1、   注塑成型新技術       高分子材料的成型方法主要有擠出成型、注塑成型、吹塑成型、壓延成型、壓制成型等，其中，注塑成型因可以生產和制造形狀較為復雜的制品、易于與計算機技術 結合、易于實現自動化生產等優點，在高分子材料的成型加工中占有極其重要的位置。注塑成型技術廣泛應用于汽車、家電、電子設備、辦公自動化設備、建材等諸 多領域。近年來，這些工業領域迅速發展，給注塑成型技術的發展提供了強大的推動力，使注塑成型技術在發展速度上、水平上都得到了迅猛的發展，特別是對于注 塑成型新技術的發展更是起到了強大的推動作用。本文

2、著眼于注塑成型新技術的最新發展動向，介紹了幾種用途較為廣泛的注塑成型新技術。近幾年來，注塑成型新 技術發展動向主要集中在：新型氣輔注塑成型技術、多組分注塑成型新技術、微孔發泡注塑成型技術、微注塑成型技術等方面。     1 新型氣輔注塑成型技術     氣體輔助注塑成型技術(Gas-assisted InjectionMolding Technology) 是自往復式螺桿注射機問世以來，注塑成型技術最重要的發展之一。它通過高壓氣體在注塑制件內部產生中空截面，利用氣體積壓，減少制品殘余內應力，消除制品 表面縮痕，減少

3、用料，顯示傳統注塑成型無法比擬的優越性。一般氣體輔助注塑成型的過程是：先向模具型腔中注入經過準確計量的塑料熔體，再直接注入壓縮氣 體；氣體在塑料熔體的包圍下沿阻力最小的方向擴散前進，對塑料熔體進行穿透和排空，作為動力推動塑料熔體充滿模具型腔并對塑料熔體進行保壓，待制品冷卻凝 固后再開模頂出。近年來，氣體輔助注塑成型技術發展迅速，出現了一些創新性技術，如水輔助注塑成型技術、冷卻氣體氣輔技術、氣輔共注成型技術、外部氣輔注 塑技術及振動氣輔技術等。     1.1 水輔助注塑成型技術    水輔助注塑成型技術(Water-Assi

4、sted Injection Molding Technology) 是以德國Aachen 大學塑料加工研究所為代表的研究人員基于氣輔成型原理開發出的新的注塑成型技術。由于氣體的熱容量比較小、導熱性差，氣體輔助注塑時，制件相當于單面冷 卻，因而其成型周期往往比普通注塑長。水輔助注塑成型技術的原理與氣體輔助注塑成型技術基本相同，只是用水代替氣體注入熔體中心。其工藝過程為：（1）將 熔體注滿型腔，進行短暫保壓；（2）將水注入熔體中心，在水的壓力下，制件中心的熔體倒流回注塑系統；（3）經過一段時間保壓后，減壓將水排出制件。排水 所需的壓力可以由水的蒸發產生，或者通過加入水中的CO2 的蒸發產生。在注

5、塑直徑為30mm的PP中空制件的比較實驗中發現，水輔助注塑的冷卻時間比氣體輔助注塑減少了75%。按照成型工藝過程的不同，水輔助注塑成型有短射( 欠料注塑) 法、返流法、溢流法和流動法4種工藝方法1。     1.2 冷卻氣體氣輔成型技術      在氣輔成型過程中，盡管氣體輔助成型降低了塑件的壁厚，但在工藝過程中，冷卻階段在成型周期中所占比例最大。當氣體( 氮氣) 將塑件穿透時，其冷卻作用是非常小的。如果制品在脫模時冷卻不夠充分，則內部殘余熱量會形成表面再結晶，從而導致制品質量降低或者變形，嚴重的時候制品

6、內 部會出現氣泡。為避免以上情況的發生，可以采取延長模具冷卻時間或使用次級冷卻裝置的措施，但會增加成本。冷卻氣體輔助成型技術便是針對以上的問題而出現 的一種新的氣輔成型方法。在冷卻氣體輔助成型工藝中，氣體通常被冷卻至20 180。冷卻氣體形成的過程是：常溫氣體通過一個腔室，在其中被液氮冷卻。這種冷卻氣體輔助成型技術的主要優勢在于：當冷卻氣體穿透熔體時，在模腔內 會產生塞流效應，塞流產生的殘余壁厚比傳統氣體輔助成型要小；冷卻氣體也防止了制件內部起泡，并能產生較光滑的內表面2。     1.3 氣輔共注成型技術    

