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一、气体辅助注射成型概述——Jack Avery气体辅助注射成型过程首先是向模腔内进行树脂的欠料注射，然后将气体导入熔融物料当中，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，它通过置换熔融物料而掏空厚壁截面。
这些置换出来的物料充填制品的其余部分(图1-3)。
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。
气体辅助注射成型主要有以下两种基本类型：恒体积和恒压力。
体积恒定时，汽缸内已经加压的气体在注射之前就已经预先确定好注射体积，由活塞推动气体进入制品。
气体的压力取决于制品中的体积与汽缸体积之比。
气体的压力、停留时间以及活塞运动速度直接影响着制品外观。
如图1-4所示为恒体积成型中一个注射周期内的压力变化曲线。
对于每一注射周期，在注射之前都必须重新建立压力。
压气时间图1-4 恒体积系统的气体压力曲线图[源自：Innovation inPolymer Processing：Molding,Stevenson，J.F.(Ed.)]另外一种类型是恒压力成型。
我们通过空气压缩机将氮气（N2）装入储存罐中预先加压，储存罐向一毓的阀门提供恒定压力。
压力曲线可以通过调节气压和开启相应阀门来实现。
图1-5所示为成型周期内，气体压力可以保持恒定。
时间p氮气压力p p p p 3图1-5 恒压力系统的气体压力曲线图[源自：Innovation inPolymer Processing ：Molding,Stevenson ，J.F.(Ed.)]气体辅助注射成型的实现主要有两个选择，二者的区别在于气体注入位置的不同。
气体注射既可以通过喷嘴来实现，也可以直接注进模腔——从分流道进入或者直接进入制品(如图1-6、图1-7和图1-8)。
最主要的不同是由喷嘴进气的方式要求所有气道都从喷嘴外开始。
而采取气体直接注射到模具中的方式时，气体通道可以独立地设置在浇口位置。
对于这种方式，注射之前物料可以实现正常的填充。
基于Moldflow的汽车把手气辅注塑工艺多目标优化程佳玮;曹俊哲;谢传颖;李衡;陈福松;李磊;王小新【期刊名称】《工程塑料应用》【年(卷),期】2024(52)4【摘要】汽车内饰把手是典型的棒状类零件,常采用气体辅助注射成型(GAIM)技术进行生产,以满足把手强度和轻量化要求。
由于GAIM技术的成型参数多,塑件成型质量控制难度大,通过运用Moldflow模流仿真分析并结合Taguchi试验方法,以塑件的气体穿透长度和横截面最小壁厚为质量目标来优化成型工艺参数,选择熔体温度、模具温度、气体压力、气体保压时间和预注射量5个主要因素进行正交试验,采用极差分析研究上述5个工艺参数对气体穿透长度和横截面最小壁厚的影响规律,应用多目标综合平衡法得到优化的工艺参数组合,即熔体温度为250℃、模具温度为50℃、气体压力为10 MPa、气体保压时间为10 s、预注射量为75%。
通过实际GAIM验证,塑件气体穿透效果良好,满足穿透长度和横截面最小壁厚的要求,塑件质量减轻25%以上,并具有良好的表面质量和尺寸精度,能够显著缩短成型周期,节约塑料材料,提高生产质量和效率,并满足汽车轻量化要求。
【总页数】5页(P89-93)【作者】程佳玮;曹俊哲;谢传颖;李衡;陈福松;李磊;王小新【作者单位】青岛科技大学高分子科学与工程学院;山东崇锦汽车零部件有限公司【正文语种】中文【中图分类】TQ320.66【相关文献】1.基于Moldflow的汽车后上保险杠的注塑成型工艺优化设计2.基于Moldflow 与正交试验设计的汽车前格栅注塑工艺参数优化3.基于Moldflow与均匀试验设计的汽车前格栅注塑工艺参数优化4.基于Moldflow的汽车仪表板大型塑件注塑模工艺优化5.基于Moldflow与GA-BP的汽车杯托注塑成型工艺优化因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
