注塑成型中的模具排气和脱气 – 生产中的气体管理

模具排气简介

模具排气是正确注塑模具设计和操作中最经常被忽视但至关重要的方面之一。当聚合物填充模腔时，空气和水分必须迅速离开腔室，以允许零件完全填充。当气体被困在模具中时，会产生气泡、缩陷、填充不完全，以及烧伤痕迹和聚合物氧化缺陷。

良好的排气直接影响：零件质量、循环时间、材料强度、表面美观性和所需的注塑压力。本指南讨论排气系统的设计和实际操作、问题识别和缺陷减少策略。

为什么排气至关重要

对零件质量的影响

排气直接影响成型缺陷的数量：

• 气泡和空隙 – 材料中的气体造成结构缺陷
• 填充不完全 – 模腔中的气体阻碍材料流动，需要更高的压力或更长的注塑时间
• 烧伤痕迹（氧化缺陷） – 压缩空气被加热至高温，导致聚合物氧化和变色
• 裂纹和断裂 – 带有气泡的零件强度较弱，在负载下会断裂
• 变形和内应力 – 气体引起的冷却不均匀导致尺寸变化和应力

对生产参数的影响

不良排气强制要求：

• 更高的注塑压力 – 克服气体阻力
• 更长的保压时间 – 确保完整填充
• 更高的模具温度 – 降低粘度和克服阻力
• 更长的循环时间 – 由于冷却时间延长和生产延误
• 更高的能耗 – 更强大的电机、更高的压力、更强的冷却

注塑成型中的气体来源

1. 模腔中的空气

每次注塑前，模腔都含有大气压下的空气（1 bar）。当聚合物以1000+ bar压力进入时，空气被压缩到几乎可以忽略的体积。这种压缩的空气必须离开模具 – 如果没有，就会产生缺陷。

2. 材料中的水分和挥发性物质

聚合物从周围环境吸收水分。在注塑过程中，这些水分蒸发（大多数聚合物的温度超过200°C）。塑化剂、溶剂和添加剂的挥发性分子也释放。如果聚合物没有适当干燥，气体体积会显著增加。

3. 流动中的气体陷阱

当聚合物以高速进入模具时，可能会剪切薄截面并产生遍布整个零件的微气泡。

4. 处理过程中的化学反应

某些聚合物（特别是含填料或颜料的聚合物）在处理过程中释放气体，特别是在温度过高的情况下。

排气系统设计

排气几何形状 – 大小和深度

排气孔必须足够大以允许气体逸出，但不能造成材料泄漏：

• 排气宽度：通常0.15 – 0.5 mm（取决于材料）
• 排气深度：通常0.025 – 0.1 mm（小于宽度）
• 排气通道长度：通常2 – 6 mm
• 排气间距：沿腔边每10 – 25 mm

实用法则：排气应足够大以允许气体逸出，但足够小以防止材料流动。过大的排气会造成溢料。过小的排气会阻断气体流动。

宽度还是深度

具有大宽度和小深度的排气比窄而深的排气更有效。气体更容易从扩展表面逸出，而不是从狭窄的通道。

排气的数量和位置

排气密度应该更高：

• 靠近浇口（气体最被压缩的地方）
• 在流动前沿（材料首先到达的地方）
• 在薄壁截面和肋筋设计区域
• 在复杂几何形状和凹陷周围

高风险区域包括：

• 最后填充点 – 即使很小的气体陷阱也会造成缺陷
• 内部空间（圆角、凹陷）
• 流动焊接线 – 两股材料流汇合的地方

模具中的排气位置

主要位置

1. 围绕腔周周边

定期分布在腔边周围的排气确保均匀的气体清除。最常见的间距是每15-20 mm。

2. 在芯上

如果零件有孔或内部通道，芯的排气是至关重要的。排气孔必须允许气体逸出。

3. 在厚度变化的截面中

更厚的截面冷却速度较慢。气体可能在厚度过渡处被陷阱。排气应位于这些过渡附近。

4. 靠近浇口

浇口通常是空气聚集最多的地方。靠近浇口的排气帮助这股气体逸出。

要避免的位置

• 在需要美观表面的截面中（排气痕迹会可见）
• 流动前沿可能通过排气挤出材料的地方（溢料）
• 在承受高结构负载的区域

气体陷阱及其识别

气体陷阱何时形成

气体陷阱通常在以下情况下形成：

• 两股流汇合（焊接线）
• 流绕过内部结构（芯、金属嵌件）
• 几何形状复杂（许多肋筋、圆角、过渡）
• 流动路径长而窄

识别气体陷阱的缺陷

• 烧伤痕迹（黑点） – 表明压缩空气处于高温
• 填充不完全 – 腔的远端不完全填充
• 横截面上可见的气泡 – 零件内部
• 缩陷 – 表明该区域固化不良
• 表面上的哑光斑 – 空气接触材料的地方

