气体辅助注射成型（GAIM）技术是在传统注射成壑基础上发展起来的一种新技术。它克服了传统注射成型和发泡成型的局限性，能够一次成型结构复杂、尺寸精确的制品，且成本低、效率高，具有传统注射成型工艺无法比拟的优点。但是在GAIM技术中常常遇到各种缺陷，如表面缩痕、熔体注不满模具型腔或“气指”现象。“气指”现象是指气泡穿过制品气道之外的薄壁区域，形成“指状”分支。严重的缺陷会降低塑料制品的强度，造成成型的失败，或者不能发挥GAIM技术的优势。因此通过数值模拟技术，优化成型过程的工艺参数，对提高GAIM技术应用的可行性和可靠性是非常重要的。
    笔者运用数值模拟技术，研究了GAIM工艺参数对GRIM过程中塑料制品缺陷的影响。并利用Moldflow软件对制品进行GAIM模拟，确定了优工艺参数，这对于改进工艺参数，减少GAIM过程中的缺陷具有明显的实际意义。
1  GAIM过程的数学模型
    GAIM充填过程包括塑料熔体注射和气体注射两个阶段。塑料熔体注射阶段与传统注射成型完全相同。气体注射阶段则较为复杂，气体在熔体中穿透形成中空部分，如图1所示（该图为截面图）。

    在模拟GAIM熔体流动时引入如下方程，在气体和熔体的界面上须满足如下条件：

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      由上面的数学模型分析得知，GAIM过程中影响制品质量的是制品壁厚、充气压力、延迟时问、熔体温度等关键参数。运用数值模拟方法对设计方案进行有效的模拟，优化GAIM过程中的工艺参数，从而获得理想的成型工艺条件。
  2 GAIM的数值模拟
      在数值模拟过程中，选用的制品外形尺寸为608 mm x 413 mm x 81 mm，平均厚度为2. 8 mm，肋厚1.5 mm;制品材料为ABS。其几何模型如图2所示。将制品四周的4条棱边作为气道，在远离浇注系统的一端注入气体。并利用Moldflow软件对制品进行GAIM过程的数值模拟。

    3  GAIM的工艺参数模拟优化
  3.1 GAIM模拟的工艺条件
    GAIM技术中新引人了许多成型工艺参数，它们对于成型结果有不同的影响程度。基于前文中的分析，选取主要的4个工艺参数：预注射量、延迟时间、充气压力和熔体温度，并假设4个工艺参数之间没有关联，用模流分析的方法来定量地分析这些参数对于制品缺陷的影响程度，并由此确定佳的模拟工艺参数。
    选取预注射量、延迟时间、充气压力及熔体温度4个因素，其余因素均保持不变，对于上述4个因素考察4个水平，如表1所示。

    考察的指标为成型后的气体百分比，气体百分比是指在GAIM过程中气体体积在制品中所占的体积。通过气体百分比，可以了解在GAIM过程中气体体积在制品中所占的体积随时间的变化，从而可判断出气体对制品的穿透程度。气体在模具型腔中所占的体积较小时，气体的穿透半径和穿透深度都会较小，有可能造成制品的表面缩痕及熔体注不满模具型腔等问题，严重时就会造成GAIM的失败，因此在薄壁区域不被吹穿的情况下，气体百分比越大越不易形成质量缺陷。
  3．2 模拟结果及分析
      （1)预注射量
      当延迟时间为1s,充气压力为25 MPa 熔体温度为230`0时，不同预注射量下的模拟结果如表2所示。