7、 氣輔共注成型技術（Co-Injection and Gas-Assisted Injection Molding）是將聚合物共注成型技術與氣輔技術相結合而得到的一種新工藝。聚合物共注成型技術是同時或者先后向模腔內注入不同的聚合物熔體，形成多層 結構的一種成型技術，而與共注成型工藝相比多了一個注氣過程；相對氣輔成型而言，則多了一個多層結構的形成過程3-5。    氣輔共注成型的過程包括三個階段：（1）共注塑階段。此階段與一般共注成型工藝類似，只是在形成表/ 內層結構后，當表層和內層所注入的材料總量占型腔總體積一定比例時，停止注塑熔體，此過程可謂氣輔過程的“欠料注塑

8、”，只是注入兩種以上的熔體；（2）氣 輔注塑階段。氣體對內層熔體進行穿透，隨著氣體的推進，被氣體“排擠”的內層熔體又帶動表層熔體向前流動；（3）保壓冷卻，釋壓脫模，獲得制品。為了實現 聚合物的氣輔共注成型，必須對原有共注成型設備進行改造，即在共注成型設備的基礎上增加一套氣輔系統。     1.4 外部氣體輔助成型技術      外部氣體輔助注塑成型技術(External Gas Molding Technology) 是與傳統的內部氣體注塑成型不同的一種氣體輔助注塑方法。傳統的氣體輔助成型技術是將氣體注入

9、塑料熔體內以形成中空的部位或管道，而新型氣輔成型技術是將 氣體注入模腔表面的局部密封位置中（相當于在塑料熔體外部），故稱之為“外氣注塑”6。     1.5 振動氣輔成型技術     一般的氣體輔助注塑成型屬于非動態成型工藝，而振動氣體輔助注塑成型(Vibrated Gas-Assist Molding) 工藝最大的不同便是引入振動波，使常規氣體輔助注塑成型時注入的“穩態氣體”，變為具有一定振動強度的“動態氣體”，從而利用氣體作為媒介將振動力場引入 到氣輔注塑成型的充模、保壓和冷卻過程中，使其成為動態的成型工藝7。

10、     2 多組分注塑成型技術     多組分注塑（Multi-Component Injection Molding）是由至少兩種不同的材料通過注塑成型得到所需部件的加工過程，其整合各組分的優越性能，可以生產普通單組分注塑過程無法實現的特殊性能制 品。這種由兩種或更多種材料組成的產品，與傳統的由一種材料成型的注塑產品相比具有不同的物理特性。多組分注塑成型的獨特之處在于8 ：(1)可將不同加工特性的材料復合成型；(2) 提高制品手感和外觀，集多種性能于一體；(3) 縮短了產品的設計、生產及成型周期，降低了成本；(

11、4) 省略了傳統注塑成型后二次加工、裝配的過程。    2.1 多組分注塑成型工藝      當前，多組分注塑成型主要有共注塑成型、三明治成型、雙色注塑成型、包覆成型、多色注塑成型等技術9 ，而根據各組分在其成型過程中結合形式的不同，大致可分為順序注塑成型和疊加注塑成型兩大類。     2.1.1 順序注塑成型       順序注塑成型是指依次注入物料的工藝過程，這一過程是通過特殊的多組分噴嘴來實現的。其過程是先向模

12、腔中注入第一種熔融組分形成制品表層，然后通過切換多 組分噴嘴的切換閥，注射第二種組分，形成制品的內核部分，其過程如圖1 所示。就常見的雙組分夾芯注塑來說，可以將兩組分某方面的性能互補，揚長避短，以達到單組分制品無法獲得的性能。順序注塑成型應用最多的有以下三大類： （1）對于大體積制品，內核利用回收的物料，而外層為起裝飾作用的新材料；（2）對于要求承受彎曲應力等載荷的制品，其外層使用玻纖增強材料，而內核可以 采用非增強材料；（3）對于厚壁制品，常使用發泡物料制成其內核 10-11。      圖1 順序注塑成型示意圖   Fi

13、g.1 The schematic diagram of sequence injection molding     2.1.2 疊加注塑成型     疊加注塑成型過程是通過不同的澆口或流道將多種組分( 通常是兩種) 注塑到一起，或者將一種組分疊加在另一種組分之上。與順序注塑成型相比，其關鍵在于模具部分的改進和變化。疊加注塑成型又可分為“熔融/ 熔融”注塑成型和“固體/熔融”注塑成型兩種10。“熔融/ 熔融”注塑成型也就是一般說的共注塑成型，其特點是同時把兩種熔融組分經由不同的澆口注入模腔。“固體/ 熔融”注塑成

