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1.2 注射成型技术的发展概况
注射成型技术已经历了大约125年的发展过程，由于各种各样的工艺方法及技术的引入、改进和提高，这种成型技术显得更具有经济性。与早期开发的JohnWesleyHyatt生产工艺专利相比，目前采用的生产理论方法存有较少的概念上差异。其基本过程仍然是在加热料筒内产生推动压力，形成熔料层流，并流入空的模腔内。在循环生产周期中，不管是采用单个浇口或多个浇口，高或低的熔体流动速率，待注射熔料与模腔壁之间温差的高或低，流畅的加工流程或突变式的加工流程，其基本过程完全相同。
近年来，随着塑料制品应用的日益广泛，为了不断满足注塑制品向高度集成化、高度精密化、高产量等方面发展的要求，以及实现对制品材料的聚集态、相形态、组织形态等方面的控制，或实现对制品进行异质材料的复合，最大程度地发挥聚合物的特性，达到制品高性能的目的，注射成型技术有了很大的发展。
从注射成型工艺来说，气体辅助注射成型、结构泡沫成型、反应注射成型、共注射成型、推-拉成型、注射-压缩成型、低压注射成型、交变注射成型、熔芯注射成型、动态保压注射成型等引入了模内反应、发泡、振动和气辅等关键技术，大大丰富了传统注射成型工艺的内容，使塑料的流动特性、制品的力学性能、外观质量都得到有效地控制。
当然，这些新型注射成型工艺所要求的注射机和模具系统等机械、压力和电气系统控制也有别于传统注射成型机。
从注射成型设备来说，除了为适应新型注射成型工艺对传统注射成型设备进行的改进或提高外，在注射成型辅助机械自动化、节能型注塑机技术及模具技术、专用注射成型机开发等方面也有很大提高。如全电动注射机，就是一种非常节能的注射成型机，现阶段正得到逐渐推广。
另外，支持注射成型的计算机技术也有了长足的发展。如利用计算机辅助工程（CAE）技术对注射成型进行流动状态分析、温度场分析、制品残余应力分析、制品翘曲和收缩变形分析等。CAE技术的发展，不仅使确定成型工艺条件大大节约时间，而且还极大地提高了所确定的成型工艺条件的合理性和科学性，从而使制品生产的效率和产品质量显著提高。在塑料成型模具的设计和制造中广泛采用CAD/CAM技术，使成型模具的技术水平显著提高，同时在CAD中又引入CAE技术，又将塑料成型模具技术的合理性、短期化提升到更新、更高的水平。在注塑机控制方面，计算机技术的应用也越来越多。如在注塑制品在线监控系统、注塑工艺在线智能管理系统方面的研究也常见于文献报道。
现在，尚处于研发阶段或有待进一步完善推广的注射成型技术有注塑机内直接混合技术、长纤维注塑技术、三维MID注射成型技术、模头滑动注射成型技术等。由如下所述可知，这些注射成型技术的发展也是传统注射成型工艺内容的丰富和成型设备的改进与提高。
（1）长纤维注塑技术 纤维增强塑料利用纤维的高强度和刚度来改进塑料的力学性能。为了更好地发挥纤维在塑料中的强度，其长度必须大于临界长度，当纤维长度小于临界长度的纤维增强塑料受一定载荷时，纤维就会被拔出，纤维的强度就不能得到充分发挥。在长纤维注塑工艺中，保护纤维免受损伤和均匀分布成为关键性的因素，要对注塑机螺杆的转速、背压、螺杆与料筒的间隙、保压压力等进行特殊设计和控制。
（2）注塑机内直接混合技术 几乎任何一种塑料的加工过程都离不开混合工序，混合在加工中起着重要的、常常是决定性的作用。如长纤维增强热塑性塑料，纤维必须在聚合物中分布均匀，以达到增强制品力学性能的目的。按惯例，一般将长纤维与热塑性塑料预先混合均匀，造粒，再用于注塑，这样，纤维在塑料中分布非常均匀，但在预混合过程中易造成塑料降解和纤维损伤，更大的缺点是因为多了一道工序造成的制造成本的增加，故现在正在开发一种在注塑机中直接混合的技术，混合过程在塑化段完成。因为纤维和塑料分开购买，相对于购买已混合的颗粒，大大降低制造成本。另一方面，在注塑机中直接混合不易造成混合物成分的偏差。
