1、   注塑成型新技術(shù)       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(chǎn)和制造形狀較為復(fù)雜的制品、易于與計算機(jī)技術(shù) 結(jié)合、易于實現(xiàn)自動化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，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(shù)廣泛應(yīng)用于汽車、家電、電子設(shè)備、辦公自動化設(shè)備、建材等諸 多領(lǐng)域。近年來，這些工業(yè)領(lǐng)域迅速發(fā)展，給注塑成型技術(shù)的發(fā)展提供了強(qiáng)大的推動力，使注塑成型技術(shù)在發(fā)展速度上、水平上都得到了迅猛的發(fā)展，特別是對于注 塑成型新技術(shù)的發(fā)展更是起到了強(qiáng)大的推動作用。本文

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

3、用料，顯示傳統(tǒng)注塑成型無法比擬的優(yōu)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(jīng)過準(zhǔn)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(kuò)散前進(jìn)，對塑料熔體進(jìn)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(jìn)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(shù)發(fā)展迅速，出現(xiàn)了一些創(chuàng)新性技術(shù)，如水輔助注塑成型技術(shù)、冷卻氣體氣輔技術(shù)、氣輔共注成型技術(shù)、外部氣輔注 塑技術(shù)及振動氣輔技術(shù)等。     1.1 水輔助注塑成型技術(shù)    水輔助注塑成型技術(shù)(Water-Assi

4、sted Injection Molding Technology) 是以德國Aachen 大學(xué)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(fā)出的新的注塑成型技術(shù)。由于氣體的熱容量比較小、導(dǎo)熱性差，氣體輔助注塑時，制件相當(dāng)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(shù)的原理與氣體輔助注塑成型技術(shù)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(jìn)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(tǒng)；（3）經(jīng)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(fā)產(chǎn)生，或者通過加入水中的CO2 的蒸發(fā)產(chǎn)生。在注

5、塑直徑為30mm的PP中空制件的比較實驗中發(fā)現(xiàn)，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(shù)      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(dāng)氣體( 氮?dú)? 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(nèi)部殘余熱量會形成表面再結(jié)晶，從而導(dǎo)致制品質(zhì)量降低或者變形，嚴(yán)重的時候制品

6、內(nèi) 部會出現(xiàn)氣泡。為避免以上情況的發(fā)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(shù)便是針對以上的問題而出現(xiàn) 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(shù)的主要優(yōu)勢在于：當(dāng)冷卻氣體穿透熔體時，在模腔內(nèi) 會產(chǎn)生塞流效應(yīng)，塞流產(chǎn)生的殘余壁厚比傳統(tǒng)氣體輔助成型要小；冷卻氣體也防止了制件內(nèi)部起泡，并能產(chǎn)生較光滑的內(nèi)表面2。     1.3 氣輔共注成型技術(shù)    

7、 氣輔共注成型技術(shù)（Co-Injection and Gas-Assisted Injection Molding）是將聚合物共注成型技術(shù)與氣輔技術(shù)相結(jié)合而得到的一種新工藝。聚合物共注成型技術(shù)是同時或者先后向模腔內(nèi)注入不同的聚合物熔體，形成多層 結(jié)構(gòu)的一種成型技術(shù)，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(jié)構(gòu)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(nèi)層結(jié)構(gòu)后，當(dāng)表層和內(nèi)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(nèi)層熔體進(jìn)行穿透，隨著氣體的推進(jìn)，被氣體“排擠”的內(nèi)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(xiàn) 聚合物的氣輔共注成型，必須對原有共注成型設(shè)備進(jìn)行改造，即在共注成型設(shè)備的基礎(chǔ)上增加一套氣輔系統(tǒng)。     1.4 外部氣體輔助成型技術(shù)      外部氣體輔助注塑成型技術(shù)(External Gas Molding Technology) 是與傳統(tǒng)的內(nèi)部氣體注塑成型不同的一種氣體輔助注塑方法。傳統(tǒng)的氣體輔助成型技術(shù)是將氣體注入

9、塑料熔體內(nèi)以形成中空的部位或管道，而新型氣輔成型技術(shù)是將 氣體注入模腔表面的局部密封位置中（相當(dāng)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(shù)     一般的氣體輔助注塑成型屬于非動態(tài)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(guī)氣體輔助注塑成型時注入的“穩(wěn)態(tài)氣體”，變?yōu)榫哂幸欢ㄕ駝訌?qiáng)度的“動態(tài)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(tài)的成型工藝7。

10、     2 多組分注塑成型技術(shù)     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(yōu)越性能，可以生產(chǎn)普通單組分注塑過程無法實現(xiàn)的特殊性能制 品。這種由兩種或更多種材料組成的產(chǎn)品，與傳統(tǒng)的由一種材料成型的注塑產(chǎn)品相比具有不同的物理特性。多組分注塑成型的獨(dú)特之處在于8 ：(1)可將不同加工特性的材料復(fù)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(chǎn)品的設(shè)計、生產(chǎn)及成型周期，降低了成本；(