14、型的特點是在第一種熔融組分部分固化后，再注塑第二種，甚至第三種、第四種組分。如模內自組裝注塑成型，是在第一種組分完全固化后，通過內部 或外部的傳遞機構轉移至下一成型位置，注入下一組分，實現多組分注塑，如圖2 所示10,12。    圖2 模內自組裝注塑成型示意圖Fig.2 The schematic diagram of norm inner self-assembled injection molding2.2 多組分注塑成型設備     不同的成型工藝需要由對應的成型設備來實現。對應于上述多組分注塑成型工藝的分類，相應成

15、型設備的注射單元的主要形式有：（1）數個注射單元水平方向相互 平行或互成一定角度的布局(L型或V 型) 設計或在豎直面內垂直分布；（2）兩個注射單元共用一個噴嘴，注塑部分允許兩種組分交替順序注塑或間歇順序注塑。多組分成型設備的代表有德國 (Krauss Maffei) 克勞斯 瑪菲公司的Revolution 旋轉壓板雙組分注塑系統等13。     2.3 多組分注塑成型技術的發展趨勢      隨著塑料注塑制品的廣泛應用，多組分技術在當代注塑技術中具有巨大的機遇和希望。與單一組分的普通注塑技術相比，多組分技術在設計

16、和功能上具有明顯的優 勢。不同熱塑性塑料共成型、彈性體塑料和熱固性塑料共成型、超壁雙組分成型、裝飾性襯里成型等是多組分技術的趨勢14。另外，用多組分技術制出的具有 磁性、導熱或導電性等填充型功能熱塑性塑料制件也成為當前研究熱點。    3 粉末注塑成型技術     粉末注塑成型(Powder Injection Molding) 是將現代塑料注塑成型技術引入粉末冶金領域而形成的一門新型粉末冶金成型新技術。它是塑料成型工藝學、高分子化學、粉末冶金工藝學和金屬材料學等多學科滲 透與交叉的產物，利用模具注塑成型坯件，并通過燒結快速

17、制造高密度、高精度、三維復雜形狀的結構零件，能夠快速準確地將設計思想物化為具有一定結構、一定 功能的制品，并可直接批量生產出零件，是制造技術行業一次新的變革。     3.1 粉末注塑成型的工藝過程及技術特點      粉末注塑成型的工藝流程，如圖3 所示。（1）選取符合粉末注塑成型技術要求的金屬粉末和有機黏結劑；（2）在一定溫度下，采用適當的方法將粉末和黏結劑混合成均勻的喂料；（3）用注塑成 型機將制成粒狀后的喂料注入模腔內后冷凝成型，得到成型坯件；（4）對成型坯件進行脫脂處理；（5）燒結成型坯件，得到

18、最終產品。圖3 粉末注塑成型的工藝流程Fig.3 The flow chart of powder injection molding     粉末注塑成型技術在制造具有復雜形狀、均勻組織結構和高性能、高強度、高精度的產品方面顯示了獨特的優勢。不僅具有常規粉末冶金工藝工序少、無切削或少切 削、經濟效益高等優點，而且克服了傳統粉末冶金工藝制品、材質不均勻、機械性能低，不易成型薄壁、復雜結構的缺點，特別適合于大批量生產小型、復雜形狀以 及具有特殊要求的金屬零件，采用粉末注塑成型進行大批量生產有較大的成本優勢，生產成本只有傳統工藝的20%60%。粉末注塑成型技

19、術的出現，給各行各 業設計和制造人員提供了嶄新的設計思路和制造技術，采用粉末注塑成型技術可以大膽采用原來由于可加工性和加工經濟性差而不得不放棄的一些結構復雜的設計方 案。還可使原來由于加工困難、而不得不采用的組合件、拼裝件進行一次復合完成加工15-16。     3.2 粉末注塑成型工藝的新發展     近幾年，粉末注塑成型技術得到快速發展。其最大特點是粉末注塑成型技術與其他成型技術相結合，得到了許多優異的產品。微型注塑成型和雙組分注塑成型與粉末 注塑成型結合：以微型拉伸試樣作為研究對象，證明雙組分注塑成型粉末產品

20、切實可行，開發的產品實例為一種微型加熱針。Arburg 公司注塑了質量為0.0679g 的陶瓷產品，用作絕緣材料17-18 。振動輔助注塑成型：殷小春等19 對振動輔助注塑成型應用于金屬粉末注塑成型過程進行了研究。結果表明：振動力場可以使不同徑向位置處的模腔最大壓力隨振動振幅、頻率的增加而減小，從而可 以在不影響制品性能的條件下降低注塑成型壓力，以拓寬金屬粉末注塑成型的適用范圍。    今后，粉末注塑成型技術研究和開發的主要方向是：開發高效、低成本的預混合粉生產技術；研究和開發工藝性能更佳的新型黏結劑，建立起黏結劑設計原理和數據 庫20 ；開發粉末注塑成型過程模擬