（3）三维MID注射成型技术 三维MID注射成型电路板成型技术的基本原理是通过使用导电树脂和非导电树脂两种材料将电路制成成型制品。这种技术尚在开发之中，如果成功，将是一种小型、薄型、轻型、抵消耗、低成本的制品生产技术，大量生产将是一项划时代的技术。
（4）模头滑动注射成型技术 模头滑动注射成型技术是一种三维中空成型制品一次成型的独特的成型方法，典型的制品是未来用于生产汽车发动机的进气歧管和中空制品。
现阶段，用传统的注射技术生产的注塑制品仍然占有较大的份额，同时一些新型注射成型技术生产的制品数量正在增加。这些新型的注射成型技术在很多方面已经对传统注射成型工艺进行了改良或代替了传统的注射成型工艺，满足了注塑制品节能、高产率、高性能的要求。但是无论是传统的注射成型技术还是新型的注射成型技术，它们都有其自身的特点，所以各种注射成型技术的应用各有不同。以下主要简单介绍几种新型注射成型技术的应用。
流体辅助注射成型是将流体注射到熔化聚合物中形成制品中间空芯的技术。主要包括气体辅助成型技术和水辅助注射成型。
气体辅助注射成型简称气辅技术，是20世纪80年代为了减轻制品重量和节约生产周期而发展起来的一种新型注射成型技术。
气辅技术为许多原来无法用传统工艺注射成型的制件采用注射成型提供了可能，在汽车、家电、家具、电子、日常用品、办公自动化设备、建筑材料等几乎所有塑料制件领域已经得到了广泛的应用，并且作为一项带有挑战性的新工艺为塑料成型开辟了全新的应用领域。
当前，气辅技术尤其适用于以下几方面的注塑制品。
管状、棒状制品：如手柄、挂钩、椅子扶手、淋浴喷头等。采用中空的结构，可在不影响制品功能和使用性能的前提下，大幅度节省原材料，缩短冷却时间和生产周期。
大型平板制件：如汽车仪表板、内饰件格栅、商用机器的外罩及抛物线形卫星天线等。通过在制件内设置内置式气道，可以显著提高制品的刚度和表面质量，减少翘曲变形和表面凹陷，且大幅度地降低锁模力，实现在较小的机器上成型较大的制件。
厚、薄壁一体的复杂结构制品：如电视机、计算机用打印机外壳及内部支撑和外部装饰件等。这类制品通常用传统注塑工艺无法一次成型，采用气辅技术提高了模具设计的自由度，有利于配件集成，如松下29英寸（1英寸=2.54cm）电视机外壳所需的内部支撑和外部装饰件的数量从常规注塑工艺的17个减少至8个，可大幅度缩短装配时间。
水辅助注射成型技术，是由世界著名的德国IKV塑料研究所开发提出的。这项技术可成型厚壁截面、形状复杂的管状制品。杜邦和Engel公司合作利用该技术生产汽车发动机上的玻璃增强尼龙66液体输送管道。水辅技术优于气辅技术的主要优点是制品冷却快、成型周期短。
泡沫塑料注射成型有结构泡沫塑料成型和微孔泡沫塑料成型两种。
结构泡沫塑料成型是20世纪60年代初出现的，是生产发泡芯层和实体表层结构的热塑性塑料制作的方法。特别适于生产大而厚的热塑性塑料制作。近几年来，其应用日益广泛。主要用于生产机器外壳、底盘、计算机机箱、大型贮藏等大型模塑制品。
微孔泡沫塑料成型技术与传统塑料发泡技术比较，既不需要化学发泡剂，也不要以烃基为原料的物理催化剂、泡沫剂等及其它相关反应成分。合理利用微孔注射成型技术可以扩大产品结构形式、提高生产效率、降低生产成本。
由于对塑料制品功能多样化的要求日益增多，因此在注射成型领域内展开了各式各样的复合注射成型技术开发。复合化技术实际上是多种工序或技术的集成，其主要目的是实现制品生产周期缩短和高附加值化。
复合注射成型技术包括三种：
（1）二色、多色注射成型 多色注射成型多数采用注射模具的位置交换的方式来实现，而目前则采用专用注射机来完成。
二色、多色注射成型主要应用于要求有色彩分别而制品又必须一体场合，如按键中间的字和周围塑料的颜色就要求有区别，最突出的应用例子是汽车照明灯罩的生产。所以二色、多色注射成型在汽车行业、玩具行业及家电行业的应用较多。
