气体辅助注射成型快速冷却新专业技术

1、气体辅助注射成型的快速冷却新技术a,?b cSeong-Yeol Han , Jin-Kwan Kwag , Cheol-Ju Kimb, Tae-Won Park ,Yeong-Deug Jeongda Graduate School of Precision Mechanical Engineering, PukyongNationalUniversity, Busan, South Koreab NARA M&D Co., Ltd, 50-1, Changwon, Gyeong Nam, South Koreac Department of Computer Aided Die

2、and Mold, Changwon Polytechnic College, Changwon, Gyeong Nam, South Koread School of Mechanical Engineering, Pukyong National University, Busan, South Korea摘 要： 气体辅助注射成型技术（ GAIM ）是传统注射成型技术的发展和演变， 是一种用以成型中空塑件产品的工艺。 气体辅助注射成型技术相对于传统的注射 工艺有许多优势，如可以减少原料，减少凹痕和翘曲的产生，降低注射压力等。 因此，气体辅助注射成型技术已被广泛用于工业生产成型中空塑件 （

3、如把手、 电 视显示器框架等）的模具。当然，气体辅助注射成型技术存在一些不足之处，如 冷却时间长和易产生流动痕， 冷却时间长主要是由于模具成型过程中向型腔注入 气体导致散热困难，有时甚至会产生后翘曲现象。为了解决这些问题，我们开发了一种新型的气体辅助注射成型技术逆向 气体辅助注射成型技术（ RGIM ）。逆向气体辅助注射成型技术主要有两个特殊 的单元，一个是过溢料冲区单元， 溢料缓冲区主要是用以减少原料。 另一个是空 气单元，空气单元主要用以模具的快速冷却。通过许多基于数值计算的实验和 CAE 分析得出了逆向冷却注射成型技术的冷却效率大约比气体辅助注射成型技 术的冷却效率提高 50%。关键字：

4、 气体辅助注射成型；逆向气体辅助注射成型；空气单元；溢料缓冲区 中气体辅助注射技术的合理应用能生产出具有表面质量好、 翘曲变形量小、 质量 轻等优点的塑件。气体辅助注射成型可分为短射( short shot )和满射( full shot )两种形 式。短射主要可分为三个简单的过程， 短射时先向型腔注入部分树脂 (一般只充 入型腔体积 750%98%)，一个短暂的延时后在树脂中心注入压缩气体，靠压缩气 体的压力推动树脂充满整个型腔。下一步利用气体的压力保压，直到树脂固化， 然后排出气体，获得一空心的塑件 逆向气体辅助注射成型技术( RGIM ) 在传统的气体辅助注射成型中，塑件上的畸形缺陷必须

5、去除，注射模的塑 料越减越少。为了达到快速冷却， 中空塑件的内部相当于热型芯的气体也必须尽 快排出。为了满足这些要求， 我们研究出一种新的气体辅助注射成型技术逆 向气体辅助注射成型技术，该技术已经在韩国申请了专利，专利号为0286015。 逆向气体辅助注射成型包括两个特殊的单元， 一个是空气单元， 另一个是溢料缓 。短射适用于厚壁的充模阻力不大的塑件， 特别是手把之类的棒状制件， 可节省大量的原材料。 然而， 当气体注入太晚或最 初气体压力太低时容易产生明显的表面缺陷和变形 冲区单元。 空气单元主要用以气体的注入和排出中空形状中的气体， 溢料缓冲区 单元主要用以减少原料。图 1 所示为逆向气体

6、辅助注射成型系统的基本原理。 。另一种就是满射，满射是 指在树脂完全充满型腔后才开始注入气体。 在一段预设的延时期后， 第一阶段的 气体开始注入。当树脂开始冷却时， 厚壁处的树脂由于冷却收缩而让出一条流动 通道，第二阶段的气体开始注入， 气体沿着通道进行二次穿透， 可以弥补塑料冷 却时的收缩。 在树脂内部的气压式一致的， 在开模之前， 模具内的气体将会被抽 空或回收，树脂在喷嘴停止注射并且浇口处的树脂凝固后由于气体的保压作用开 始回填。满射主要应用于薄壁的充模阻力较大的塑件。 当树脂内部还是熔融态时， 气体开始沿着厚壁阻力最小的地方填充， 而这些被推动的熔融树脂必定会从型腔 流动到其他地方，这