21、與仿真技術，為模具設計和注塑工藝制定奠定理論基礎；發展低溫、快速脫脂和低溫燒結技術，減小缺陷和變形。     4 微孔發泡注塑成型     微孔泡沫塑料(MCF) 是指微孔直徑為0.110.0m，微孔密度達1091 015 個/cm3 ，材料密度比發泡前減少5%98% 的泡沫塑料。與不發泡塑料相比，微孔泡沫塑料具有優良的沖擊性能、高疲勞壽命、低介電常數和熱導率。由于微孔發泡塑料達到了既降低材料的成本又提高其性能 的雙重效果，性價比更高，因此具有極大的應用前景。利用氣體超臨界液體狀態在整個聚合體中產生分布均一和尺寸統

22、一的微小的氣孔（根據聚合體不同的材質及應 用，其尺寸通常為5100m）是微孔發泡注塑成型的技術特點。微孔發泡注塑成型技術與傳統塑料發泡技術比較21，既不需要化學發泡劑，也不需要以 烴基為原料的物理催化劑、泡沫劑及其他助劑。合理利用微孔注塑成型技術可以擴大產品結構形式、提高生產效率、降低生產成本。按照成型過程的連續性，可將微 孔發泡注塑成型工藝分為間隙式微孔發泡塑料注塑成型和連續微孔發泡塑料注塑成型。     4.1 間隙式微孔發泡塑料注塑成型     間隙式微孔發泡塑料注塑成型是早期進行微孔注塑成型的一種方法，工藝

23、過程22-23 是先在高壓下使氣體(CO2) 均勻地溶解于固態聚合物中（在聚合物玻璃態下進行），形成固態聚合/ 氣體飽和體系，加熱至熔融狀態。然后在高壓下注塑成型，并降低溫度和壓力至某一狀態，使聚合物熔體中的氣體過飽和，析出形成大量的氣泡核，最后快速冷卻阻 止氣泡生長，由此成型微孔發泡塑料。這種利用壓力使惰性氣體滲入固態聚合物中成型微孔泡沫塑料的方法只適用于間歇式生產，生產效率比較低，不及其他連續的 微孔發泡注塑技術。     4.2 連續微孔發泡塑料注塑成型      美國Trexel 公司提供的MuC

24、ell 技術24 被認為是第一種適合市場推廣的微孔發泡注塑技術，其工藝過程可以分為以下4 步：（1）超臨界狀態下的氣體( 如CO2) 在螺桿后退階段通過機筒注塑進入聚合物熔體中，形成單相溶液；（2）當高壓下機筒內的熔體注塑進人壓力較低的模具時，由于壓力變化，單相溶液經歷熱力學不 穩定的狀態，大量的成核點形成泡沫氣室；（3）氣體擴散到泡沫中，引起氣泡膨脹；（4）當氣泡長大到一定尺寸時，冷卻定型。MuCell 在注塑成型技術上的突破，為注塑制品生產提供了其他注塑工藝所不具有的巨大能力，為新型制品設計、優化工藝和降低產品成本開拓了新的途徑。其他連續微孔發泡塑料注塑成型工藝有：Ergocell 微孔發

25、泡塑料注塑成型24 、超臨界流體微孔發泡塑料注塑成型25 等。     5 微注塑成型技術     近年來，微系統技術的應用已從微電子元件、微型光學儀器、微型醫療儀器、微型傳感器擴展到磁盤讀寫裝置、噴墨打印等。為了能夠生產具有實用價值的微細組 件，許多新興制造技術隨之產生，包括光刻，電鑄及脫模技術(LIGA)、紫外光蝕刻技術(UV)、放電加工(EDM)、微注塑成型、精密磨削和精密切削等 26-27。其中，微注塑成型技術以容易實現低成本大規模生產具有精密微細結構零件的優點，成為世界制造技術的研究熱點之一28-29。&

26、#160;    5.1 微注塑成型技術的工藝特點       微注塑成型的工藝過程，如圖4 所示。與普通注塑成型相比，具有如下的優點：（1）原料利用率提高。微注塑系統可以顯著縮小流道的尺寸，從而提高原料的利用率；經過優化設計的流道，其物 料利用率可達60%；（2）制品精度高。可控制的注射量、縮小的澆口和流道都有利于提高制品的精度，目前微注塑制品的尺寸誤差可控制在0.01mm 之內，質量誤差不超過0.00008g；（3）生產周期縮短。澆口、流道尺寸縮小及變溫控制系統加快了制品的充模、冷卻速度，縮短了成型周期。一般采用