注塑工艺及模具设计第六讲 特种注塑模（三）

洪慎章

(上海交通大学塑性成形技术与装备研究院，上海 200030)

6.3 气体辅助注塑模

气体辅助注塑成型工艺是由德国的 Battenfe1d公司最先提出的。该工艺是当型腔中注射了部分聚合物熔体以后，紧接着通过喷嘴、流道将压缩空气（通常为 N2）注入熔体中形成中空塑件的特殊工艺，即表层是连续结实的实体，而塑件的心部存在空气空间。这样的塑件有高的强度质量比，所以在汽车、建材及日用品中有着十分诱人的发展前景。

图340所示为 Battenfe1d公司的气体辅助注塑装置。 图341所示为气体辅助注塑成型过程。

图340 气体辅助注塑装置

气体的压力、流量、体积是决定塑件中空气夹芯方位、大小等的重要因素。 另外，模具结构和工艺参数（如注射速度、熔料温度、模具温度、注射压力、保压时间等）也对气体夹芯产生重要影响。

6.3.1 气体辅助注塑成型的优点

（1）在塑件厚壁处，肋、凸台等部位表面不会出现缩痕，提高了塑件质量。 一般气体辅助注塑成型制件的截面形状如图342所示。

（2）所需锁模力为一般注塑成型的1/10～1/5，可大幅度降低设备成本。

（3）因成型时注射压力低，故塑件中的残余应力极小，塑件不易出现翘曲和应力碎裂，可大幅度降低废品率。

（4）可减轻塑件的质量，减少原材料的费用，使塑件适应工业产品轻型化的要求。

（5）所需冷却时间短，可缩短成型周期，提高注塑成型的生产效率。

（6）可成型各种复杂形状的塑件。

6.3.2 热固性树脂材料

根据 Battenfe1d的研究，对不同热固性塑料使用内部气压的可能性依赖于注射阶段熔料的流动行为（流动曲线），已经表明必须满足下列的先决条件:

（1）熔料对模壁腔的黏合性（熔料无低黏度润滑层）。

（2）熔料前沿沿型腔壁流动的平板流动曲线 。

（3）压缩流动前沿（熔料的任—部分未被压缩）。

已经表明平板流动的热固性塑料具有上述性能，因此非常适合内部气压技术。

适合采用气助压力系统的热固性树脂有酚醛树脂（PF）、脲醛树脂（UF）、三聚氰胺甲醛树脂（MF）、三聚氰胺-酚醛树脂（MP）、不饱和聚酯树脂、环氧树脂（EP）。

气体辅助注塑模具的基本结构与—般注塑模具相同。由于采用低压成型，有利于提高模具寿命，但对型腔表面的形位精度提出了更高的要求。这是因为这种成型方法能较逼真地反映型腔壁表面的状况，对于成型表面带有装饰花纹的塑件有好处；但另—方面，如果模具表面存在某些缺陷，也能从塑件表面反映出来。

6.4 水辅助注塑模

德国又开发出基于同样原理的新的注塑成型技术——水辅助注塑成型技术，它比气体辅助注塑成型技术在缩短成型周期、减小制件厚度与重量等方面更具有吸引力。如德国 Sulo公司开发成功的 PP塑料成型的全塑超市购物手推车。该产品用气体辅助成型需要的时间是280 s，而用水辅助成型只需68 s。可见水辅助注塑成型是一项极具有竟争优势的成型技术。

6.4.1 水辅助注塑成型工艺过程与方法

6.4.1.1 水辅助注塑成型工艺过程

水辅助注塑成型的基本过程是: 先将塑化好的塑料熔体注入封闭的模具型腔，然后通过安装于模具上的注射器将一定温度与压力的水注入型腔内熔体的心部。由于水的温度远低于熔体温度，因此水流及其前锋面与熔体接触的界面因熔体温度迅速降低而形成一层高黏度的固化膜，将水流包裹在制件壁厚中心。水流在压力作用下，如同柱塞一样推动熔体向前流动并最终充满型腔。同时，当型腔内的高温熔体开始接触到较冷的型腔壁时，也会在模壁处产生一定厚度的凝固层，使得制件心部的水流不致穿透固化膜与模壁接触。经过一定时间的冷却固化，便可排空制件心部的水，开模获得空心的制件。