气体辅助注塑工艺简介1.气体辅助注塑目前所指的气体辅助注塑：是指将氮气注射入产品内，使产品内部形成中空。
模具打开前，控制器会将塑胶工件内的氮气释放回大气中。
2.气辅注塑成形工艺的优势1)低射胶、低锁模力；2)压力分布均匀、收缩均匀、残余应力低、不易翘曲，尺寸稳定；3)消除凹陷，型面再现性高；4)省塑料，可用强度及价格更低的塑料；5)可用强度和价格更低的模具金属；6)厚薄件一体成型，减少模具及装配线数目；7)可用较厚的筋，角板等补强件，提高制品刚性，使得制件公称厚度得以变薄。
8)增强设计自由度。
3.气辅射胶控制工艺1)短射工艺，即胶料未完全充满型腔时，继之以氮气注射；2)满射工艺，塑胶熔体充满型腔之后，停止注射，继之以氮气注射。
短射工艺的特点：在气辅注塑中，塑胶注射取决于胶件形状及胶料性能，在以下条件才可进行短射。
1)胶件必须有独立完整的气体通道，即气流在穿透胶件时，无分支气道可走。
2)气体通道中多余胶料有足够的溢流空间。
3)胶料流动性优良，粘度不可太低，尽量避免使用含破坏高分子键的填充物的胶料。
4)胶料导热度较低，有可较长时间保持熔融状态的能力。
满射工艺特点：胶件射胶完成，通过气体代替啤机，防止胶件收缩。
其优点在于，啤机保压是以射胶量及压力来防止胶件收缩，气辅保压，则以气体穿透塑胶收缩后的空间，防止胶件表层埸陷。
4.气辅压力分析：现我们看以下气辅压力与啤机压力的对比：1)气辅压力a)低气压800psi=56.34kg/cm2b)中气压1500psi=105.63 kg/cm2c)高气压2500psi=176.06kg/cm22)啤机压力a)100 TON注塑最大压力188Mpa=1917 kg/cm2b)280 TON注塑最大压力150Mpa=1530 kg/cm2c)650TON注塑最大压力153Mpa=1560 kg/cm2从以上压力对比可知，氮气压力只相当于普通啤机注塑压力的十分之一，甚至更少。
气体辅助注射成型及其影响因素2006-6-9 16:34:10 【文章字体：大中小】打印收藏关闭1、气辅注射成型原理及其工艺过程[1]气辅注射成型最早是由“塑料发泡”派生出来的一门技术，它来源于“发泡”这一概念。
它的基本过程如图1 所示，首先把一定量的塑料熔体（一般为模腔的7 0%~ 9 6%，根据产品的具体情况确定其百分比）注射到模腔中，然后将定值压力或定量体积的惰性气体（一般为氮气，因其易于取得并且价格低廉）通过附加的气道注入模腔里，借助于气体压力的作用来推动塑料熔体运动、从而使熔体充满模具的整个型腔。
由于靠近模腔表面的塑料熔体温度低、黏度大、表面张力提高、抵抗流动的阻力增加，而处于中心部位的塑料熔体温度最高、黏度最低、抵抗流动的阻力小，因而气体易在中心部位形成空腔，使制品膨胀紧贴于模腔壁面，从而得到表面质量优良的产品。
气辅注射成型与“塑料发泡”相比，更易于控制，而且外表面不会出现由发泡造成的缺陷，适用于所有热塑性塑料（增强或未增强）、部分热固性塑料以及一般的工程塑料，但对于一些极柔软的塑料结果还不能令人满意。
气辅注射成型的周期一般可分为6 个阶段：（1 ）塑料熔体填充阶段塑料熔体首先由浇口注入模具型腔，一般熔体填充至模具型腔体积的70%~ 96% 时，停止熔体注射，该过程被称为“缺料注射”。
具体注射的塑料熔体量由经验或进行模拟充填来确定。
注入量过大，不能体现气辅注射成型充气减重、改善制品质量和节省生产成本的作用，注入量过小，填充较晚的部分熔体在注气后易被吹穿，从而造成气辅注射成型的失败。