7、个地方称之为完全浪费塑料的溢料缓冲区 5 。以上两种气体辅助注射成型的形式仍然存在一些缺点， 比如当模具内部填充 满高压气体时， 气体与树脂的接触表面容易变得粗糙， 还有喷嘴设计的局限性和 模具冷却时间长。在这些缺点中，冷却时间长是影响塑件制造周期的最重要因素。 一个空心塑件内部温度的上升主要由于气体的注入引起的， 气体的注入导致塑件 散热缓慢，这些塑件空心处的热气体相当于热的型芯而导致模具冷却缓慢。 因此， 气体辅助注射成型的生产周期将被延长。ry liTirlrwr CS-afii 11) litAii' luiitvt i-Tlo vnt»nlTr r图1逆向气体辅助注

8、射成型系统的基本原理逆向气体辅助注射成型可分为四个阶段（如图2所示）。第一阶段为填充阶段，塑料熔体从热流道注入模具型腔， 一般填充型腔体积的98%100%左右，类似 于短射。第二阶段为在一段合适的延时期后注入气体掏空熔体。在这阶段，经过加压的气体注如模具型腔内，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，它通过置换熔体而掏空厚壁截面。 第三阶段为保压 阶段，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。最后一个阶段是吹气阶段，在保压阶段的几秒后，利用空气单元 鼓入空气，鼓入的空气一方面可以冷却模具，另方面是排出空心部分的热气，我 们在

9、空气单元中应用了一个能自动收集气体的分馏器。Air blcmng厂BuirgirtnKonAir blowing noEFlr closed("uilvrBufTc-rincisnI st step : Filling2nd step : Hollowing oulAir blowingMtvfBufTrrinE 费屮 lemcluHeci3rd sUp : HvldingMr blnw|n|f nuzzle opcjn鳴曽恥加r叫钟5応Alh stip : Air blowing and cooling图2逆向气体辅助注射成型工艺的四个阶段逆向气体辅助注射成型技术与传统的气体辅助注

10、射成型技术主要有两个不 同之处。第一，逆向气体辅助注射成型技术不是直接通过挤压被气体置换出的多 余熔体而填满型腔的，而是利用气体使其重新进入溢料缓冲区排空熔体，因此， 此种方法比较节省原料。第二，逆向气体辅助注射成型技术拥有一个空气单元， 利用空气单元能将中空部分的热气及时排出从而达到快速冷却的效果。3.逆向气体辅助注射成型工艺的注射成型实验该实验设备主要有带有逆向气体辅助注射功能的模具、气体压缩装置和一个 空气单元。该实验的模具为一模一腔模具，主要是用以成型微波炉把手。模具温 度为50C，气体压缩装置是有GAIN科技公司制造的，用以模具快速冷却的空 气单元如图3所示，空气的温度为15C,我们

11、使用的注射机为LG(LGH140)(如 图4所示)。3.1逆向气体辅助注射成型工艺的实验设计(DOE本实验主要是对利用逆向气体辅助注射成型技术成型两种不同高聚物塑件的 冷却效率的验证，这两种高聚物分别是通用聚苯乙烯 (GPPSLGChemical 25SPI) 和聚丙烯(PP, LG Chemical M580)。为了提高实验的效率和可靠性，我们计划 运用田口方法(Taguchi Method )进行实验。我们将利用统计软件MINITAeT对实验结果进行方差分析(ANOVA 10。我们选择了三个对模具注射质量影响最 大的因素，这些也是实验设计必须考虑的因素。 表1所示说明了试验中这三个因 素的

12、影响水平。图3气体压缩装置和空气单元图4注射机表2所示为实验的设计安排，在每一组成型条件下实验样品会被成型5次,在去除第一次和最后一次成型的样品后，其他3次的样品数据的平均值将记录表 格中。表1实验因素影响水平*Melt tetnperahireCC)Dehy tune for air blowms (s)Duration tune for an blowing ($)Levd 12102150Ll 2220SI602304170Process conditionMekteuipeiaaue(C)Dehv tune for atr blowing ($)Durrtioti time for a