   
      从表2可以看出，预注射量对气体百分比的影响程度较大。对于同一种制品来说，随着预注射量的增加，气体的注入量必然会减少。所以气体的穿入长度及气体的穿透率亦下降，还有可能导致末端气道无法被填充而在该表面形成凹陷、缩痕或变形等现象。因此，预注射量的确定应该视制品实际情况而定。模拟结果表明，熔体预注射量为94%时效果较好。低于此值时，熔体充填较晚的部分，气体对薄壁渗透严重，易产生“气指”现象，如图3所示；高于此值时，则气体注入量太少，而且由于过多的熔体占据气道使气体不能进入预先选定的气道，则容易在气体不能进入的部分造成缩痕。预注射量对气体百分比的影响程度极为巨大，可能会掩盖其它3个因素对气体百分比的影响程度。因此在研究了熔体预注射量与气体百分比的关系之后，不失一般性地选取熔体预注射量为99%时的条件进行研究。在此条件较差的环境下仿真其它3个因素与气体百分比之间变化和影响的关系，更能反映其它3个因素对气体百分比变化趋势的影响。

        （2）延迟时间
    延迟时间是指预注射完毕与气体开始注入间隔的时间，延时的主要目的是使浇口、薄壁等处先行冷凝固化，防止气体反灌或乱窜。这段时间虽短，但是对气体穿透程度和成型结果的影响很大。当预注射量为99% 充气压力为25MPa 熔体温度为230时，不同延迟时间卜的模拟结果如表3所示[-page-]

        从表3可以看出，短的延迟时间使气体百分比较大，有利于气体在气道中的穿透，但是也容易造成高温低粘度的情况下熔体被吹穿，气体穿人薄壁区，则产生“气指”现象，降低制品强度。理论上增加延迟时间，靠近型腔内壁表面的塑料熔体就能冷凝固化，增加固体层，从而使气道横向阻力变大，气体遵循阻力小原则沿气道纵深穿透，将获得更长的气道。但实际中，气道随延迟时间延长而增加的量是很微小的。当延迟时间为Is时，效果较好。
    （3)充气压力
    充气压力对气体的穿透程度有着一定的影响，当预注射量为99%、延迟时间为1s,熔体温度为230℃时，不同充气压力下的模拟结果如表4所示。

    由表4可以看出，当充气压力为15 MPa时，气体百分比较低，制品就会出现明显的不能被穿透问题，而采用高的充气压力（25 MPa）时，则会使熔体摩擦生热，降低熔体粘度、减薄凝固层，从而保证气体顺利穿人，增加了穿入长度和气道的中空体积，因此可以克服传统注射成型中的保压不均而影响到制品的表观质量，同时也有利于气体的二次穿透，以补偿熔体收缩引起的表观凹陷的现象。但是当充气压力过大时，有可能出现气体反灌或者“气指”现象。不同充气压力下的气体穿透模拟结果如图4所示（图中黑线为气体穿透的程度）。

    由图4可以看出，当充气压力为25 MPa时，气体在气道中的穿透效果较好。
    （4）熔体温度
    当预注射量为99%、延迟时间为1s、充气压力为25 MPa时，不同熔体温度下的模拟结果如表5所示。

    聚合物材料的粘度一般随温度的升高而降低。由表5可以看出，熔体温度越高，熔体流动越快，填充时间越短。但熔体温度太高时，由于熔体粘度太低，气体前进阻力变小，气体穿透薄壁的可能性增加，因而很容易发生“气指”。温度太低，熔体粘度增大，气体前进阻力变大，气体在气道中穿透的距离缩短，这样会造成未进气部分气道的收缩，影响制品的质量。当熔体温度为230`C时，气体在气道中的穿透效果较好。实际生产中，在物料加工温度及制品外观质量允许范围内，宜尽量采用较高的熔体温度，加快熔体流动，缩短生产周期。
4  结论
    （1)预注射量为影响GAIM制品质量的主要因素，它的变化对于气体百分比的影响较大，所以应该控制在好的水平上。
      (2）充气压力为第二主要因素。压力过大，易出现“气指”现象；压力过小，则气体不易穿透气道。
      (3)当熔体温度为230℃时，气体在气道中的穿透效果较好且没有出现“气指”现象。
      (4）延迟时间为次要因素，其变化对气体百分比的影响相差不多。
    （5）利用数值分析技术，对GAIM工艺参数进行优化，能较好地减少GAIM制品的缺陷，提高GAIM制品的质量。