在《國(guó)際塑料商情》3月刊中，我們已經(jīng)為讀者介紹了智能氣體輔助注塑技術(shù)(AI-GAIM)在碳纖維復(fù)合材料、熱固性塑料的注塑成型領(lǐng)域展現(xiàn)的巨大潛力。本文則將繼續(xù)為讀者介紹AI-GACFIM氣體輔助彈性體注塑技術(shù)的研究，以及AI-GAIM與微發(fā)泡注塑融合集成技術(shù)。

3、AI-GACFIM氣體輔助彈性體注塑技術(shù)的研究

AI-GACFIM 氣體輔助彈性體注塑技術(shù)在提升產(chǎn)品質(zhì)量方面有著顯著優(yōu)勢(shì)。

氣體輔助注塑發(fā)展過(guò)程中，相關(guān)的技術(shù)研發(fā)也一直在持續(xù)推進(jìn)，例如圍繞氣輔產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和模具設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)出了包括澆注系統(tǒng)、進(jìn)氣方式和氣道分布設(shè)計(jì)技術(shù)，氣輔注塑工藝設(shè)計(jì)技術(shù)，氣輔注塑過(guò)程計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，氣輔注塑產(chǎn)品缺陷診斷與排除技術(shù)，氣輔工藝專用料技術(shù)等諸多配套技術(shù)，進(jìn)一步完善和拓展了 AI-GACFIM 氣體輔助彈性體注塑技術(shù)的應(yīng)用能力和范圍，使其在如今的塑料注塑領(lǐng)域中占據(jù)著越來(lái)越重要的地位。

3.1 AI-GACFIM 氣體輔助彈性體注塑技術(shù)的發(fā)展
AI-GACFIM 氣體輔助彈性體注塑技術(shù)在工藝方面有著諸多區(qū)別于傳統(tǒng)注塑技術(shù)的創(chuàng)新之處。其工藝過(guò)程主要涵蓋塑料熔體注射、氣體注射以及氣體保壓這三個(gè)階段，并且依據(jù)注射量的不同，分為短射和滿射兩種方式。

在短射方式下，工作原理是氣體率先發(fā)揮推動(dòng)作用，推動(dòng)塑料熔體去充填整個(gè)模具型腔，待型腔被熔體充滿后，氣體再起到保壓作用。例如在生產(chǎn)一些結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜、內(nèi)部有中空需求的注塑件時(shí)，短射方式就能很好地滿足要求。通過(guò)氣體的推動(dòng)，熔體可以順利抵達(dá)模具型腔的各個(gè)角落，而后保壓又能保證制品的成型質(zhì)量，有效避免縮痕等問(wèn)題出現(xiàn)，使得最終成型的注塑件外觀更加光滑、美觀，尺寸精度也更高。

而滿射方式中，氣體并不具備推動(dòng)熔體的功能，僅僅是起到保壓作用。這種方式適用于那些熔體本身能夠基本充滿型腔，但需要?dú)怏w保壓來(lái)進(jìn)一步提升制品質(zhì)量的情況。比如一些薄壁類注塑件，熔體在注射過(guò)程中可以依靠自身的流動(dòng)性先大致充滿型腔，后續(xù)通過(guò)氣體保壓來(lái)維持形狀，減少因冷卻收縮等帶來(lái)的尺寸偏差以及翹曲變形等問(wèn)題。

與傳統(tǒng)注塑技術(shù)相比，這兩種方式的優(yōu)勢(shì)明顯。首先，它們能夠解決模具表面容易出現(xiàn)的縮痕問(wèn)題，大大提高模具產(chǎn)品的外觀質(zhì)量，讓制品表面更加平整、光潔，滿足對(duì)外觀要求較高的產(chǎn)品需求。其次，利用該技術(shù)生產(chǎn)出來(lái)的模具產(chǎn)品擁有尺寸穩(wěn)定、內(nèi)應(yīng)力小、翹曲變形少的特點(diǎn)，這意味著產(chǎn)品在后續(xù)的使用過(guò)程中性能更加可靠，不易因內(nèi)應(yīng)力釋放等原因出現(xiàn)損壞或變形。再者，氣體輔助注塑技術(shù)能夠節(jié)約原材料，最大可達(dá) 40% ~ 50%，降低了生產(chǎn)成本，同時(shí)簡(jiǎn)化模具產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)步驟，在一定程度上降低模具的加工難度，還能降低模具型腔的壓力，從而延長(zhǎng)模具產(chǎn)品的使用壽命，并且加快冷卻速度，縮短產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，提高生產(chǎn)效率。