13、k blowing (?)12102150221031603210417042202160512031706220415072302170S2303150923041603.2 GPPS的实验分析实验首先使用的是通用聚苯乙烯（GPPS）,我们测出了其所成型塑件的温度、 长度（如图5所示）和重量，表3所示为各测量值。PiocesscondirionGas injection图5逆向气体辅助注射成型技术所成型的产品表3每一组成型条件下的温度、长度和重量的测量值MolduieLength 1 Length 2 Weight (g)teinpeiamre (mm) (Q imn)7 £105

14、.0213.7250.71063107.7213.7251,010(54107.32117249.3106597.4213.3251.01066113.1209.7248.0105794.02133251.01068120.0208.7246,01061118.02133250.01069111.0210.75 / 10 141.3106上述成型过程是在GPPS熔体温度为220C和没有鼓入气体的条件下进行 的。在成型过程中，当模具冷却 30s后，塑件温度为175C。在这些实验中，第 七组成型条件具有最低塑件的温度， 而第八组中具有最高的塑件温度。第七组与 第八组的塑件温度相差 26C。通过与第

15、七组测得的塑件温度比较得出冷却效率 提高了将近50%。在塑件长度方面，第三组的长度最长，第八组的长度最短。尽 管成型条件不断变化，但塑件的重量几乎恒定不变。S/N的比值“越小越好”的特点是基于表 3塑件温度的测量值得出的。图6 说明在这三个影响因素中，持续鼓入气体是影响冷却效率的最大因素。 通过方差 计算分析得出最优值条件为熔体温度为 220C，注入气体的延时时间为21s和持 续鼓入气体的时间为70s。-40.0皿3 -40.9 -Drlay ilraf |<vr iiirin itiluj-Mtlull flurir for air bltwiiiLi；-41.2 -图6 GPPS塑件

16、温度的S/N比率图3.3PP的实验分析在PP的实验中，成型塑件的温度、长度（如图 5所示）、高度和光泽度的 测量值如表4所示。表4每一组成型条件下的温度、长度、高度和重量的测量值ProcessMoldingLength IHeightGlossconditionreinperauireCO(nun)(turn)(GU)1126.6210.147.213S692122.6210347.2436.663117.0210.S47.0338.024126.0209 6473933.835120 0210.547.1033.636131 6209,947.5131 857123.0210347.1S31

17、658129.6210247.5334.509128.0210.6473927.70通过比较第三组在没有鼓入气体的成型条件下测得温度值可以得出冷却效 率提高了将近45%，而塑件的长度、高度和光泽度变化很小。基于表4计算得到的S/N比率，图7说明持续鼓入气体是影响塑件温度的主 要因素。通过方差计算分析得出最优值条件为熔体温度为210C，注入气体的延时时间为31s和持续鼓入气体的时间为70s。r«r * bio winsDunili.il tim#I or4逆向气体辅助注射成型冷却时间的数值计算对于冷却时间的计 第二种是模具冷我们使用一个冷却数值方程来计算鼓入气体的冷却效应。 算我们需要

18、假设两种情况，第一种是模具冷却时没有鼓入气体， 却时鼓入气体。由于PC塑化温度高，能很明显地观察到冷却效率，因此我们使 用PC作为计算对象PC 的密度（p ）为 1.17g/cm3，扩散率（R）为 0.0004547cal/s cnC,比热（Cp）为 0.2319cal/gC，塑化温度（Tm ）为 300C，模具温度（Tw）为 60C， 注射温度（Te）为70C以下的傅里叶方程是用来计算冷却时间11:Q . / 8 7m - Tw Jr2 7f 7w Jy 111上述方程中tc为冷却时间（°C）,为壁厚（mm）, a为热扩散系数（mm2/s）,在没有鼓入气体的情况下由方程（1）计算得

19、冷却时间为733&表5热交换计算方程12EquationsInput heatQ = WCr AT6.981 kcalOutput heatQ (Al -Qi =禹凶(氐Za)Iw)0 047 kcals0.0638 kcal ;sQ：成型总输入热量（kcal）; W:样品重量（g）; Cp：样品比热（kcal/g C）； T：塑件的塑化温度与注射温度之差（C）； Q1 :每秒热交换值（kcal/s）;2ha：鼓入气体的热交换系数（kcal/mm hC） 1.72E+8; A1 ：空心形状区域的表面积（mm2 ） 4.741E+5; Tm :塑化温度（C） ; Ta：空气温度（C） ；