这一阶段与传统注射成型基本相同，只是在传统注射成型时塑料熔体充满整个模具型腔而气辅注射成型时塑料熔体只填充部分模具型腔，其余部分须依靠气体来补充。
（2 ）延迟时间阶段这是指塑料熔体注射结束到气体注射开始的一段时间，这一段时间称延迟时间，其过程非常短暂。
延迟时间对气辅注射成型制品的质量有重要影响，通过延迟时间的改变可以改变制品气道处的熔体厚度分数。
气体辅助注射成型简介一、气体辅助注射成型的发展气体辅助注射成型（gas-assisted injection molding）简称GAIM，又称Air-mold法，是在传统注射成型基础上延伸而来的，目前我们所知道的气体辅助注射成型是从20世纪70年代中期发展起来的，其发展呈现为两条线：一条是起源于德国的Friederich所做的一些早期研究，他在1976年申请了专利，是第一个发明气体辅助注射成型的人；另一条则是从早期发泡成型工艺发展起来的。
直到最近十几年，气体辅助成型才得到较快的发展。
二、气体辅助成型的优点1、气体辅助注射成型零件注射压力较低，可以选择较低锁模力的设备成型较大的零件。
2、低的注射压力使残余的应力降低，从而使翘曲变形降到最低。
3、沿筋板和凸起根部的气体通道增加了刚度，而不必考虑缩痕问题。
4、低的残余应力同样提高了尺寸公差和稳定性。
5、气体辅助注射成型使结构完整性和设计自由度提高。
6、极好的表面光洁度使人们不用担心结构发泡所带来的漩纹现象。
7、成型周期不到发泡成型的一半。
三、气体辅助成型的缺点1、这项技术相对来说比较新，比其他成型技术风险更大，投产过程比较长，而且所用模具与常规工艺相比还需要进行更多的修正。
2、评估零件费用不如普通注射成型和结构发泡成型那样直接，因为要考虑分期偿还许可证、气体装置和气体的费用。
3、准确的应力计算和有限元分析是很复杂的，因为气体通道的位置和相关截面只能靠估计。
4、透明的零件会看见气泡，这不符合审美要求。
5、带孔位置的壁面是与加工相关的，不能轻易被先确定。
四、气体辅助注射成型的设备气体辅助成型需要一个控制系统控制氮气使其从气体源传送到模具。
这个系统通常是一个相对独立的单元，它位于十分接近注塑机的地方。
该系统控制装置与注塑机相连接，而它们两者却独立运行。
该独立系统可以独立运用，且可以即插即用与任何种类的注塑机中，控制系统的关键元件从注塑机上获得信号，并且能提供必要的能源、水和压缩气体。
气体辅助注射成型技术原理及应用气体辅助注射成型(Gas-Assisted Injection Molding, GAIM)技术最早可追溯到20世纪70年代，该技术在20世纪80年代末得到了完善并实现了商品化。
从20世纪90年代开始，作为一项成功的技术，气体辅助注射成型技术在美、日、欧等发达国家和地区得到了广泛应用。
目前该技术主要被应用在家电、汽车、家具、日常用品、办公用品等加工领域中。
气体辅助注射成型技术的工艺过程气体辅助注射成型技术的工艺过程是：先向模具型腔中注入塑料熔体，再向塑料熔体中注入压缩气体。
借助气体的作用，推动塑料熔体充填到模具型腔的各个部分,使塑件最后形成中空断面而保持完整外形。
在成型后的制品中，由气体形成的中空部分被称为气道。
由于具有廉价、易得且不与塑料熔体发生反应的优点，因此一般所使用的压缩气体为氮气。
气体辅助注塑成型周期可分为以下六个阶段。
（1）塑料充模阶段这一阶段与普通注塑成型基本相同，只是普通注塑成型时塑料熔体是充满整个型腔，而气体辅助注塑成型时塑料熔体只充满局部型腔，其余部分要靠气体补充。
（2）切换延迟阶段这一阶段是塑料熔体注射结束到气体注射开始时的时间，这一阶段非常短暂。
（3）气体注射阶段此阶段是从气体开始注射至整个型腔被充满的时间，这一阶段也比较短，但对制品质量的影响极为重要，如控制不好，会产生空穴、吹穿、注射不足和气体向较薄的部分渗透等缺陷。