水辅助注塑成型工艺过程可分为四个阶段，即熔体注射→水的注射→水的排空→塑件脱模

6.4.1.2 水辅助注塑成型方法

按照具体成型工艺过程的不同，目前水辅助注塑成型有4种工艺方法。

（l）短射（欠量注射）法 这种方法也称吹胀法，它是通过对封闭型腔进行经过准确计量的熔体欠量注射，然后迅速切换到向型腔内的熔体心部注入高压水而实现的。水在熔体心部流动如同柱塞一样推动熔体向前并充满型腔，同时实施保压，如图343所示。来自注塑机机筒的熔体和供水系统的水，由专门的控制阀门分别控制。制件固化后，打开控水阀门，借助水的重力或外界压缩空气的压力可将水排净。这种方法在熔体欠量注射结束而切换到水的注入时，会因熔体流短暂的停滞而在制件表面形成滞留痕，影响外观质量。它适合壁厚较大的制件成型，但应严格控制熔体注入的量。若注入的熔体量太少，可能导致水流前锋面的熔体膜被穿透，使水进入型腔而损伤模具。

（2）返流法 该方法是注入熔体时，型腔先被熔体完全充满，然后通过安装于模具上且位于熔体充模流动末端或附近的水注射器向型腔内熔体心部注入水。水的压力高于熔体压力，因此，型腔心部的熔体受水的排挤被迫向注塑机机筒的头部空间返流，如图344所示。这种方法避免了短射法在由注入熔体后向注水切换时在制件表面上形成的滞留痕迹，可获得表面优质的制件，但需要特殊的喷嘴和阻逆环控制返流回注射机筒的熔体量，且不允许水穿透到注塑机机筒前端。同时返流回来的熔体与注射机筒原有的熔体存在温度和压力的差异，这将会影响下一次注射的制件质量。

图343 短射法

图344 返流方法

（3）溢流法 这种工艺方法的模具需用两个型腔，一个为成型制件的主型腔，另一个是与其连通的溢流腔。主型腔通过安装在其末端的控制阀与溢流腔隔开形成两个封闭型腔。开始注入熔体时主型腔被完全充满，然后由水注射器向主型腔内的熔体心部注水，并打开主型腔末端的控制阀，使主型腔内被水排挤出来的熔体通过阀门通道流入溢流腔。关闭主型腔阀门可对制件实施保压，如图345 所示。这种方法同样可获得表面优质的制件，但脱模后制件及溢流腔需增加修整、清理与切除多余材料的工序。

（4） 流动法 这是短射法与溢流法的结合。成型时先对型腔进行欠量的熔体注射，然后向型腔内的熔体心部注入水，水推动熔体向前流动充满型腔，打开型腔端部的控制阀，水流穿透熔体前锋面的固化膜，通过型腔末端的控制阀，流回到供水系统回路，如图346所示。这种方法节省材料，同时水从制件心部流向循环回路，增加冷却速率，但制件的出水口处会产生缺陷 。

图345 溢流方法

图346 流动方法

6.4.2 水辅助注塑成型技术的主要特点

水辅助注塑成型技术与气体辅助注塑成型技术相比较，其根本差别在于二者使用的辅助成型介质的性质不同: 一种是液态的水，另一种是气态的氮气。水是不可压缩的，而气体则可以。水不但黏度高于气体，而且水的热导率比气体大40倍，其热容量也比气体高4倍。由于水的流体特性，使水辅助注塑成型具有如下特点:

（l）缩短循环时间 水辅助注塑成型是将一定温度（10～80℃）的高压（30 MPa） 水注入型腔内熔体的心部，因此，水可直接从制件壁厚的心部对制件进行冷却，而且这种冷却是随着制件形状由内到外均匀作用的，冷却充分，效果好，可大大缩短制件的成型周期。研究表明，水辅助成型的冷却循环时间只有气体辅助成型的25%，甚至更低。如成型直径为Φ10 mm、壁厚为1.0～1.5 mm的制件，气体辅助成型时间为60 s，而水辅助成型时间只需10 s；成型直径为 （Φ30 mm、壁厚为2.5～3.0 mm的制件，气体辅助成型时间需要180 s，而水辅助成型时间只需40 s。