20、 Q2 :鼓入气体每2秒带走的热量（kcal/s）; hR :模具的热交换系数（kcal/mm h C） 5.0E+7 ； A2 :塑件2与模具接触表面积（mm ） 1.41E+6; Tw :模具温度（C）对于第二情况，成型总输入热量为Q,塑件与模具每秒的热交换值为Q1,鼓入气体每秒带走的热量为Q2,图8所示为样品的数值计算模型。图8样品的数值计算模型假设鼓入气体带走的热量（Q1）和热交换值（Q2）之和等于总输入热 量值，那么计算得出冷却时间126so这次有鼓入气体的冷却时间比第一种情 况快了 5倍多（如表5所示）。5.基于有限元软件MARC的温度分布仿真模拟为了验证上述提到的两种情形逆向气体

21、辅助注射成型的效率，我们使用 有限元软件MARC对热交换进行仿真模拟分析。第一种情形是模具冷却时没 有鼓入气体，第二种是模具冷却时鼓入气体。塑件的材料为PC,我们将在材料的机械性能和其他所有条件都与数值计算相同的情况下的数据输入 MARC。当在塑件的中空部分未鼓入气体时，中空部分的氮气和空气的温度 都接近塑件的塑化温度，因此我们假设中空部分的温度为200C。.t III3x nr -iin ? t+ soar2*=»十*之ij w- i gi3口 ZI7*31317 .U 二J'Q 1MoldldHU 1r耳丫 *图9在没有鼓入气体时 30s的温度分布图9所示为在没有鼓入气体

22、时30s时模具型腔壁与塑件的边界温度分布情 况，此时在中空部分没有发生热交换。图10所示为在鼓入气体时20s时中空部分的温度分布情况。此时，在中空部分由于气体的鼓入发生了热交换，并且中空部分温度降低了 70C，这对于注射模来说是比较理想结果。MoldHollow section£-Bfc =>ei UU2丁 刃? K j 2 2卢 117 iiq/135 DZ1 hi1 till ?1 30e-+ D O 2i . ie z-i-Dtja9 3C7oi ODI7 3 a UJ1T-*» j网1r期中订i戸图10在鼓入气体时20s的温度分布6.结论逆向气体辅助注射成型技

23、术的应用可以解决传统气体辅助注射成型中的冷 却时间长等问题，并且可以提高塑件的表面质量。为了验证逆向气体辅助注射成 型技术的可靠性，我们设计了一个用于成型微波炉把手的模具成型实验，实验结果表明逆向气体辅助注射成型的冷却时间相对于传统的气体辅助注射成型的冷 却时间减少了 50%，同时，数值计算的结果和 CAE热交换模拟分析验证了逆向 气体辅助注射成型技术的可靠性。鸣谢：感谢本文有 Brain Korea 21工程大学和奈良模具有限公司(NARA M&D Co.Ltd )的支持。参考文献：1 G. P? tsch, W. Michaeli, Injection Molding: An In

24、troduction, 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 ass

25、isted injection moldi ng, i n: Proceedi ngs of the ANTEC 2001, Dallas, TX, 2001, pp. 75458.4 E. Moritzer, H. Potente, Theoretical and practical results for the gas injection molding processvariant: melt displacement into an overflow cavity, in: Proceedings of the ANTEC'96,Indianapolis,1996, pp.

26、674 -678.5 J. Avery, Gas-Assist Injection Molding: Principles and Applications,Hanser Gardner Publication Inc., Cincinnati, 2001.6 R.J. Crawford, Plastics Engineering, third ed., Butterworth-Heinemann, England, 1998.7 C-MOLD, C-MOLD Design Guide: A Resource for Plastics Engineers,third ed., Ithaca, New York, USA, 1999.8 J.F. Stevenson, Innovation in Polymer Processing Molding, Hanser Gardner Publication Inc., Cincinnati, 1996.9 G.S. Peace, Taguchi Methods, Addison-Wesley, New York, 1993.10