3.2 AI-GACFIM 氣體輔助彈性體注塑技術(shù)應(yīng)用拓展
AI-GACFIM成型厚薄差異大的形狀汽車零部件中，像保險(xiǎn)杠這類既有薄壁的外觀面，又有厚壁的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)部分的注塑件，采用 AI-GACFIM 氣體輔助彈性體注塑技術(shù)，就可以通過(guò)合理設(shè)計(jì)氣道的位置、走向以及氣體的注入壓力等參數(shù)，讓塑料熔體在氣體的輔助下完美地填充整個(gè)模具型腔，一次性生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品，既保證了薄壁部分的外觀質(zhì)量，又確保了厚壁部分的強(qiáng)度等性能要求。再如家電產(chǎn)品里的一些大型外殼，結(jié)構(gòu)復(fù)雜且不同部位壁厚不一，利用這項(xiàng)技術(shù)同樣可以一次性完成注塑成型，提高生產(chǎn)效率的同時(shí)，也提升了產(chǎn)品的整體質(zhì)量和穩(wěn)定性，為產(chǎn)品的多樣化設(shè)計(jì)和高質(zhì)量生產(chǎn)提供了有力的技術(shù)支撐。

AI-GACFIM彈性體注塑技術(shù)通過(guò)控制氣體的注入位置、壓力以及流量等參數(shù)，使熔體在模具型腔內(nèi)均勻分布并受到穩(wěn)定的保壓作用，降低內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生的可能性，進(jìn)而減少產(chǎn)品的扭曲和變形，保證產(chǎn)品的形狀精度。

AI-GACFIM 氣體輔助彈性體注塑技術(shù)與 3D 打印技術(shù)相融合，創(chuàng)造出全新的制造模式。3D 打印在制造個(gè)性化、復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品方面有著獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，而 AI-GACFIM 技術(shù)則擅長(zhǎng)對(duì)塑料進(jìn)行高質(zhì)量注塑成型，兩者結(jié)合后，有望實(shí)現(xiàn)先通過(guò) 3D 打印制造出帶有特定氣道結(jié)構(gòu)或復(fù)雜內(nèi)部型腔的模具，再利用 AI-GACFIM 技術(shù)進(jìn)行注塑，生產(chǎn)出傳統(tǒng)制造方法難以實(shí)現(xiàn)的創(chuàng)新產(chǎn)品，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造帶來(lái)更多的可能性。

AI-GACFIM 氣體輔助彈性體注塑技術(shù)憑借其自身的優(yōu)勢(shì)以及未來(lái)不斷的發(fā)展與創(chuàng)新，將會(huì)在越來(lái)越多的領(lǐng)域得到應(yīng)用，持續(xù)推動(dòng)塑料注塑行業(yè)朝著高質(zhì)量、高效率、智能化的方向邁進(jìn)，為制造業(yè)的升級(jí)發(fā)展貢獻(xiàn)重要力量，其前景可謂一片光明，值得行業(yè)內(nèi)持續(xù)關(guān)注和深入探索。

4、AI-GAIM與微發(fā)泡注塑融合集成技術(shù)的研究

智能氣體輔助注射成型(AI-GAIM)和微孔注射成型(MIM)相結(jié)合，提出了一種新的氣體輔助微孔注射成型(GAMIM)方法。這種融合技術(shù)結(jié)合了人工智能的優(yōu)勢(shì)以及氣體輔助注塑和微發(fā)泡注塑的特點(diǎn)，有望在塑料制品生產(chǎn)中帶來(lái)更高的效率、更好的質(zhì)量和更低的成本。

4.1融合集成原理
將 AI 技術(shù)與 GAIM 和微發(fā)泡注塑相結(jié)合，AI 可對(duì)注塑過(guò)程中的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析，如溫度、壓力、流量、氣體注入量等，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)和算法，預(yù)測(cè)最佳的工藝參數(shù)組合，精確控制 GAIM 中的氣體注入時(shí)間、壓力、速度，以及微發(fā)泡注塑中的發(fā)泡劑用量、注塑速度等，從而實(shí)現(xiàn)兩種技術(shù)的協(xié)同作用，進(jìn)一步優(yōu)化注塑過(guò)程。