（2）制件表面无缩痕 水辅助成型中注入型腔的熔体，是在高达近30 MPa的水压力作用下紧贴型腔壁流动与冷却固化的，制件的整个成型收缩与冷却定型过程始终受到来自制件心部的水压力作用。制件壁厚密度高，冷却均匀，收缩一致，表面平整无缩痕，没有翘曲与扭曲变形，外观质量好。

（3）可成型薄壁和内表面光滑的制件 由于水辅助成型所用的水温度远低于熔体温度，因此注入型腔的水与高温熔体接触的界面，会因熔体温度迅速降低 而立即形成一层光滑的高黏度固化膜。固化膜内侧的水在压力作用下向外均匀施压，使尚未凝固的制件壁厚受压而减薄，但水不会穿透固化膜进入壁厚，同时水流前锋面的熔体在水压力作用下向前推移，使更多的熔体向前流动，从而获得壁厚较小且内表面光滑的制件。图347所示为水辅助成型与气体辅助成型制件内表面的比较。水的黏度高于气体，以及熔体固化膜的作用，使水不会像气体那样容易渗入到熔体内，因此，可获得内表面光滑的制件。而气体则容易渗透到制件内表面，并产生气泡或形成空隙，致使制件内表面粗糙。

图347 制件内表面的形貌

（4）节省材料 水辅助成型可成型比气体辅助成型所能达到的壁厚更小的制件，因而节省材料，减轻制件重量，降低成本。研究表明，水辅助注塑成型可节省材料30%～40%。气体辅助成型在用于直径较大的制件成型时，其壁厚仍较大，易造成制件内表面产生气泡。当成型直径超过Φ40 mm的制件时，气道形成后，因壁厚较大及气体不具有冷却作用，易造成壁厚不均。而水辅助成型具有高于气体的水压力及快速冷却的作用，可使壁厚小而均匀。用气体辅助成型和水辅助成型分别成型直径为Φ6～Φ8的玻璃纤维增强的PA管状制件，试验表明，水辅助成型的制件壁厚可比气体辅助成型的壁厚小50%以上。

（5）水介质可重复利用且易于控制与获得 水辅助成型方法中，制件中排出的水，可回流到供水系统循环使用。同时水的温度、压力、流量等易于准确控制，有利于保证成型制件的质量。水比气体辅助成型用的氮气方便易得，经济有效。

（6）增加排水工序 水辅助成型的制件冷却固化后，需排空排净制件心部的水，然后脱模。目前有两种方法:一是靠水的重力排空；二是借助外界压缩空气的压力将水排出。后者排水干净，但需增加供气装置。

此外，水的密封问题是关系到水辅助成型技术能否获得广泛应用的关键。一旦发生水的泄漏或溅射到模具上，会影响制件的成型质量。因此，应有可靠的密封或防漏措施。

6.4.3 水辅助注塑成型的应用范围

水辅助注塑成型的应用范围与气体辅助成型基本一致，但它可成型比气体辅助成型具有更大更长的内部空间或更小壁厚，以及内表面光滑的制件，既适用于小型制件的成型，也适用于大型制件的成型。

（1）复杂形状的管状制件 这类制件用水辅助成型可获得更大的截面空问和较小的壁厚，节省材料，缩短成型周期，如各种手柄、扶手、家具腿、门把手和汽车上的冷却管路等。对于超过180°弯曲的管状制件，用水辅助成型获得的制件可比气体辅助成型具有更均匀的壁厚和更光滑的内表面，如图348所示。

（2）厚壁制件 对壁厚或直径较大的制件，用水辅助成型可获得合理的结构刚度与较小的壁厚，大大减小制件的重量，节省原材料，同时降低了成型制件对注塑机能力的要求。

图348 不同弯曲度的管状制件水辅助成型与气体辅助成型壁厚的比较

（3） 壁厚不均的复杂结构制件 这类制件的厚壁部分可通过水辅助成型，避免传统注塑成型工艺中因收缩不均而引起的翘曲、扭曲及表面缩痕等缺陷，从而获得表面平整光滑的制件，提高了制件设计的灵活性和自由度。