减少气体陷阱

流动模拟

在模具制造前，使用CAD/FEA工具模拟注塑过程。在模具设计阶段识别气体被陷阱的区域。

几何形状优化

• 增加高风险区域的圆角半径
• 缩短薄截面的长度
• 位置浇口以实现更均匀的流动

多级排气

不要仅依赖表面排气。如果芯是内部的，它还必须有导向出口的排气。

脱气方法

1. 被动重力排气

气体自然地通过排气孔从模具中逸出，由模腔和大气之间的压力差推动。这是最古老的方法，适用于许多聚合物。

优点：简单，不需要额外设备

缺点：仅在低注塑压力下有效；有时不足以应对快速工艺

2. 顶针排气

顶针可以充当排气孔 – 允许气体在零件弹出时逸出。这种排气有时内置于弹出机制中。

优点：在零件弹出时起作用

缺点：太晚了 – 大部分空气必须已经被清除

3. 真空排气

可以将特殊真空通道连接到特别容易陷阱空气的区域。真空在注塑期间主动从模具中清除空气。

优点：对复杂几何形状非常有效；允许更高的注塑速度和压力

缺点：额外的复杂性，需要辅助设备（真空泵），模具成本更高

4. 材料干燥

许多与气体相关的缺陷来自材料中的水分。在注塑前适当干燥树脂可以减少挥发性物质。

干燥参数：

• 温度：60-90°C（取决于材料）
• 时间：2-8小时
• 相对湿度：低于0.1%（对于吸湿性材料）

5. 材料温度控制

注塑过程中聚合物的温度必须优化：

• 过低 – 高粘度，气体无法逸出
• 过高 – 材料分解、气体释放、氧化

正确的温度可以减少粘度和挥发性物质的释放。

真空辅助

真空辅助如何工作

真空在模具的选定通道中产生负压。当聚合物进入时，空气被主动清除而不是陷阱。这允许：

• 更快的材料流动
• 更低的注塑压力
• 消除即使在最困难的几何形状中的气泡

真空实现

真空通道：连接到选定排气孔并连接到真空泵的小通道。

真空泵：连接到注塑机或模具的特殊泵。通常达到0.1-0.5 bar负压。

启动时间：真空通常在注塑前或开始时启动，并在之后不久停止。

真空条件

要控制的参数：

• 真空深度：-0.1至-0.9 bar（相对于大气）
• 持续时间：通常等于注塑时间或稍长
• 通道规格：类似于排气，但通道连接到泵

不良排气引起的缺陷

1. 烧伤痕迹（氧化缺陷）

原因：压缩到1000+ bar的空气被加热到200-300°C，氧化聚合物表层。

外观：零件表面上的黑色或棕色斑点，通常在最后填充点。

解决方案：在受影响区域附近添加排气孔，增加它们的大小或数量，或实施真空辅助。

2. 气泡

原因：空气在注塑过程中被困在材料中。

外观：零件内部（表面下）或截面上的可见空隙，有时是宏观的。

解决方案：模拟流动，识别陷阱位置，在那里添加排气孔。

3. 填充不完全

原因：模腔中的气体阻碍材料流动，需要更高的压力或更长的时间。

外观：零件不会完全填充，材料不会到达腔的末端。

解决方案：增加排气孔的数量和大小，增加注塑压力，增加材料温度。

4. 缩陷

原因：表面下的被陷阱空气在冷却时导致固化不良。

外观：零件表面凹陷，通常在较厚的截面或被陷阱空气附近。

解决方案：增加该区域的排气，增加冷却时间，减少该处的截面厚度。

5. 哑光斑和变色

原因：空气与热材料接触导致表面氧化。

外观：可变哑光斑、变色、表面退化。

解决方案：改进排气，如果可能降低模具温度，增加材料流速。

排气最佳实践

1. 在模具设计阶段规划排气

不要在模具制造后即兴添加排气孔。在3D CAD中规划它们，检查干涉，确保它们不会造成泄漏。

2. 使用流动模拟

Moldex3D、Autodesk Simulation或Solidworks Plastics等软件允许您模拟注塑过程，并在模具完成前识别排气问题。

3. 均匀分布排气孔

如果一个区域的排气孔很少，气体会在那里聚集。在周周边每15-25 mm处放置排气孔。

4. 在原型上测试排气

如果可能，创建快速、廉价的模具原型（例如使用金属3D打印或环氧树脂），并在转向生产前测试排气。

5. 监控缺陷

收集生产数据 – 零件的哪些区域最常有烧伤痕迹或气泡。这些数据指导未来迭代中的排气改进。

6. 考虑材料干燥

特别是对于吸湿性材料（PA、ABS、PMMA、聚碳酸酯）。干燥可以减少要清除的气体体积。

7. 对于复杂几何形状：真空

如果模具很复杂且传统排气不足，真空辅助是值得考虑的投资。

故障排除指南

问题	排气相关原因	解决方案
黑点（烧伤痕迹）	该区域的压缩空气	在斑点附近添加排气孔，增加大小或数量
内部气泡	空气无法逸出	模拟流动，识别陷阱，在那里添加排气孔
填充不完全	空气阻力或温度过低	增加排气，增加温度或压力
缩陷	表面下的空气	增加该区域的排气，增加冷却时间
通过排气孔的溢料	排气孔过大	减少排气孔的大小或深度，降低压力
哑光斑	空气诱导的表面氧化	改进排气，降低温度

摘要

模具排气是生产高质量注塑零件的基础方面。良好的排气消除气泡、烧伤痕迹，并降低所需的压力和工艺温度。关键点：

• 在模具设计期间规划排气 – 不是即兴
• 均匀分布排气孔并以正确的尺寸 – 0.15-0.5 mm宽，0.025-0.1 mm深
• 识别气体陷阱 – 特别是焊接线和内部区域
• 干燥树脂 – 减少要清除的气体体积
• 对于复杂几何形状考虑真空 – 对困难零件非常有效
• 监控缺陷并迭代 – 生产数据指导改进

对良好排气的投资通过更高的零件质量、更低的压力和循环时间，以及长期内减少废品和改进生产效率而得到回报。