4.2 AI融合集成工藝
智能氣體輔助注塑與微發(fā)泡注塑集成技術(shù)結(jié)合了兩種工藝的優(yōu)點(diǎn)，首先，在來(lái)自GAIM的高壓氣體的幫助下，與MIM相比，GAMIM中完全填充模具型腔所需的聚合物熔體的量減少，從而導(dǎo)致更高的流動(dòng)性，具有高效率、低成本、高質(zhì)量和環(huán)保等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，能夠顯著提高產(chǎn)品的性能和生產(chǎn)效率，降低能耗和生產(chǎn)成本，滿足市場(chǎng)對(duì)高質(zhì)量、高性能產(chǎn)品的需求，具有強(qiáng)大的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

4.3成型優(yōu)勢(shì)
1）提高產(chǎn)品質(zhì)量：AI 的精確控制可使 GAIM 形成的空腔結(jié)構(gòu)與微發(fā)泡注塑產(chǎn)生的微小氣泡更加均勻、穩(wěn)定，從而提高產(chǎn)品的尺寸精度和表面質(zhì)量，減少缺陷和廢品率。

2）實(shí)現(xiàn)更顯著的輕量化：GAIM 和微發(fā)泡注塑本身都具有減輕產(chǎn)品重量的效果，二者融合后，可在不降低產(chǎn)品強(qiáng)度和剛性的前提下，實(shí)現(xiàn)更顯著的輕量化，對(duì)于汽車、航空航天等對(duì)零部件重量要求嚴(yán)格的領(lǐng)域具有重要意義。

3）提升生產(chǎn)效率：AI 能夠?qū)崟r(shí)優(yōu)化工藝參數(shù)，減少調(diào)試時(shí)間和生產(chǎn)周期。同時(shí)，微發(fā)泡注塑縮短成型周期的特點(diǎn)與 GAIM 提高塑料流動(dòng)性、減少填充時(shí)間的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，可進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。

4）增強(qiáng)工藝可控性：借助 AI 強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析和預(yù)測(cè)能力，操作人員可以更準(zhǔn)確地控制注塑過(guò)程中的各種變量，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品密度、強(qiáng)度、剛度等性能的精確調(diào)控，滿足不同產(chǎn)品的個(gè)性化需求。

5）降低能源消耗：微發(fā)泡注塑降低鎖模力需求的特性，以及 AI 對(duì)整個(gè)注塑過(guò)程的節(jié)能優(yōu)化，使得融合技術(shù)在生產(chǎn)過(guò)程中能夠有效降低能源消耗，符合綠色制造的發(fā)展趨勢(shì)。

6) 基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的預(yù)測(cè)
壓力降預(yù)測(cè)：在微發(fā)泡注塑過(guò)程中，超臨界流體（SCF）的壓力降是影響制品質(zhì)量的重要因素之一。通過(guò)構(gòu)建人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）模型，可以預(yù)測(cè)當(dāng)前注塑周期中 SCF 的壓力降。這個(gè)壓力降是 SCF 劑量的主要不確定性來(lái)源，對(duì)制品的質(zhì)量和一致性有很大影響。ANN 模型利用歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，能夠?qū)W習(xí)到不同工藝參數(shù)與壓力降之間的復(fù)雜關(guān)系。例如，在每個(gè)注塑周期開(kāi)始前，根據(jù)已有的工藝參數(shù)和之前的壓力降數(shù)據(jù)，ANN 模型可以預(yù)測(cè)出即將到來(lái)的壓力降。然后，根據(jù)這個(gè)預(yù)測(cè)結(jié)果，可以對(duì) SCF 的輸送壓力進(jìn)行預(yù)補(bǔ)償，以實(shí)現(xiàn)可重復(fù)的壓力降和 SCF 劑量，從而提高制品的質(zhì)量一致性。

4.4 智能氣體輔助注塑與微發(fā)泡注塑集成技術(shù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
1）集成技術(shù)的設(shè)計(jì)思路與框架
集成技術(shù)的設(shè)計(jì)思路與框架旨在結(jié)合智能氣體輔助注塑和微發(fā)泡注塑的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù)和控制系統(tǒng)，提高制品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本。該框架包括了對(duì)注塑過(guò)程中的溫度、壓力、速度等關(guān)鍵參數(shù)的智能控制，以及在模具設(shè)計(jì)中引入氣體輔助和微發(fā)泡機(jī)制，以實(shí)現(xiàn)更高效、更環(huán)保的生產(chǎn)方式。

