* 劉成娟1，劉成剛2，李延平3
( 1．福州職業技術學院，福建 福州 350108; 2．中國石油吉林石化公司研究院，吉林 吉林 132021; 3，集美大學機械與能源工程學院，福建 廈門 361021)
摘要: 綜述了國內外幾種注塑成型新方法和趨勢。包括注塑成型計算機輔助工程 ( CAE) 、氣輔注塑成型、快速 熱循環注塑成型和微孔發泡注塑成型等技術的特點、研究現狀和應用領域，并對發展方向進行了展望。
關鍵詞: 注塑成型技術; 研究現狀; 應用進展
注塑產品在成型時，常出現氣泡、翹曲、熔接痕和浮纖等問題，這將直接影響產品的質量，使形狀和尺寸達不到設計的要求，影響零件裝配［1］。人們對注塑產品更高質量的追求，使得一些新的注塑成型方法應運而生。本文對注塑成型 CAE、氣輔注塑成型、快速熱循環注塑成型和微孔發泡注塑成型等技術進行研究，對推動注塑成型方法的研究和企業生產發展提供可靠依據，具有積極意義。
1 注塑成型 CAE 技術及特點
注塑成型 CAE 技術［2］是使用有限元、有限差分和邊界元等方法，動態仿真模具型腔內塑料熔體的填充、保壓、冷卻和翹曲變形等，預測潛在的充填不足、熔痕和翹曲等缺陷，進而優化產品、模具結構和成型工藝參數得到優質產品的一門應用科學技術。 Moldflow 軟件仿真流程，如圖 1 所示。其基本優勢如下: 1) “未 注 先 知”，針對所研究的 產 品，利 用Moldflow 軟件仿真出產品潛在的短射、熔接痕、翹曲、氣泡、水波紋和飛邊等問題。
2) “未注先優”，在數值模擬仿真的基礎上，對結果進行科學系統分析，設置合理優化方法，從產品結構，仿真模型和工藝參數等方面進行針對性的改進優化，從而獲得最佳方案。
3) “未注先省”，通過 Moldflow 軟件仿真和優化，可減少企業試修模次數，縮短研發和生產周期， 降低成本，獲得優質產品。
2 注塑成型 CAE 技術在特殊產品中的應用
特殊產品與傳統意義上產品相比，這類產品的形 狀不規則、尺寸大、結構復雜、精度要求高和注塑成型加工難度大，生產周期長，注塑成型 CAE 方法對優化這類產品質量起著積極作用。
李曉芳等［3］以形狀結構復雜、大型薄壁和精密三種塑料產品為研究對象，研究了在注塑成型過程中的技術難點。其中，形狀復雜零件常具有壁厚不均、 孔種類和大小多樣、凹槽和深腔等不規則結構。在數值模擬分析前處理過程中，對產品的三維模型進行網格劃分需要大量的技巧和時間才能達到網格匹配率要求; 大型薄壁塑料產品造成其注塑時熔體流經路線長，易出現熔體充填不足及冷卻固化時溫度不均的問題; 強度比普通壁厚的產品稍差，長徑比大，開模時易出現翹曲形變的缺陷; 精密產品尺寸誤差要求較高，注塑成型過程要求更高。利用注塑成型 CAE 技術，確定最佳澆注和冷卻系統，用此設計的每一步驟，都有相應的模擬結果，提前發現并優化充填不足、飛邊、氣穴、熔接痕、凹陷、翹曲變形等缺陷，達到 “未注先知”; 可以及時優化注塑過程，運用正 交試驗法確定最佳成型工藝參數，達 到“未 注 先 優”; 降低注塑難度，簡少大量的試模和修模過程，縮短生產周期，降低生產成本，為實際注塑生產提供有力的指導，達到 “未注先省”。
胡培成［4］以包裝塑料產品、大型塑料產品和薄壁塑料產品為研究對象，研究了其生產工藝和關注的不同重點。包裝塑料產品將知識工程與計算機輔助技術 ( AutoCAD、pro-E、SolidWorks、UG、Moldflow 和 Photo-shop) 相結合，可實現更高級和強大的包裝設 計程序。大型塑料產品模具需考慮剛度、可靠性等問題，流道系統的平衡和冷卻系統的設計要求高。薄壁塑料產品，熔體的收縮易造成翹曲變形。采用模具計算機輔助設計/計算機輔助工程/計算機輔助制造技術( CAD/CAE /CAM) ，能夠優化模具結構，控制塑料產品的收縮率，提高產品合格率。
另外，注塑成型 CAE 技術在氣輔注塑成型、快速熱循環注塑成型和微孔發泡注塑成型等技術中得到廣泛應用，并起到積極作用。
3 氣體輔助注塑成型技術
