备注信息：注塑发泡、气体/水辅助成型技术深度解析

在全球能源危机与环保法规日益严苛的双重压力下，汽车轻量化已成为汽车工业可持续发展的核心驱动力。研究表明，对于传统燃油汽车，整备重量每降低10%，燃油经济性可提升5%以上，二氧化碳排放量减少5%-6%。而在电动汽车领域，轻量化同样意义重大，不仅能显著提升车辆的动态性能与安全表现，更能有效延长续航里程。

作为汽车零部件制造的重要工艺，注塑成型技术凭借高效、精密的特点及复杂结构成型能力，在轻量化进程中扮演着不可或缺的角色。本文从微孔注塑发泡成型、气体辅助注塑成型（GAIM）、水辅注塑成型（WAIM）三方面解析六大注塑轻量化技术的最新进展。

一、微孔注塑发泡技术

技术原理与设备创新

微孔注塑发泡技术是一种将超临界流体（SCF）溶解于塑料熔体，将其注入模具后因温压变化引发泡孔成核并生长的先进加工技术。

微孔注塑发泡技术将微孔发泡与传统注塑工艺相结合，具备许多显著优势。与传统的注塑发泡工艺相比，该技术具备显著优势：

减重倍率更大，力学性能更优；

无化学发泡剂分解产生毒性和化学残留的问题；

生产效率高，适用于复杂三维几何形状部件，是包括汽车零部件在内的注塑制品轻量化的重要手段。

该技术起源于20 世纪 80 年代的麻省理工学院，最初目的是降低材料消耗和减轻部件重量。自 20 世纪 90 年代末 Trexel 公司推出首台微孔注塑发泡设备并获得 MuCell® 工艺专利后，微孔注塑发泡技术迅速发展，相关技术不断涌现。

实现微孔注塑发泡需要专用设备支持。如图所示，气体在超临界流体计量装置中被加压至超临界状态，通过接口套件调节质量流量，按需向塑化装置提供发泡剂。特殊的往复式螺杆比传统螺杆长，并配备了专门设计的混合段，以优化聚合物与气体的混合效果。

1. 欠注注塑发泡成型技术 

欠注注塑发泡是应用最广的微孔注塑发泡技术，其工艺流程如图所示。

在生产过程中，二氧化碳或氮气在超临界状态下通过气体注入系统精准导入特制塑化装置，形成均匀的混合溶胶。在注射阶段，溶胶不完全充满模具型腔，使得溶胶内迅速析出大量气泡核。

技术优势：

材料适应性广，大部分热塑性塑料都适用

生产周期短，效率高

适用于复杂结构件生产

大部分热塑性塑料都适用欠注注塑发泡成型工艺，由该工艺生产的聚丙烯（PP）、PA6（PA 为聚酰胺）、PA66、聚碳酸酯（PC）、ABS 及其各种改性与增强塑料广泛应用于汽车结构件和内饰件中。从内饰的门板、仪表板骨架，到外饰的保险杠、扰流板，再到电池盒支架等结构件，都能通过该工艺实现轻量化。

欠注注塑发泡成型技术制备的汽车风道骨架

国外的 Trexel 公司凭借 MuCell® 工艺处于领先地位；德国 KraussMaffei 公司、日本住友重机械等企业也不断推动技术革新。国内企业同样积极跟进，北京中拓模塑科技有限公司研发的气体注入与控制装置，有效改善了产品表面质量和力学性能；金发科技股份有限公司、上海普利特复合材料股份有限公司等企业也在持续探索材料与成型工艺优化，不断促进该技术的国产化应用和发展。

2. 二次开模注塑发泡技术 

针对欠注注塑发泡减重幅度有限的技术局限性，二次开模技术通过模具主动扩张产生负压环境，显著改善了制品的微观形貌。

该技术将泡孔成核生长过程从充填阶段转移至模具微开阶段，显著降低了充填过程中强剪切流场对泡孔结构的破坏。制品减重倍率主要取决于模具微开距离及其控制精度，更适合制备结构简单、减重倍率较大的部件。在内饰部件中，仪表板、车门内饰板通过发泡处理能实现20% 以上的减重，同时提升吸音和隔热性能；在结构部件制造中，座椅骨架、发动机舱连接件等通过精准控制发泡程度，在保障结构强度的同时可有效降低整车重量。

二次开模注塑发泡工艺制备的汽车发动机罩

二次开模注塑发泡工艺更适用于高熔体强度的聚合物材料，或在基础材料上进行改性以提升熔体强度的材料。如在PP 中添加交联剂进行微交联改性，形成具有支化结构的 PP，可显著提高它的熔体强度；在PET中引入成核剂和扩链剂，改善 PET 的结晶性能和熔体强度，使其适用于二次开模注塑发泡工艺。

3. 模内气体反压注塑发泡技术 

模内气体反压注塑发泡技术是在注射过程开始前，根据预设的压力值将惰性气体注入模具型腔内，模具型腔内气体反压能够延迟含气熔融聚合物的膨胀，抑制泡孔过早成核和生长，这种受控的膨胀过程使得泡孔结构更加精细和均匀，从而通过调控泡孔结构增强制品的机械性能。