2）集成系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
集成系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)包括注射系統(tǒng)、氣體輔助系統(tǒng)、微發(fā)泡系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和選型。注射系統(tǒng)負(fù)責(zé)將熔融塑料注入模具中，氣體輔助系統(tǒng)負(fù)責(zé)在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候向塑料內(nèi)部注入氣體以形成氣腔，微發(fā)泡系統(tǒng)負(fù)責(zé)控制發(fā)泡劑的添加量和發(fā)泡過(guò)程，控制系統(tǒng)則負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行并實(shí)現(xiàn)智能化控制。

3）集成系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
集成系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)、控制算法開(kāi)發(fā)、數(shù)據(jù)處理與分析模塊設(shè)計(jì)、用戶界面設(shè)計(jì)以及與其他系統(tǒng)或設(shè)備的通信協(xié)議開(kāi)發(fā)。

4）集成工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)
構(gòu)建新型智能化控制平臺(tái)：結(jié)合工藝參數(shù)模型，提出以 LabVIEW 為核心的新型控制方案，配置硬件平臺(tái)、編譯軟件程序并設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面，構(gòu)建新型控制系統(tǒng)。例如，可以通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工藝參數(shù)，如注氣壓力、熔體背壓、模具溫度等，自動(dòng)調(diào)整工藝參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)微發(fā)泡注塑成型的自動(dòng)化和智能化控制。同時(shí)，通過(guò)人機(jī)交互界面，操作人員可以方便地監(jiān)控和調(diào)整工藝參數(shù)，提高生產(chǎn)效率和制品質(zhì)量。

5）集成工藝參數(shù)優(yōu)化
新型注塑技術(shù)需要精確的工藝參數(shù)設(shè)置，以確保高性能工程材料能夠在注塑過(guò)程中充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。然而，確定最佳的工藝參數(shù)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，需要考慮多個(gè)因素，如材料的特性、模具的設(shè)計(jì)、注塑機(jī)的性能等。為了解決這個(gè)問(wèn)題，研究人員正在探索智能化的工藝參數(shù)設(shè)定方法，如專家系統(tǒng)、案例推理和機(jī)器學(xué)習(xí)等，但這些方法仍處于發(fā)展階段，還需要進(jìn)一步的研究和驗(yàn)證。

混合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與遺傳算法結(jié)合：在以人工智能技術(shù)為基礎(chǔ)的注塑工藝參數(shù)優(yōu)化系統(tǒng)中，構(gòu)建了以混合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與遺傳算法方法為基礎(chǔ)，并結(jié)合 CAE 技術(shù)的參數(shù)優(yōu)化系統(tǒng)。混合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以學(xué)習(xí)到注塑過(guò)程中的復(fù)雜關(guān)系，而遺傳算法則可以在大量的參數(shù)組合中搜索最優(yōu)解。通過(guò)這種方式，可以找到最佳的工藝參數(shù)組合，以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的制品生產(chǎn)。例如，在微發(fā)泡注塑過(guò)程中，可以通過(guò)調(diào)整注氣壓力、熔體背壓、儲(chǔ)料長(zhǎng)度等參數(shù)，來(lái)優(yōu)化制品的減重比、泡孔形態(tài)、力學(xué)性能等指標(biāo)。

參數(shù)響應(yīng)：借助軟件考察工藝參數(shù)的響應(yīng)效果，判斷其各自的影響顯著性。通過(guò)大量的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，分析不同工藝參數(shù)的整體可調(diào)范圍，以及它們對(duì)初始?xì)庥苛俊⒆饪偭亢椭破窚p重的影響效果，并構(gòu)建出相關(guān)數(shù)學(xué)模型。例如，可以通過(guò)改變注氣壓力、熔體背壓等參數(shù)，觀察制品的泡孔形態(tài)、力學(xué)性能和表面質(zhì)量的變化，從而確定哪些參數(shù)對(duì)制品質(zhì)量的影響最大。然后，可以根據(jù)這些結(jié)果，對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化處理，得到最優(yōu)化的組合方案，以指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。