11、4) 省略了傳統(tǒng)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(dāng)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(shù)9 ，而根據(jù)各組分在其成型過程中結(jié)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(xiàn)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(nèi)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(bǔ)，揚(yáng)長避短，以達(dá)到單組分制品無法獲得的性能。順序注塑成型應(yīng)用最多的有以下三大類： （1）對于大體積制品，內(nèi)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(yīng)力等載荷的制品，其外層使用玻纖增強(qiáng)材料，而內(nèi)核可以 采用非增強(qiáng)材料；（3）對于厚壁制品，常使用發(fā)泡物料制成其內(nèi)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(guān)鍵在于模具部分的改進(jìn)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(diǎn)是同時把兩種熔融組分經(jīng)由不同的澆口注入模腔。“固體/ 熔融”注塑成

14、型的特點(diǎn)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(nèi)自組裝注塑成型，是在第一種組分完全固化后，通過內(nèi)部 或外部的傳遞機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)移至下一成型位置，注入下一組分，實現(xiàn)多組分注塑，如圖2 所示10,12。    圖2 模內(nèi)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(shè)備     不同的成型工藝需要由對應(yīng)的成型設(shè)備來實現(xiàn)。對應(yīng)于上述多組分注塑成型工藝的分類，相應(yīng)成

15、型設(shè)備的注射單元的主要形式有：（1）數(shù)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(shè)計或在豎直面內(nèi)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(shè)備的代表有德國 (Krauss Maffei) 克勞斯 瑪菲公司的Revolution 旋轉(zhuǎn)壓板雙組分注塑系統(tǒng)等13。     2.3 多組分注塑成型技術(shù)的發(fā)展趨勢      隨著塑料注塑制品的廣泛應(yīng)用，多組分技術(shù)在當(dāng)代注塑技術(shù)中具有巨大的機(jī)遇和希望。與單一組分的普通注塑技術(shù)相比，多組分技術(shù)在設(shè)計

16、和功能上具有明顯的優(yōu) 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(shù)的趨勢14。另外，用多組分技術(shù)制出的具有 磁性、導(dǎo)熱或?qū)щ娦缘忍畛湫凸δ軣崴苄运芰现萍渤蔀楫?dāng)前研究熱點(diǎn)。    3 粉末注塑成型技術(shù)     粉末注塑成型(Powder Injection Molding) 是將現(xiàn)代塑料注塑成型技術(shù)引入粉末冶金領(lǐng)域而形成的一門新型粉末冶金成型新技術(shù)。它是塑料成型工藝學(xué)、高分子化學(xué)、粉末冶金工藝學(xué)和金屬材料學(xué)等多學(xué)科滲 透與交叉的產(chǎn)物，利用模具注塑成型坯件，并通過燒結(jié)快速

17、制造高密度、高精度、三維復(fù)雜形狀的結(jié)構(gòu)零件，能夠快速準(zhǔn)確地將設(shè)計思想物化為具有一定結(jié)構(gòu)、一定 功能的制品，并可直接批量生產(chǎn)出零件，是制造技術(shù)行業(yè)一次新的變革。     3.1 粉末注塑成型的工藝過程及技術(shù)特點(diǎn)      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(shù)要求的金屬粉末和有機(jī)黏結(jié)劑；（2）在一定溫度下，采用適當(dāng)?shù)姆椒▽⒎勰┖宛そY(jié)劑混合成均勻的喂料；（3）用注塑成 型機(jī)將制成粒狀后的喂料注入模腔內(nèi)后冷凝成型，得到成型坯件；（4）對成型坯件進(jìn)行脫脂處理；（5）燒結(jié)成型坯件，得到

18、最終產(chǎn)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(shù)在制造具有復(fù)雜形狀、均勻組織結(jié)構(gòu)和高性能、高強(qiáng)度、高精度的產(chǎn)品方面顯示了獨(dú)特的優(yōu)勢。不僅具有常規(guī)粉末冶金工藝工序少、無切削或少切 削、經(jīng)濟(jì)效益高等優(yōu)點(diǎn)，而且克服了傳統(tǒng)粉末冶金工藝制品、材質(zhì)不均勻、機(jī)械性能低，不易成型薄壁、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)，特別適合于大批量生產(chǎn)小型、復(fù)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(jìn)行大批量生產(chǎn)有較大的成本優(yōu)勢，生產(chǎn)成本只有傳統(tǒng)工藝的20%60%。粉末注塑成型技

