氣體輔

19、助注射成型技術(shù)的應(yīng)用可以解決傳統(tǒng)氣體輔助注射成型中的冷卻時(shí)間長等問題，并且可以提高塑件的表面質(zhì)量。為了驗(yàn)證逆向氣體輔助注射成型技術(shù)的可靠性，我們設(shè)計(jì)了一個(gè)用于成型微波爐把手的模具成型實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明逆向氣體輔助注射成型的冷卻時(shí)間相對于傳統(tǒng)的氣體輔助注射成型的冷卻時(shí)間減少了50%，同時(shí)，數(shù)值計(jì)算的結(jié)果和CAE熱交換模擬分析驗(yàn)證了逆向氣體輔助注射成型技術(shù)的可靠性。鳴謝： 感謝本文有Brain Korea 21工程大學(xué)和奈良模具有限公司（NARA M&D Co.Ltd）的支持。參考文獻(xiàn)：1 G. Ptsch, W. Michaeli, Injection Molding: An Introduct

20、ion, Hanser Gardner Publication Inc., Cincinnati, 1995.2 Z. Tianmin, An investigation of gas-assisted injection molding: effects of process variables on gas bubble formation, Ph.D. Thesis, The Ohio State University, 1994.3 M. Chen, D. Yao, B. Kim, Optimization of process conditions in gas assisted i

21、njection molding, in: Proceedings of the ANTEC 2001, Dallas, TX, 2001, pp. 754758.4 E. Moritzer, H. Potente, Theoretical and practical results for the gas injection molding process variant: melt displacement into an overflow cavity, in: Proceedings of the ANTEC96, Indianapolis,1996, pp. 674678.5 J. Avery, Gas-Assist Injection Molding: Principles and Applications,Hanser Gardner Publication