（2）多材质注射成型 这种注射成型方法主要是为了使制品同时满足多种不同性能的要求而开发的。例如制品要求耐候性、化学稳定性、气体阻隔性、导电性、屏蔽电磁波性等性能的某种组合，则必须采用多材质（不同树脂）的多层复合注射成型技术。
多材质注射成型主要用于增强复合注塑件、功能复合注塑件（屏蔽罩）和再生塑料制品等。
（3）内加装饰件注射成型 这种注射成型技术多用于改善制品的耐候性、装饰性和功能性的要求，其方法是把功能薄膜连同粘接层预先制备好，注射充模前置于模腔，然后借助注入模腔的熔体使其结合成一体，最后去掉粘接层得到功能性制品。
由于内加装饰件注射成型要求模具技术及控制装备水平较高，目前只应用于一些高附加值有表面装饰和功能改进要求的制品。
反应注射成型（reactive injection molding，简写作RIM）是将两种或两种以上具有反应性的液体组分在一定温度下注入模具型腔内，在其中直接生成聚合物的成型技术，即将聚合与成型加工一体化，或者说，直接从单体得到制品的“一步法”注塑技术。RIM的主要工艺参数与普通注射具有本质差异。
RIM成型技术可应用于聚氨酯类塑料、尼龙、环氧树脂的成型，甚至可用于橡胶和金属的成型。但RIM成型技术难度大，对设备和工艺的要求高。
注塑-压缩成型是将一定体积分数（60%～70%）的熔融塑料注入敞开的型腔中，然后闭合模具，压缩熔料，充满型腔，成型光学透镜的技术。成型时，模具先未完全闭合，由于模具型芯部分设有台阶，当熔体被注入型腔后不会泄漏；当熔体注射完毕，由专设的闭模活塞进行第二次合模，熔体再次流动，被压实。
与一般的注射成型相比，注射-压缩成型中熔体注射是在模腔未完全闭合情况下进行的，因而流道面积大，流动阻力小，所需的注射压力也小，而熔体收缩是通过外部施加压力给模腔，使模腔尺寸变小（模腔直接压缩熔体）来补偿的，因而型腔内压力分布均匀，因此注射-压缩成型可以减少或消除由充填和保压产生的分子取向和内应力，提高制品材质的均匀性和尺寸的稳定性，同时降低塑件的残余应力。
注射-压缩成型工艺已广泛用于成型塑料光学透镜、激光唱片等高精度塑件以及难以用传统注射成型技术成型的薄壁塑件，此外在玻璃纤维增强树脂成型中的应用也日益普及。
高速低压注射成型与传统注射成型的差别在于：传统注射成型在注射过程中控制注射速度，而高速低压注射成型在注射过程中控制的是注射压力，并且注射压力恒定。在高速低压注塑过程中，注射速度是变化的，开始以很高速度注射，随着注射时间的延长，注射速度逐渐降低，以消除制品内应力，保证制品尺寸精度。在高速注射中熔体所受压力很低，黏度也低，使熔体的黏流特性便于控制。由于恒压注射，所以高速低压注射成型机有特殊的油压系统。目前采用多腔液压注射系统。
目前大多数设计项目着重于将低压注射与再注射塑料成型结合使用。如汽车门内饰板的成型，就是将纺织物或非纺织物放置入模具内，再直接向模内注射熔料。
另外许多精密度要求很高的制品都采用低压注射成型技术。例如DAD、DVD、CD-R等光碟、光学透镜、笔记本电脑光导器等都改用低压注射成型，取得了非常好的效果。
交变注射成型是在常规注射成型中，交替地改变熔体的流动取向的大小和方向，从而提高复杂制品的某些力学性能。其优点在于可控制制件在特定方向上的性能，可以使制品的弯曲性能与其它力学性能得到极大提高。
PS饮水杯、PP注射器等常用这种方法来成型。
熔芯成型与常规注射成型的差别主要在于型芯的结构。这种型芯不能在模内拆卸，也不能用机械方法抽出到模外，它只能由电感加热到熔融掉[如低熔点（138℃）的锡-铋合金、锡-铅的另外合金]或在二次加工中被洗掉（可溶性丙烯酸类树脂）。型芯的热性能及型腔材料是熔芯成型的技术关键。型芯材料可用聚合物、低熔点金属合金（锡-铋、锡-铅）等。聚合物起隔绝壁的作用，制品的表皮很薄；因金属起散热点的作用，制品的表皮很厚。选用适当的材料，可减小或消除制品因缺陷产生的翘曲现象。