（4）保压阶段熔体内气体压力保持不变或略有上升使气体在塑料内部继续穿透，以补偿塑料冷却引起的收缩（5）气体释放阶段使气体入口压力降到零。
（6）冷却开模阶段将制品冷却到具有一定刚度和强度后开模取出制品。
根据具体工艺过程的不同，气体辅助注射成型可分为标准成型法、副腔成型法、熔体回流法和活动型芯法四种。
1、标准成型法标准成型法是先向模具型腔中注入经准确计量的塑料熔体（如图1a所示)，再通过浇口和流道注入压缩气体。
气体在型腔中塑料熔体的包围下沿阻力最小的方向扩散前进，对塑料熔体进行穿透和排空（如图1b所示），最后推动塑料熔体充满整个模具型腔并进行保压冷却（如图1c所示)，待塑料制品冷却到具有一定刚度和强度后，开模将其顶出(如图1d所示)。
气体辅助注射成型的优化设计——多气体注入系统D.M. Gao *, K.T. Nguyen, A. Garcia-Rejon, G. SalloumIndustrial Materials Institute, National Research Council Canada, 75, De Mortagne. Boucherviile. Que.. J4B 6Y4. CanadaReceived 21 December 1995摘要：气体辅助注射成型技术在内部具有复杂空心形状的塑料零件生产中表现出了相当大的优势。
气体辅助注射成型技术的应用可以降低注射压力，减少收缩变形和缩短成型周期。
由于在气体注射阶段气体与聚合物的相互作用，使得该技术与传统的注射成型技术相比具有显著的特点，并且气体辅助注射成型工艺的控制需要在材料加工处理方面具有雄厚的技术知识基础。
在这项研究中，作者开发了一种利用多气体注射系统能够观察的气体穿透情况的数值模型。
该系统的压力和气体持续注入时间能够独立控制，这样可以获得最佳的气体穿透效果和避免薄壁处发生不必要的气体穿透。
该系统的主要优势主要体现在使用了三个独立的气体通道分析实验进行分析。
关键字：气体辅助注射成型；多气体注射系统；塑料；聚合物1．多气体辅助注射成型技术概述在过去的几年中，由于气体辅助注射成型技术在成型复杂空心塑件中所表现出的巨大优势，使其得到了迅速的发展。
由于在气体注射阶段气体与聚合物发生相互作用，大大减少了注射压力和塑件的收缩变形。
典型的气体辅助注射成型工艺主要包括以下几个步骤：（1）塑料填充阶段：向模腔内注射入预设量的塑料熔体，预先设定注射的塑料熔体体积主要是为了避免薄壁出发生不必要的气体穿透，以达到最佳的气体注射量。
（2）气体注射阶段：在塑料熔体填充的最后阶段或填充结束后的短暂延时后开始注入气体，树脂由于冷却收缩而让出一条通道，气体沿着通道进行穿透直到完全填满型腔。
（3）气体保压阶段：当填充过程完全结束后，由气体继续提供保压压力，并通过气体二次穿透从熔体内部补偿因熔体冷却凝固带来的体积收缩，从而可以减少制品变形。
在实际生产中，由于一般零件都具有复杂几何形状，通常会使用多个独立气体通道来保持整个成型过程中的压力均衡。
因此，多气体注射系统能够很好地实现气体通道的独立控制。
另外，使用多气体注射系统比单气体注射系统排出的总体积大得多。
鉴于多气体辅助注射成型技术的显著特点，其对注射过程与材料相互作用的科学技术的要求是比较高的，为此作者开发了一种利用多气体注射系统能够观察的气体穿透情况的数值模型。
为了优化气体通道尺寸的设计和操作条件，该系统的压力大小和注射时间可以进行独立的控制，可以避免薄壁处发生不必要的气体穿透。
2.数值模型简介在气体注射阶段的截面流动情况如图1所示，在该阶段可定义为三个不同的流动区域：（1）气体穿透区；（2）聚合物熔体区；（3）未填充区。
图1 气体辅助注射成型气体注射阶段的流动示意图区域1最初填充的是聚合物，气体注入后，气体穿透到聚合物内部并产生一条通道。