6.5 模内装饰注塑模

6.5.1 模内装饰原理及特点

传统的塑料器件表面印上不同的图案，而这些图案往往会因长时间摩擦（尤其是接触按键）而消失，且不耐划伤，容易产生划痕。即使印在透明按键材料上，这些图案也不会透光，并且对于表面不平整的材料，只能用移印的办法印上图案，给批量生产带来了不便。随着社会的进步，人们对表面装饰的要求也在不断提高，为满足社会的需要，人们研制和开发了新的表面装饰技术——ⅠMD 技术。

ⅠMD（Ⅰn-Mold Decoration，模内装饰） ，就是将已印刷成型好的装饰片材放入注塑模内，然后将树脂注射在成型片材的背面，使树脂与片材接合成一体固化成型的技术。ⅠMD是在注塑成型的同时进行镶件加饰的技术，产品是和装饰承印材料覆合成为一体，对立体状的成型品全体可进行加饰印刷，使产品达到装饰性与功能性于一身的效果。采用该方法可同时获得镀金和印刷等效果，并可在三维曲面上同时表现6种色相，适合于大批量生产。利用可成型膜进行模内涂装是一种经济、耐用和环保的 ⅠMD方式，正取代成型后上漆、印制、热冲压和镀铬等工艺，广泛应用于家电、电子、汽车、计算机、通信等行业，通常手机显示屏、键盘装饰多采用这种工艺。ⅠMD工艺特点如下:

（1）产品稳定性。使产品产生一致性与标准化的正确套色。

（2）产品耐久性。透过特殊处理的 COATⅠNG薄膜的保护，可提供产品更优良的表面耐磨与耐化学特性。

（3） 3D复杂形状设计。应用薄膜优良的伸展性，可顺利达成所需的产品复杂性外形设计需求。

（4） 多样化风格。可依客户需求创造金属电镀或天然材质特殊式样亮银的金属图案和印刷图案结合，可以进行更为广泛的图案设计。

（5）制程简化。经由一次注塑成型的方法，将成型与装饰同时完成，可有效降低成本与工时，可提供稳定的生产。

（6） 降低成本与工时。ⅠMD制程中只需要一套模具，不像其他制程需开多套模具，可以去除一次作业程序的人力与工时，降低系统成本与库存成本。

（7）可避免下述直接印刷的问题:印刷机器、制版等设备；印刷技术的学习；油墨、有机溶剂的处理；印刷颜色调配和转印的初期工序。

表52为 ⅠMD与其他表面装饰技术的比较。

表52 ⅠMD与其他表面装饰技术的比较

6.5.2 模内装饰的工艺流程及分类

日本写真印刷株式会社 （ Nissha） 在装饰膜设计、 印刷以及模内装饰研究、设计、生产领域处于全球领先地位。Nissha将模内覆膜分为 ⅠMD Type-TR（trans- fer，油墨转移型模内装饰，见图349）、ⅠMD Type-S（simulforming，模压型模内装饰，见图 350）、 ⅠMD Type-P（preforming，预压成型模内装饰，见图351）。ⅠMD Type-TR就是常说的模内装饰（ⅠMD） ，ⅠMD Type-S、 ⅠMD Type-P 是模内贴标签（ⅠML） 。它们之间的比较见表53。

ⅠMD Type-TR的特点：广泛应用于弱电、办公自动化、化妆品、汽车等领域；注塑、装饰可以由一个工艺完成，并可以实现自动化；需要专用的模具；可以实现图案的定位注塑。

ⅠMD Type-S的特点：注塑、图案装饰在同一工序内实现（可实现自动化）；需使用专用的注塑成型模具；注塑成型后需要加工。

表53 模内装饰油墨转移型、模压型、预压成型工艺特性对比

图349 油墨转移型模内装饰薄膜结构和注塑过程

ⅠMD Type-P的特点：由于是凸成型，不易造成上部图案的拉伸；可以超过分型面装饰。

图350 模压型模内装饰薄膜结构和注塑过程

图351 预压成型模内装饰薄膜结构和注塑过程

目前ⅠMD按制造过程的不同可分为薄膜式模内转印（ⅠMF）及滚筒式模内转印（ⅠMR）两种。ⅠMF法是先将油墨印刷在一层厚度约0.18 mm的薄膜[材料为聚碳酸酯（PC）或聚对苯二甲酸乙二醇酯]上，经过成型之后，置于注塑机台上，依靠模具定位机构定位，在模内与基材一同成型。ⅠMR法是先以滚筒印刷的方式将薄膜印制成卷再以滚筒方式运送。ⅠMF与ⅠMR的优缺点列于表54。