氣體輔助注塑成型技術是起源于 20 世紀 70 年代中期，80 年代中期開發成功，90 年代初實現工程化應用的新技術［5］。此工藝能極大程度地減少傳統注塑成型和結構發泡成型所出現的產品縮痕、內應力和 翹曲等問題，是往復式螺桿發明之后，注塑領域第二 次創新型的發明［6］。
氣體輔助注塑成型技術與傳統注塑成型技術對比，在流動模型理論、工藝原理、設備和產品質量等方面都存在很大區別。
張響等［7］和王利霞等［8］研究了氣輔注塑成型技 術的理論模型和數值模擬的理論，運用混合有限元/控制體積方法等，計算填充過程的壓力場，預測填充過程氣體充入、熔體前沿及外層聚合物的厚度因子和壁厚情況，并對模型進行可行性驗證。研究了不同工藝參數 ( 如熔體溫度、氣體壓力、延遲時間等) 對產品質量的影響，對生產實際具有指導意義。
氣體輔助成型工藝過程包括熔體注塑、氣體注塑、保壓、排氣和頂出產品五個階段，與傳統注塑成型相比多一個氣體注塑階段，成型系統單元需要專用的氣輔設備，( 氣體發生裝置和氣體輔助注塑成型控制系統) ; 模具依然采用恒溫，對于流道截面突變等難成型區域，采用不同的調節溫度; 通常采用單澆口，澆口與氣體入口位置分開時，澆口應使最后填充點在氣道終點附近［9］。
馬玉錄等［10］研究了氣體輔助注塑成型工藝根據氣體進口位置，分為噴嘴注塑氣體法和模具注塑氣體法; 根據產生氣體壓力的方法，分為不連續產生壓力法和連續產生壓力法，并敘述了其優點和區別。
氣體輔助注塑成型工藝的局限性主要有排氣孔問題、表面褪色和局部隆起問題。同時熔體最佳注塑量、模具和熔體溫度、氣體壓力和延遲時間等成型工藝參數成倍增加對產品質量影響會更復雜［11－13］。
鄭子軍［14］闡述了基于神經網絡的氣體輔助注塑 工藝智能加工方法，提高了工藝參數的優化效率。
氣體輔助注塑成型的 CAE 技術，可預測熔體、氣體的流動成型情況，對新產品和模具結構研發，成型參數優化起到積極作用。
廣泛應用在汽車配件、室內室外設施、衛星反射器、辦公設施、日用品以及玩具等領域，具有節省材料、提高質量和降低成本等優點。
此外，液輔注塑成型技術，局部氣體輔助注塑，振動氣體輔助注塑等新的方法不斷出現。同時，結合計算機輔助模擬和其他形式的注塑技術，對獲得高質量產品和社會效益起到積極作用［15］。
4 快速熱循環注塑成型技術
Bolstad 和 Lemelson 在 20 世紀 60 年代初，發明了一種模具快速加熱和冷卻的裝置。Giboz 等［16］和 Yao 等［17］對材料在注塑成型過程中出現的氣孔、流痕、熔痕和浮纖等質量問題，提出采用快速熱循環注塑技術，即動態模溫的方法來控制注塑成型，此方法得到廣泛關注。
通用電氣塑料日本有限公司、富士精工、三菱和韓國的三星公司于 2004 年開始，不斷研發，生產了電子、家用電器和電視機外殼等產品。從 2006 年起，國內的山東大學與海信集團聯合開發了快速熱循環注塑系統，建成了模具、產品質量等成套技術與控制裝備，并運用在多系列大尺寸液晶電視機面板的實際生產中。重慶大學、蘇州大學和南昌大學等學校，TCL和海爾等電器公司也先后對變模溫注塑技術進行了理論及應用研究。到 20 世紀 90 年代后此技術得到快速發展。
快速熱循環注塑成型與常規注塑成型過程，主要差別點是，前者不同成型工藝階段可以采用不同的模具溫度，并且能直接進行整機產品生產并裝配。減少了后續噴涂和拋光等工序，可獲得表面高光并且無熔接痕的高質量產品，可成型超薄并帶有微特征的產品，是一種節能、環保、應用前景廣闊的先進注塑成型技術。