在气体穿透时，熔体移动的压力是由气体传递过来的。
熔体前端表面与冷空气接触而形成粘度较高的薄膜。
由于薄膜的作用，熔体受薄膜阻力的影响不能直接向前推进，使熔体转向模壁并形成凝固层[1]。
区域2和区域3与传统注射充模过程的流动相同，除了两个移动的边界存在聚合物熔体。
在这次研究中，我们最感兴趣的是聚合物熔体的流动情况，主要是为了对聚合物熔体前端和气体与熔体接触面的移动情况进行跟踪。
由于气体穿透区（图1中的区域1）的聚合物层停滞不前，熔体流动只发生在两虚线区域内。
由于气体与聚合物熔体一起注入复杂的型腔内具有动态的相互作用关系，所以气体辅助注射成型是一个非常复杂的工艺过程。
由于两个复杂的流动行为边界（熔体前端和气体与熔体接触面）必须预先考虑清楚，使得传统注射成型仿真模型无法处理这种新工艺。
因此，气体通道的设计和对操作条件的优化对最终目标的实现尤为重要。
以下几点将描述数值模型、数值模型的发展及模拟气体辅助注射成型充模阶段。
2.1 克方程式（Governing equations）在这项研究中，聚合物熔体作为广义牛顿流体来考虑，即在不考虑粘弹性因素的影响，粘度是剪切速率和温度一种函数关系。
由于熔融的聚合物的雷诺数比较小，我们可以假定流量为准稳态和符合流动规律的。
由于气体辅助注射成型所成型的塑件大部分为壳状，相对于其他零件其壁厚要小得多（超过一阶大小），其熔体滑移近似于肖流（Hele-Shaw flow），可用于模拟其在模具型腔的全局流动性为：S代表流动性，其定义为：能量方程可表示为：在方程（1）和（3）中，x和y为中性面的坐标，z为流动方向，P为压力，T 为温度，ρ为密度，Cp为比热，k为热导率，Φ代表粘性耗散。
一维的能量方程表明在流动方向的热传导可以忽略不计，由于型腔壁厚的热传导相对于其他两个方向的实在太小了，并且在流动方向的对流也可以忽略不计。
2.2 边界条件2.2.1 流动模型海伦-肖氏（Hele-Shaw）方程（1）的解是建立在聚合物熔体填充区获得的压力受下面讨论的边界条件的影响。
两种不同的流动情况必须加以考虑，即聚合物熔体填充和气体注射阶段。
2.2.1.1 聚合物熔体填充阶段主要考虑三种边界：（1）熔体流动的前端；（2）熔体的注射浇口处；（3）模具型腔壁。
在熔体流动的前端，假设压力是个常量，并且任意假设其为0。
在熔体注射的浇口处，流量或压力被指定为取决于所选择的成型条件的时间函数。
在模具型腔壁处，正常熔体的速度发生变化，应当指出由于滑移的逼近，完全无滑移条件已经不成立。
这一假设是可以被接受的，因为没有滑移效果只影响聚合物熔体的厚度差中薄薄的一层而已。
2.2.1.2 气体注射阶段在没有额外任何的聚合物熔体注入型腔时，加压气体将会沿着气体通道进行穿透。
此时，在聚合物注射浇口处专门指定的边界条件已经失效，而气体和熔体接触面处必须具备合适条件。
假设气体区是一个不存在任何聚合物的单相区。
因此，当气体与聚合物接触表面的压力被指定为常量，在填充阶段熔体流动前端和模具壁厚处的条件是相同的，气体区包括气体与聚合物接触面处的压力是均匀传递的假设是合理的。
2.2.2 热模型热计算在整个填充阶段（1区和2区）都出现了，热边界层条件为：（1）在浇口处的聚合物熔体的温度是一样的，即为塑化温度。
在熔体流动的前端，喷射流推动熔体从型芯一侧流向型腔一侧并在型腔沉积下来，并发展成为受温度场的喷射流影响[3]。
在这次研究中，我们将熔体流动前端的温度看作是模具型腔内部温度。
（2）为简便起见，我们假设气体内部温度与其周围温度是相同的。
3.数值模型的实现压力方程的求解使用了伽辽金有限元法（Galerkin finite-element method），利用一个三节点三角单位近似为压力，有关数值实现的详细信息在[4,5]。