表54 ⅠMF与ⅠMR的比较

6.5.3 模内装饰结构设计

（l） 制品 在成型厚壁部件时，必须注意膜的厚度，确保模具是为ⅠMD而设计的，否则部件有可能损失达30%的厚度。

（2） 模具 几个模具上的问题需要解决，如果使用多浇口模具，会在膜的平滑表面上出现焊缝，还会有排气问题，要在部件边缘进行排气。ⅠMD需要对充模过程和流动模式进行极为仔细的控制，注射压力变化要小，必须留意浇口位置或者降低流道长度。对于一些应用来说，使用多阀浇口可能是一种解决方案。

（3）机械手 传统横动机械手已经被用于 ⅠMD。有专业人士指出，相比气动或液动伺服混合型机械手，全伺服机械手可能是一种更佳的选择，因为伺服定位更为精确，可重复性更高，可更容易地调节动作。

ⅠMD膜需要细致小心地操作，一些厂家在机械手的臂端工具中利用聚甲醛或氟聚合物材料的抓爪，而不会损伤表面。吸杯是另一种流行的办法，缓慢旋转吸杯，拾起嵌膜，而不会损伤膜，可以使用调整器来操控真空。

（4）嵌膜 在模内放置和保持住薄膜也是 ⅠMD中的关键因素，因此让预成型嵌膜带上静电有助于预成型品在模内的精确定位。

对嵌膜尺寸进行正确计算是一个重要而又易被忽视的因素，要确保膜的尺寸略微小于最终部件的尺寸。当膜被背部成型时，它将会因引入的基层产生热膨胀而伸长。如果在背部成型之前膜的尺寸与完成品尺寸一样，膜就将在模内溢料。必须计算出首先当膜受热至模温时会如何膨胀，然后当注入基层时会如何膨胀。

6.5.4 lMD油墨

6.5.4.1 溶剂型油墨

采用溶剂型油墨网印 ⅠMD 的PC片后，需在隧道式且具有良好通风的三级干燥机中烘干。三级的最后一级干燥，建议在90℃恒温烘干3～5 h。因此，溶剂型油墨的生产周期长，且一旦油墨的干燥程度掌握不好，就会给最后的注塑成品率带来非常大的影响。因为溶剂型油墨印后干燥不彻底，在油墨中残留溶剂，此溶剂在注射模内受热的条件下无法跑掉，就会向油墨内外散发，在溶剂蒸气压力大的情况下，油墨就会向四周扩散而造成 “飞油” 现象，使图文周边模糊，严重者印刷的图文全部扩散，飞溅形成向四周散射性的 “花纹 ”。

6.5.4.2 光固化油墨在 lMD技术的应用特点

（1） 可实行自动化印刷，生产效率高。

（2） UV油墨光固化只需几秒或十几秒，固化速度非常快。

（3）可网印更精细的线条，分辨率高，且墨层较薄，印刷面积大。

（4）注塑前，UV墨印迹若不覆膜，也不会产生印迹油墨“飞油”现象。

（5） 整个操作系统容易控制，UV油墨因溶剂量较少，故不需长时间蒸发或烘干溶剂过程，因而注塑时油墨受热就不会产生“飞油”现象。

ⅠMD技术的出现，将会大大推进仪器仪表、计算机、键盘、面板、汽车表盘的网印技术的发展。在不久的将来，多种家用电器、 汽车等超大型产品的外壳也将会使用 ⅠMD技术完成，使生产完全实行自动化，提高效率。因此，ⅠMD技术是集合特殊 PC片材、注塑树脂、耐温油墨、彩色丝网印刷、冲压成型注塑模具的设计、 制造及注塑工艺的综合技术，因此技术含量较高，涉及技术范围广，因此需要有合理的结构设计，再配上先进的器材和合理的工艺，ⅠMD（ⅠMS）将会得到广泛的应用。