史展林等［18］系統分析了國內外學者關于模具快速加熱、冷 卻 方 法，隨 形 管 道 加 熱、冷 卻 的 研究現狀。邊智等［19］總結了一系列模具型腔快速加熱冷卻技術，包括電阻加熱、對流加熱、輻射加熱，模內水介質電加熱和表面覆膜加熱等; 模具冷卻技術研究較少，有采用較低的冷卻液溫度，隨形或熱管冷卻等，以此獲得較高的冷卻速率，縮短時間。這些技術為模具快速加熱和冷卻提供了多種選擇; 模具結構加工技術包括，3D 技術打印任意復雜結構 “隨形”管道模具，具有隨形介質通道的車載高光藍牙模具，具有分層結構蒸汽加熱式模具，制造表面粗糙度 0. 025 μm 以下的高精度拋光 “部分冷間隙”模具新結構，與氣體輔助注塑成型工藝相結合，提出板凳形式的螺柱新結構，解決帶筋和柱結構塑料產品易出現的縮痕等缺陷。同時，很多學者利用注塑成型 CAE 技術，進行了模具充模成型技術、快速加熱和冷卻技術、產品成型質量和缺陷等研究。
此成型方法，仍存在許多問題亟待解決。比如:
1)模具溫度控制技術不成熟，模具加熱、冷卻時間對型腔最髙和最低溫度影響的研究較少
［20］，缺少模 具實際試驗方面的研究成果［21］，影響了產品大批量工業化生產; 2) 復雜的模具型腔結構，對加熱冷卻管路的優化布局、動模與靜模的精確對中、分型面的良好排氣等均提出特殊要求; 3) 工藝參數研究不系統，不同高分子材料 ( 結晶和非結晶型) 對產品質量的影響規律也不盡相同，缺乏生產實踐應用情況的研究［22］。
5 微孔發泡注塑成型技術
21 世紀的新型材料———微孔發泡塑料［23］由美國麻省理工學院的 Suh 等學者研制成功，隨后由 Mar- tinim、Suh 等學者研究出微孔發泡成型技術，并在1984 年取得美國專利［24－25］。
此塑料定義為泡孔大小在 0. 1～100 μm 之間，密 度大于 109個/cm3 的發泡聚合物; 微孔發泡聚合物比未發泡聚合物具有沖擊強度高、隔熱隔音性能高、疲勞壽命長、熱穩定性好、成本低、質量輕等優點; 在航空航天、汽車、日用品、生物醫療、電器和組織工程支架等行業領域有著良好的應用前景［26－28］。
近幾年，我國對此技術的應用研究越來越重視。圍繞著成型理論、優化工藝參數、改進設備、運用注塑成型 CAE 技術提高產品質量等進行研究。
陳建平［29］闡述了微孔發泡注塑成型技術原理， 分析了微泡成核、長大和冷卻等工藝過程，用連續性、能量和動量三個方程描述充模過程，并建立數學模型，詳細研究了求解微孔生長方程、溫度場、壓力場的方法和步驟，并用于泡孔大小和分布的預測。
王飛［30］研究了不同填充時間、注塑壓力、氣體 含量、初始泡孔半徑及泡核含量、流動前沿溫度等參數對產品質量的影響規律，并使用軟件仿真尋找最優解，創新研發出電氣控制的超臨界氣體注入系統，多頭螺紋專用螺桿。
胡瑞生等［31］和王恒等［32］學者研究了近年來國內外注塑微發泡產品表面質量的研究概況。增加氣體反壓力抑制充模時泡孔成核，利用絕緣膜提高模具溫度，共混聚合物改變性能等提高產品表面質量，并對以后發展方向進行了展望。
阮劍波等［33］總結了現階段發泡注塑成型的優缺點，提出了一種二板式注塑機新技術。其具有獨立的微開精度控制系統，可以精確控制產品壁厚，主要用于生產汽車零件，此項技術具有很好的發展潛力。
韓云等［34］利用 Moldflow 軟件對填充、流動和冷 卻等過程進行數值模擬分析。分析了注射速率、冷卻時間、剪切應力、摩擦能等對氣泡成核的影響，得到工藝參數優化方案，縮短生產周期。
李樹松等［35］研究了通過改變模具溫度對產品的泡孔結構、力學性能、減重比以及表面質量的影響，并利用軟件仿真驗證模具溫度變化時，產品減重比和泡孔尺寸的變化規律。
此外，隨著此技術的深入研究和廣泛應用，出現新形式的注塑方法。例如，Xiao 等［36］把微孔發泡注塑技術和快速熱循環成型技術結合，開發出一種電加熱和水冷卻快速熱循環成型的模具; 王小新等［37］將氣輔成型技術和快速熱循環成型技術結合，分析了減少表面縮痕問題的方法等。
6 總結及展望
隨著航空航天、汽車、電器等工業的快速發展，對塑料產品的品質要求也不斷提高。對注塑成型技術的系統且深入研究，使得結構復雜，高質量產品能夠加工出來，推動了計算機數值模擬仿真技術發展，同時，促進了新型注塑成型方法進一步研究、技術革新、融合、創新和應用。
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