熔芯成型应用于管道夹具、泵外壳（水泵推进轮、离心热水泵）、体育运动商品（网球后手柄）、汽车大型部件（如水泵、进气歧管）、航天器油泵等制品生产。
塑料动态注射成型技术是将物理场直接作用于成型加工的过程，基本原理是在振动场（主要是机械振动和超声波振动）条件下，在塑料的主要剪切流动方向上叠加了一个附加的应力，使得聚合物在组合应力作用下完成物理与化学变化的加工过程。它是在传统注射成型的塑化、注射、保压等阶段引入振动，使熔体产生振动剪切流动，以控制制品的内部结构，提高制品的力学性能和外观质量为目的的技术。
振动对聚合物成型制件的性能影响主要是通过对聚合物的凝聚态转变和结晶动力学起作用的。周期性的振动力将有效地促进分子取向，并在熔体的固化阶段控制晶粒的生长、形成和取向，可有效防止制件中缩孔、疏松与表面沉陷的形成，并可消除残余应力，使制品的力学性能显著提高。
在成型中，施加振动的方式有机械振动、波振动和气体振动。施加机械振动的情况研究得较充分，包括模具加振成型、螺杆加振注射成型、辅助加振成型、单点动态进料保压注射成型、多点动态进料保压成型、推-拉注射成型和全振动注射成型多种形式。我国现已成功研制出塑料电磁动态塑化注射机，是全振动的一种。
动态注射成型技术可以成型传统注射成型技术所生产的所有制品，但由于设备要求高，目前应用还没有普及。
一方面，采用计算机辅助工程（CAE）对加工设计及分析有助于缩短设计周期，避免代价昂贵的机械失误。最近几十年来，有几家公司一直在努力探索CAE技术，以求正确地解释更多现实的塑性行为和加工现象。现在，商业性仿真软件可用于确定流道尺寸，以平衡熔料在流道系统及型腔内的流动，同时确定浇口的最佳开设位置和浇口的数目。收缩率及翘曲率结合初始流向也可估算出来。虽然CAE可产生有价值的知识，但是，对CAE所得到的分析或仿真结果还必须对其局限性进行考虑，因为加工物理学是非常复杂的，而某些黏弹性体的现象仍然没有完全弄清楚，更完善合理的加工方式目前正在缓慢形成。
另一方面，网络管理信息技术引入注射成型领域的表现突出。诸如：多台注射机成型条件、运转、生产状况、制品质量等工厂生产事务的数据监控与管理、原料和零部件的采购、设备的远程维护都借助Internet网络和电子商务手段实施运作，取得了显著提高效率、降低成本的效果。人们预计，信息技术将会促使21世纪的材料成型加工工业产生巨大的变革。
随着塑料作为工程结构材料应用的进一步推广，注射成型制品的用途已扩大到国民经济的各个领域中，并将逐步代替传统的金属和非金属制品。从以上成型技术的发展与应用现状来分析不难得出，注塑制品将有如下的发展趋势。
（1）性能高度集成化 以组合不同材料为特征的注射制品，如镶嵌成型、夹心成型、多材质复合成型、多色复合成型，充分体现了人们对注塑制品具有复合性能的期望。在此基础上，人们不得不想方设法将诸多功能集中于某一制品，这就在客观上要求制品对各种功能高度集成。
（2）超精密化 随着塑料在精密仪器仪表工业中应用的扩大，注射成型制品超精密化是其发展的必然趋势之一。
（3）制品轻量化、薄壁化 人类拥有的资源是有限的，节省资源则主要体现在节省物料。制品的轻量化、薄壁化主要是在满足使用功能的前提下采取发泡成型、流体辅助成型，以降低制品对原料的需求。
（4）超小型或超大型 注塑制品的应用发展过程中，因为受限于成型设备（模具和注塑机）和制品材料本身的性能，在超小型制品及超大型制品的成型应用较少。随着人们对塑料材料研究的深入以及机械控制与制造技术的发展，超小型或超大型制品的生产成为可能，所以其应用也将逐步增多。
（5）虚拟注塑制品 随着计算机技术的发展，人们在注塑制品的设计、生产、加工以及交易方面都与传统注塑制品的生产方式、交易方式有所不同。人们将注塑制品数字化，通过虚拟现实技术将制品显示出来，可以作为最初的交易模型；在生产的前期，人们可以用模拟技术对注塑制品的性能、生产工艺参数进行预测。所以虚拟注塑制品技术将是注塑制品发展的趋势之一，这项技术将使注塑制品的生产、交易水平大幅度提高。