氣體輔助注射成型（GAIM）技術是在傳統注射成壑基礎上發展起來的一種新技術。它克服了傳統注射成型和發泡成型的局限性，能夠一次成型結構復雜、尺寸精確的制品，且成本低、效率高，具有傳統注射成型工藝無法比擬的優點。但是在GAIM技術中常常遇到各種缺陷，如表面縮痕、熔體注不滿模具型腔或“氣指”現象?！皻庵浮爆F象是指氣泡穿過制品氣道之外的薄壁區域，形成“指狀”分支。嚴重的缺陷會降低塑料制品的強度，造成成型的失敗，或者不能發揮GAIM技術的優勢。因此通過數值模擬技術，優化成型過程的工藝參數，對提高GAIM技術應用的可行性和可靠性是非常重要的。
    筆者運用數值模擬技術，研究了GAIM工藝參數對GRIM過程中塑料制品缺陷的影響。并利用Moldflow軟件對制品進行GAIM模擬，確定了優工藝參數，這對于改進工藝參數，減少GAIM過程中的缺陷具有明顯的實際意義。
1  GAIM過程的數學模型
    GAIM充填過程包括塑料熔體注射和氣體注射兩個階段。塑料熔體注射階段與傳統注射成型完全相同。氣體注射階段則較為復雜，氣體在熔體中穿透形成中空部分，如圖1所示（該圖為截面圖）。

    在模擬GAIM熔體流動時引入如下方程，在氣體和熔體的界面上須滿足如下條件：

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      由上面的數學模型分析得知，GAIM過程中影響制品質量的是制品壁厚、充氣壓力、延遲時問、熔體溫度等關鍵參數。運用數值模擬方法對設計方案進行有效的模擬，優化GAIM過程中的工藝參數，從而獲得理想的成型工藝條件。
  2 GAIM的數值模擬
      在數值模擬過程中，選用的制品外形尺寸為608 mm x 413 mm x 81 mm，平均厚度為2. 8 mm，肋厚1.5 mm;制品材料為ABS。其幾何模型如圖2所示。將制品四周的4條棱邊作為氣道，在遠離澆注系統的一端注入氣體。并利用Moldflow軟件對制品進行GAIM過程的數值模擬。

    3  GAIM的工藝參數模擬優化
  3.1 GAIM模擬的工藝條件
    GAIM技術中新引人了許多成型工藝參數，它們對于成型結果有不同的影響程度?；谇拔闹械姆治?，選取主要的4個工藝參數：預注射量、延遲時間、充氣壓力和熔體溫度，并假設4個工藝參數之間沒有關聯，用模流分析的方法來定量地分析這些參數對于制品缺陷的影響程度，并由此確定佳的模擬工藝參數。
    選取預注射量、延遲時間、充氣壓力及熔體溫度4個因素，其余因素均保持不變，對于上述4個因素考察4個水平，如表1所示。

    考察的指標為成型后的氣體百分比，氣體百分比是指在GAIM過程中氣體體積在制品中所占的體積。通過氣體百分比，可以了解在GAIM過程中氣體體積在制品中所占的體積隨時間的變化，從而可判斷出氣體對制品的穿透程度。氣體在模具型腔中所占的體積較小時，氣體的穿透半徑和穿透深度都會較小，有可能造成制品的表面縮痕及熔體注不滿模具型腔等問題，嚴重時就會造成GAIM的失敗，因此在薄壁區域不被吹穿的情況下，氣體百分比越大越不易形成質量缺陷。
  3．2 模擬結果及分析
      （1)預注射量
      當延遲時間為1s,充氣壓力為25 MPa 熔體溫度為230`0時，不同預注射量下的模擬結果如表2所示。