离散能量方程使用的是有限差分近似法（finite-difference method），由温度衍生而来的时间使用后有限差分法逼近。
尽管为了确保方程解的稳定性，流动方向上长期的差距变化的计算使用了迎风技术（upwinding technique），但为了评估流动方向上长期的差距变化，我们将零件的厚度划分了好几个层[2,5]。
建立动力学模型最主要的挑战是精确跟踪熔体流动前端，在气体辅助注射成型的情况下，这显得尤为关键和复杂，因为有两种不同的移动界面存在：一个是聚合物熔体前端，另一个是气体与熔体的接触表面。
在这项研究中，一种体积控制法已应用于跟踪熔体前端的流动和气体与熔体接触表面[6,7]。
在填充阶段，为了表示三个不同的区域，聚合物表面的每一微小厚度（Fs）都与体积控制有关。
Fs是指聚合物表面微小厚度与零件总厚度的比值。
当Fs=1时，表示该处完全由聚合填满；当Fs=0时，表示该处为空；当0<Fs<1时，表示该处已经有气体穿透，并且聚合物层成为了外表面层。
对于每一个时间步长，压力计算是为了在熔体填充时获得速度分布区域，从速度分布区域可以计算出熔体前端和气体与熔体接触表面的流动率，并且可以利用质量不变原理估算出每一个地方的Fs值。
利用Fs的更新区域可以很简便地确定新填充区域和气体穿透区域。
能量方程（3）的解接近于在流动方向上的温度变化分布，有效的型腔厚度用于下一个时间步长的压力方程中，一个迭代程序将会一直被使用到充模结束后。
4.案例分析为了验证气体辅助注射成型的数值模型，我们对一个具有三个独立气道的矩形零件进行研究。
图2 熔体注射浇口和气体注射位置4.1 成型条件零件的几何形状如图2所示，在该实验中使用的一个矩形板模型，长为10cm，宽为8cm，厚为0.2cm，具有三个气道，沿等高高线的两个排气槽为1.2厚，而中央的气道厚为0.8cm。
由于三个气道是相互独立的，所以需要三个气体注射系统。
熔体注射和气体注射位置如图2所示，我们使用高密度的聚乙烯（HDPE）来成型该零件，表1给出了其相应的参数、卡罗（Carreau-WLF）材料模型及其他材料的特性。
表1 卡罗模型系数和其他材料特性至于成型条件，熔体注射的两个浇口的注射速度应该一致（10cm3s-1），主要为了使样品填充到气体注射保持平衡。
两种不同顺序的气体注射用来说明多气体注射系统：同时和连续注射气体。
对于两种情况，当熔体填充63%时就停止熔体的注射。
在情形1的三种气体是同时注射，而在情形2时，中央气道在熔体填充到63%结束后立即开始注射气体。
中央气道注射的气体推动熔体填充体积达到68%，此时两侧的气道开始持续注射气体直到完全填满型腔。
图3 在气体注射前聚合物熔体流动前端位置随时间变化情况4.2 结论与说明图3所示说明了在气体注射前聚合物熔体流动前端位置随时间变化情况，灰色区域代表不同时间被填充的位置。
一个双熔体注射浇口的设计提供一个很好的平衡填充条件。
图4 情形1 前期时注射的同时注射气体关于气体注射，第1种情形是用三种气体同时注射模拟的。
图4所示为气体注射的前期阶段，从图中可以看出中央气道的气体穿透比两侧的更慢些，这主要是因为中央气道壁厚小导致阻力变大，气体穿透时沿着阻力最小的方向进行穿透的。
图5所示为填充结束后气体穿透的最终位置，由于气体注射的流量不同，当注射到薄壁零件时，会使零件的质量受到破坏。
结合前面模拟的结果，第二实验我们使用三种气体顺序注射控制方法。
在这次的实验中，中央气道的气体比两侧的提前注射，如图6所示为气体注射的前期图4 情形1 前期时注射的同时注射气体阶段。
与两侧气道的气体穿透相比，中央的气体穿透得比较靠前些，但这种趋势在完全穿透时就消失了（如图7所示），这主要是因为两侧的气体注射速度比较大。
图7也说明了这次实验的三种气体穿透达到了平衡，没有使零件的质量受损。
