什麼是氣體輔助注塑成型？完整工藝指南

氣體輔助注塑成型 (GAIM) 將氮氣以 2,000–4,500 psi 的壓力注入部分填充的模腔（樹脂填充率 70–90%），置換熔融塑料，從而形成中空的內部通道。這可減少 20–40% 的材料用量，消除縮痕，降低 25–60% 的鎖模力，並實現傳統注塑成型無法達到的可變壁厚。

厚壁塑膠零件的縮痕和翹曲是代價高昂的問題。它們在模具切割後才顯現出來，會降低生產效率，並迫使零件幾何形狀做出妥協，而這些妥協往往會超越最初的設計預期。氣體輔助注塑成型 (GAIM) 正是為了解決這些問題而開發的——它透過在零件內部註入加壓氮氣，取代傳統注塑成型中的保壓階段。

在接下來的文章中，我們將討論氣體輔助注塑成型的原理和應用——它是什麼，它的優點和缺點，它是如何運作的，以及哪些類型的產品可以從中受益。

什麼是氣體輔助注塑成型？

氣體輔助注塑成型技術起源於1983年，最初是英國開發的用於結構泡沫建築材料的「Cinpres」工藝。 1986年，該工藝在德國國際塑膠機械展上亮相後，迅速在北美、歐洲和日本得到應用。到了1990年代，它已從實驗階段發展成為生產標準，至今仍是厚截面結構塑膠零件的首選技術，因為這類零件需要同時兼顧重量、表面品質和尺寸穩定性。

該工藝結合了標準熱塑性塑膠注射成型和精確定時注入高壓惰性氣體（幾乎總是氮氣）到部分填充的模腔熔融芯部。氣體沿著阻力最小的路徑穿過溫度最高、黏度最低的塑料，在零件最厚的部分形成連續的空心通道。隨著氣體膨脹，它會將剩餘的熔體推向模壁，從而從內部向外完成填充。

氣體注入壓力通常在 2,000 至 4,500 psi（14–31 MPa）之間，取決於聚合物的黏度和零件的壁厚。在高壓配置中，系統壓力可高達 35 MPa（標準）或 70 MPa（特殊情況）。氮氣純度必須 ≥98%－純度較低的氮氣會導致滲透不均勻和零件間差異。^[1]

氣體注射的兩個關鍵參數很簡單：氣體注射時間（秒）和氣體注射壓力（兆帕）。其他一切——氣體的流動路徑、滲透深度以及形成的空腔幾何形狀——都取決於模具的氣道設計和製程工程師設定的短射比。

氣體輔助注塑成型過程解決了什麼問題？

在傳統的射出成型中，較厚的零件是從外向內冷卻的。表面先結皮；冷卻過程中內部收縮；表面被拉向內，形成縮痕。

保壓可以部分彌補壓力不足，但一旦澆口凍結，壓力就無法再傳遞到零件內部。相較之下，氣體壓力可以在整個冷卻階段保持穩定，從而施加均勻的內部壓力，直到零件凝固。^[2]

氣體輔助注塑成型的優點和缺點

雖然氣體輔助注塑成型有許多優點，但這種製程也存在一些缺點。讓我們來看看它的優缺點，以及它是否適合您的專案。

優點

材料節省：中空氣道可減少樹脂消耗量 20% 至40%，具體數值取決於零件幾何形狀。對於大型結構板而言，這並非微不足道的節省——它直接降低了每個零件的材料成本，並減少了需要冷卻的塑膠體積，從而縮短了生產週期。

輕量化零件：利用氣體製造空心結構，可以減少塑膠材料的用量。這使得部件重量更輕，同時保持強度。以骨骼為例：外部堅硬，內部中空。

消除縮痕：冷卻過程中，氣體始終保持對模壁的均勻壓力。導致縮痕的機制——冷卻後的表層與仍保持流動狀態的內部之間的收縮差異——直接被抵消。在傳統成型製程中風險較高的加強筋、凸台和厚壁過渡區域，現在都能在不影響外觀的前提下進行生產。

降低鎖模力：由於氣體能夠將壓力均勻分佈在空心通道內，而無需像傳統注塑成型那樣在澆口處施加高保壓，因此與同等零件的傳統注塑成型相比，鎖模力需求降低了25% 至 60%。這使得尺寸更大的零件能夠在更小的機器上進行生產。

設計自由度：可變壁厚——在傳統注塑成型中，如果不承擔縮痕風險，這是不可能實現的——現在變得可控。無需受限於均勻的壁厚，即可設計大面積無支撐部分、結構加強筋和複雜橫截面。原本需要多個零件黏合在一起的零件，現在通常可以透過一次氣體輔助注塑成型。