19、術(shù)的出現(xiàn)，給各行各 業(yè)設(shè)計和制造人員提供了嶄新的設(shè)計思路和制造技術(shù)，采用粉末注塑成型技術(shù)可以大膽采用原來由于可加工性和加工經(jīng)濟(jì)性差而不得不放棄的一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的設(shè)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(jìn)行一次復(fù)合完成加工15-16。     3.2 粉末注塑成型工藝的新發(fā)展     近幾年，粉末注塑成型技術(shù)得到快速發(fā)展。其最大特點(diǎn)是粉末注塑成型技術(shù)與其他成型技術(shù)相結(jié)合，得到了許多優(yōu)異的產(chǎn)品。微型注塑成型和雙組分注塑成型與粉末 注塑成型結(jié)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(chǎn)品

20、切實可行，開發(fā)的產(chǎn)品實例為一種微型加熱針。Arburg 公司注塑了質(zhì)量為0.0679g 的陶瓷產(chǎn)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(yīng)用于金屬粉末注塑成型過程進(jìn)行了研究。結(jié)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(shù)研究和開發(fā)的主要方向是：開發(fā)高效、低成本的預(yù)混合粉生產(chǎn)技術(shù)；研究和開發(fā)工藝性能更佳的新型黏結(jié)劑，建立起黏結(jié)劑設(shè)計原理和數(shù)據(jù) 庫20 ；開發(fā)粉末注塑成型過程模擬

21、與仿真技術(shù)，為模具設(shè)計和注塑工藝制定奠定理論基礎(chǔ)；發(fā)展低溫、快速脫脂和低溫?zé)Y(jié)技術(shù)，減小缺陷和變形。     4 微孔發(fā)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(dá)1091 015 個/cm3 ，材料密度比發(fā)泡前減少5%98% 的泡沫塑料。與不發(fā)泡塑料相比，微孔泡沫塑料具有優(yōu)良的沖擊性能、高疲勞壽命、低介電常數(shù)和熱導(dǎo)率。由于微孔發(fā)泡塑料達(dá)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(yīng)用前景。利用氣體超臨界液體狀態(tài)在整個聚合體中產(chǎn)生分布均一和尺寸統(tǒng)

22、一的微小的氣孔（根據(jù)聚合體不同的材質(zhì)及應(yīng) 用，其尺寸通常為5100m）是微孔發(fā)泡注塑成型的技術(shù)特點(diǎn)。微孔發(fā)泡注塑成型技術(shù)與傳統(tǒng)塑料發(fā)泡技術(shù)比較21，既不需要化學(xué)發(fā)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(shù)可以擴(kuò)大產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形式、提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本。按照成型過程的連續(xù)性，可將微 孔發(fā)泡注塑成型工藝分為間隙式微孔發(fā)泡塑料注塑成型和連續(xù)微孔發(fā)泡塑料注塑成型。     4.1 間隙式微孔發(fā)泡塑料注塑成型     間隙式微孔發(fā)泡塑料注塑成型是早期進(jìn)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(tài)聚合物中（在聚合物玻璃態(tài)下進(jìn)行），形成固態(tài)聚合/ 氣體飽和體系，加熱至熔融狀態(tài)。然后在高壓下注塑成型，并降低溫度和壓力至某一狀態(tài)，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(fā)泡塑料。這種利用壓力使惰性氣體滲入固態(tài)聚合物中成型微孔泡沫塑料的方法只適用于間歇式生產(chǎn)，生產(chǎn)效率比較低，不及其他連續(xù)的 微孔發(fā)泡注塑技術(shù)。     4.2 連續(xù)微孔發(fā)泡塑料注塑成型      美國Trexel 公司提供的MuC

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

25、泡塑料注塑成型24 、超臨界流體微孔發(fā)泡塑料注塑成型25 等。     5 微注塑成型技術(shù)     近年來，微系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用已從微電子元件、微型光學(xué)儀器、微型醫(yī)療儀器、微型傳感器擴(kuò)展到磁盤讀寫裝置、噴墨打印等。為了能夠生產(chǎn)具有實用價值的微細(xì)組 件，許多新興制造技術(shù)隨之產(chǎn)生，包括光刻，電鑄及脫模技術(shù)(LIGA)、紫外光蝕刻技術(shù)(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(shù)以容易實現(xiàn)低成本大規(guī)模生產(chǎn)具有精密微細(xì)結(jié)構(gòu)零件的優(yōu)點(diǎn)，成為世界制造技術(shù)的研究熱點(diǎn)之一28-29。&

26、#160;    5.1 微注塑成型技術(shù)的工藝特點(diǎn)       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(yōu)點(diǎn)：（1）原料利用率提高。微注塑系統(tǒng)可以顯著縮小流道的尺寸，從而提高原料的利用率；經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計的流道，其物 料利用率可達(dá)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(nèi)，質(zhì)量誤差不超過0.00008g；（3）生產(chǎn)周期縮短。澆口、流道尺寸縮小及變溫控制系統(tǒng)加快了制品的充模、冷卻速度，縮短了成型周期。一般采用