模内气体反压注塑发泡成型工艺

如图所示，该技术在注射过程开始前将惰性气体注入模具型腔内，通过调控泡孔结构增强制品的机械性能。

关键技术参数：模内气体反压值：10MPa为最优值；作用时间：精确控制发泡时机；压力释放速率：影响泡孔尺寸分布。

研究表明，GCP技术显著改善泡孔稳定性，同时大幅提升制品表面质量，使表面气纹、流痕等缺陷减少80%以上。

模内气体反压对欠注注塑发泡制品泡孔稳定性的影响

4 变模温注塑发泡技术 

变模温注塑发泡成型工艺融合了模具温度快速动态调控与注塑发泡技术两种先进制造手段，通过分阶段快速、精准调控模具温度来优化发泡过程，特别适用于高光表面免喷涂零部件制造。

变模温注塑发泡模具示意图

技术特点：

高温填充（模具温度升至聚合物玻璃化转变温度以上）

快速冷却（促使熔体快速固化）

表面质量接近镜面效果，无需后续喷涂

应用案例：如图所示的发动机上盖板，成功实现高光表面效果，大幅降低加工成本。

变模温注塑发泡成型工艺制备的发动机上盖板

有研究通过变模温注塑发泡成型工艺改善制品表面质量。他们采用感应加热技术将模具温度从100 ℃提升至 160 ℃,成功将 PC制品的表面粗糙度从 25 μm 降至 6.5 μm。

5 超临界流体载气颗粒技术(SIFT) 

SIFT 的核心在于将超临界流体注入挤出机中，并在挤出过程中与聚合物充分混合，挤出的聚合物/气体溶液在流出模头时迅速冷却，以防止气体提前发泡。

SIFT技术无需对传统注塑机进行改装，通过制备含气颗粒作为气体载体，大幅降低了设备投资门槛。该技术特别适合中小企业转型升级。

6 组合工艺创新 

在塑料制品制造技术不断革新的背景下，包括欠注、二次开模、变模温、模内气体反压注塑发泡工艺与模具表面涂层等工艺的组合应用成为突破传统单一工艺性能瓶颈的关键路径。这种多工艺协同优化策略，通过精确控制各工艺单元的时序配合与参数耦合，实现了对泡孔成型全过程的有效调控，为汽车轻量化、电子产品包装等高端制造领域带来了全新解决方案。

将多种工艺组合应用已成为行业趋势。研究表明，气体反压与二次开模工艺联用可显著改善泡孔形貌，实现泡孔均匀分布且结构均一稳定。

气体反压对二次开模注塑发泡制品泡孔形貌的影响

二、气体辅助注塑成型(GAIM)技术

GAIM技术通过向熔融塑料熔体中注入高压惰性气体实现中空结构，核心在于利用气体的压力场推动熔体充模并形成中空结构，具有显著优势：

材料消耗减少20%-50%

注射压力降低30%-60%

显著改善缩痕、翘曲等缺陷

GAIM 技术制备的汽车隐藏门把手和内门扶手盖板

在材料选择方面，GAIM 适用于流动性较好的 PP、聚苯乙烯等通用塑料以及ABS 、PC 等工程塑料，玻璃纤维增强复合材料通过 GAIM 可减少纤维取向不均，提升强度与尺寸稳定性。目前，GAIM 技术已广泛应用于汽车内饰件、家电壳体及医疗器械。

三、水辅助注塑成型(WAIM)技术

WAIM 是一种在传统注塑基础上引入高压水作为辅助介质的成型技术，核心是通过水的注入、保压和冷却，实现中空结构制品的高效生产，尤其适合复杂内腔或厚壁零件的成型。WAIM技术以水为辅助介质，利用水的高导热特性（导热系数为气体的40倍），可缩短冷却周期50%以上。

WAIM 的核心设备主要包括水辅助注射单元、水注射针、注塑机及模具四大模块。

短射 WAIM 工艺示意图

技术优势：

残余壁厚比GAIM工艺薄约25%

成型轮廓精度更高

表面质量更光滑

WAIM 工艺制备的乘用车管道

WAIM 技术在中空部件制造领域具有显著适用性，广泛用于汽车的输油管、冷却剂管、汽车门把手等产品的生产。土耳其汽车行业供应商 Teklas 采用 WAIM 技术成功开发玻璃纤维增强 PA66管材，该类制品不仅具备优异的减重性能，还拥有良好的内外表面性能。

综上，微孔注塑发泡、GAIM 、WAIM 等技术的应用显著降低了汽车零部件的重量，提升性能的同时降低能耗，推动了新能源汽车与绿色制造的协同发展，然而设备成本、成型工艺的复杂性及超薄结构成型精度等问题在一定程度上也限制了这些轻量化技术的进一步应用，未来研究方向应结合在线检测、多物理场仿真及生物基材料应用等领域，进一步优化注塑件轻量化工艺的稳定性与环保性，推动汽车工业持续向高效、低碳的方向转型。

参考资料：汽车用注塑件轻量化方法与技术进展，曹贤武等