   
      從表2可以看出，預注射量對氣體百分比的影響程度較大。對于同一種制品來說，隨著預注射量的增加，氣體的注入量必然會減少。所以氣體的穿入長度及氣體的穿透率亦下降，還有可能導致末端氣道無法被填充而在該表面形成凹陷、縮痕或變形等現象。因此，預注射量的確定應該視制品實際情況而定。模擬結果表明，熔體預注射量為94%時效果較好。低于此值時，熔體充填較晚的部分，氣體對薄壁滲透嚴重，易產生“氣指”現象，如圖3所示；高于此值時，則氣體注入量太少，而且由于過多的熔體占據氣道使氣體不能進入預先選定的氣道，則容易在氣體不能進入的部分造成縮痕。預注射量對氣體百分比的影響程度極為巨大，可能會掩蓋其它3個因素對氣體百分比的影響程度。因此在研究了熔體預注射量與氣體百分比的關系之后，不失一般性地選取熔體預注射量為99%時的條件進行研究。在此條件較差的環境下仿真其它3個因素與氣體百分比之間變化和影響的關系，更能反映其它3個因素對氣體百分比變化趨勢的影響。

        （2）延遲時間
    延遲時間是指預注射完畢與氣體開始注入間隔的時間，延時的主要目的是使澆口、薄壁等處先行冷凝固化，防止氣體反灌或亂竄。這段時間雖短，但是對氣體穿透程度和成型結果的影響很大。當預注射量為99% 充氣壓力為25MPa 熔體溫度為230時，不同延遲時間卜的模擬結果如表3所示[-page-]

        從表3可以看出，短的延遲時間使氣體百分比較大，有利于氣體在氣道中的穿透，但是也容易造成高溫低粘度的情況下熔體被吹穿，氣體穿人薄壁區，則產生“氣指”現象，降低制品強度。理論上增加延遲時間，靠近型腔內壁表面的塑料熔體就能冷凝固化，增加固體層，從而使氣道橫向阻力變大，氣體遵循阻力小原則沿氣道縱深穿透，將獲得更長的氣道。但實際中，氣道隨延遲時間延長而增加的量是很微小的。當延遲時間為Is時，效果較好。
    （3)充氣壓力
    充氣壓力對氣體的穿透程度有著一定的影響，當預注射量為99%、延遲時間為1s,熔體溫度為230℃時，不同充氣壓力下的模擬結果如表4所示。

    由表4可以看出，當充氣壓力為15 MPa時，氣體百分比較低，制品就會出現明顯的不能被穿透問題，而采用高的充氣壓力（25 MPa）時，則會使熔體摩擦生熱，降低熔體粘度、減薄凝固層，從而保證氣體順利穿人，增加了穿入長度和氣道的中空體積，因此可以克服傳統注射成型中的保壓不均而影響到制品的表觀質量，同時也有利于氣體的二次穿透，以補償熔體收縮引起的表觀凹陷的現象。但是當充氣壓力過大時，有可能出現氣體反灌或者“氣指”現象。不同充氣壓力下的氣體穿透模擬結果如圖4所示（圖中黑線為氣體穿透的程度）。

    由圖4可以看出，當充氣壓力為25 MPa時，氣體在氣道中的穿透效果較好。
    （4）熔體溫度
    當預注射量為99%、延遲時間為1s、充氣壓力為25 MPa時，不同熔體溫度下的模擬結果如表5所示。

    聚合物材料的粘度一般隨溫度的升高而降低。由表5可以看出，熔體溫度越高，熔體流動越快，填充時間越短。但熔體溫度太高時，由于熔體粘度太低，氣體前進阻力變小，氣體穿透薄壁的可能性增加，因而很容易發生“氣指”。溫度太低，熔體粘度增大，氣體前進阻力變大，氣體在氣道中穿透的距離縮短，這樣會造成未進氣部分氣道的收縮，影響制品的質量。當熔體溫度為230`C時，氣體在氣道中的穿透效果較好。實際生產中，在物料加工溫度及制品外觀質量允許范圍內，宜盡量采用較高的熔體溫度，加快熔體流動，縮短生產周期。
4  結論
    （1)預注射量為影響GAIM制品質量的主要因素，它的變化對于氣體百分比的影響較大，所以應該控制在好的水平上。
      (2）充氣壓力為第二主要因素。壓力過大，易出現“氣指”現象；壓力過小，則氣體不易穿透氣道。
      (3)當熔體溫度為230℃時，氣體在氣道中的穿透效果較好且沒有出現“氣指”現象。
      (4）延遲時間為次要因素，其變化對氣體百分比的影響相差不多。
    （5）利用數值分析技術，對GAIM工藝參數進行優化，能較好地減少GAIM制品的缺陷，提高GAIM制品的質量。