6）智能化控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)
微發(fā)泡注塑注氣系統(tǒng)的智能化控制：根據(jù)微發(fā)泡注塑成型技術(shù)對(duì)超臨界流體輸送系統(tǒng)的特殊要求及高壓超臨界流體的特殊性質(zhì)，對(duì)超臨界流體注氣系統(tǒng)的氣體流量控制關(guān)鍵部件進(jìn)行系統(tǒng)研究。建立超臨界流體在該注氣系統(tǒng)下的注氣流量控制模型，為實(shí)現(xiàn)超臨界流體輸送全自動(dòng)化控制奠定了理論基礎(chǔ)。例如，可以通過(guò)改進(jìn)注氣系統(tǒng)，提高注氣精度及注氣均勻性，減少氣涌現(xiàn)象的發(fā)生，從而提高制品的質(zhì)量。

7）AI質(zhì)量控制
人工智能可以通過(guò)對(duì)大量的工藝參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)注塑工藝的優(yōu)化。例如，通過(guò)調(diào)整熔融溫度、注射速度、注氣量等參數(shù)，可以優(yōu)化制品的泡孔結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。AI 可以根據(jù)不同的制品要求和生產(chǎn)條件，快速找到最佳的工藝參數(shù)組合，提高生產(chǎn)效率和制品質(zhì)量。

利用人工智能的圖像識(shí)別和數(shù)據(jù)分析技術(shù)，可以對(duì)制品的表面質(zhì)量、尺寸精度等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制。例如，通過(guò)對(duì)制品表面圖像的分析，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)表面氣泡、瑕疵等問(wèn)題，并采取相應(yīng)的措施進(jìn)行調(diào)整。

8）AI預(yù)測(cè)和模擬
AI 可以結(jié)合數(shù)值模擬技術(shù)，對(duì)新型注塑技術(shù)的過(guò)程進(jìn)行預(yù)測(cè)和模擬。通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，AI 可以預(yù)測(cè)不同工藝參數(shù)下制品的性能和質(zhì)量，為工藝設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供參考。

4.5 智能氣體輔助注塑與微發(fā)泡注塑集成技術(shù)的應(yīng)用前景
1）應(yīng)用領(lǐng)域分析
智能氣體輔助注塑與微發(fā)泡注塑集成技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于汽車、電子、包裝等行業(yè)，用于生產(chǎn)輕量化、高強(qiáng)度、美觀且成本效益高的產(chǎn)品。

2）技術(shù)優(yōu)勢(shì)與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力
智能氣體輔助注塑與微發(fā)泡注塑集成技術(shù)結(jié)合了兩種工藝的優(yōu)點(diǎn)，具有高效率、低成本、高質(zhì)量和環(huán)保等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，能夠顯著提高產(chǎn)品的性能和生產(chǎn)效率，降低能耗和生產(chǎn)成本，滿足市場(chǎng)對(duì)高質(zhì)量、高性能產(chǎn)品的需求，具有強(qiáng)大的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

3）未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)與挑戰(zhàn)
隨著人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，AI-GAIM注塑技術(shù)將不斷創(chuàng)新和完善。未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)與挑戰(zhàn)包括：持續(xù)的技術(shù)創(chuàng)新以提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，拓展應(yīng)用領(lǐng)域以滿足更多行業(yè)需求，同時(shí)需要解決集成技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中可能遇到的問(wèn)題和挑戰(zhàn)如設(shè)備成本高昂、工藝復(fù)雜性增加以及對(duì)操作人員技能要求提高等。例如，通過(guò)引入更先進(jìn)的人工智能算法和傳感器技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)的工藝控制和質(zhì)量監(jiān)測(cè)。同時(shí)，新型材料的研發(fā)也將為這種注塑技術(shù)提供更多的應(yīng)用可能。

作者簡(jiǎn)介：
張友根，教授級(jí)高級(jí)工程師，終生享受國(guó)務(wù)院政府特殊津貼。發(fā)表中、英論文近500篇約450萬(wàn)字。曾獲得上海市科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)四項(xiàng)，優(yōu)秀新產(chǎn)品二等獎(jiǎng)四項(xiàng)，上海市工業(yè)戰(zhàn)線優(yōu)秀科技工作者等榮譽(yù)。

來(lái)源：榮格-《國(guó)際塑料商情》

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