縮短成型週期：空心型芯的冷卻速度比實心型芯更快。在傳統的厚壁成型製程中，冷卻階段通常佔總成型週期的 40% 至 60%，而空心型芯的冷卻階段則得以縮短。這種縮短效果與壁厚成正比──型芯越厚，成型週期的優勢就越明顯。

缺點

更高的模具投資：氣針、氣道和獨立的氣體輔助控制單元都會增加成本，高於標準注塑模具。控制單元是一個獨立的系統，僅透過注塑訊號線與注塑機連接。對於小批量生產或不需要氣體輔助的簡單零件幾何形狀，這項投資並不划算。

複雜模具設計：氣道位置是針對製造的設計 (DFM) 環節的決策，而非事後考慮。氣道的尺寸和走向必須經過精心設計，引導氣體順利通過厚壁區域，避免出現死角，同時也要防止氣體穿透薄壁。如果設計不當，會導致空心幾何形狀不一致、填充不足或氣體從零件表面逸出。

氣痕（泛紅）：當氣體過早接觸模具表面時－通常是由於壁厚過薄、氣道位置不當或氣體壓力過高造成的－會留下可見的表面痕跡。根本原因幾乎總是氣道設計或工藝壓力超過了壁厚的承載能力。解決方法是降低受影響區域的氣體壓力、重新定位氣道入口點，或在氣體突破位置增加局部壁厚。

製程專業知識要求： GAIM製程比傳統注塑製程多了兩個製程變數－氣體注射時間和氣體注射壓力。這兩個變數都與樹脂黏度、零件幾何形狀和模具溫度相互作用。精確控制這些參數需要豐富的經驗。射出成型機保壓壓力過高會阻礙氣體滲透，並可能導致模具打開時發生爆裂^[2]。

GAIM與傳統射出成型：參數對比

下表比較了兩種製程在通常影響工裝和製程選擇決策的參數方面的差異。

參數	氣體輔助（GAIM）	傳統注塑成型
熔體填充量	70-90% 的腔體（短射）	100%（全程拍攝）
包裝機制	氮氣壓力為 2,000–4,500 psi	螺絲背壓（高保持壓力）
所需夾緊力	降低 25–60%	需要完全夾緊力
材料使用	可減少20%至40%。	樹脂總體積
沉沒風險	已消除－氣體壓力可防止差壓冷卻	厚壁段較高
加工週期（厚部件）	較短－空心芯冷卻速度較快	時間更長－固體物質需要完全冷卻
零件重量	打火機－空心通道	全固體重量
壁厚範圍	2–6 毫米支撐	優選均勻薄壁
設計複雜性	複雜幾何形狀，可變壁厚	最適合壁厚均勻的情況
初始模具成本	更高－需要氣針和氣道	標準工裝

兩種氣體輔助成型技術

氣體輔助成型主要有兩種類型，每種類型都有其獨特的應用。讓我們來分別了解這兩種類型。

內部氣體輔助成型

製程：氣體透過位於噴嘴或模腔內的氣針直接注入熔融塑膠芯中。氣體膨脹成氣泡，穿過零件最厚的部分，形成連續的空心通道。此通道從內向外保持壓力，同時外層冷卻並緊貼模壁凝固。

內部氣密性金屬注射成型（GAIM）的壁厚範圍：通常在氣道位置為 4–6 毫米或更大，並逐漸變薄至所需的外部壁厚。氣體自然會沿著阻力最小的路徑流動——即溫度最高、黏度最低的塑膠——路徑必須與設計的氣道走向一致。如果短射比過低，氣體會在樹脂完全填充邊緣之前就找到路徑；如果過高，則沒有足夠的材料供氣體置換。

優點：這種方法非常適合製造輕薄壁零件。收縮和翹曲程度較小，而且由於氣體從內部向外施加壓力，因此可以減少零件冷卻時的變形。最終產品強度高、剛性好，且用料更少。

應用範圍：汽車儀表板、門把手、家具框架、椅子扶手、家電把手、大型結構外殼。任何出於重量或聲學原因需要中空結構框架或肋狀網絡的部件。

外部氣體輔助成型

製程：氣體透過模具非外觀面（背面）的微通道引入，對零件背面施加壓力，而不是透過型芯施加壓力。氣體不會形成空心通道，而是起到均勻壓力墊的作用，在冷卻過程中將正面外觀面緊緊壓在模具壁上。

主要用途：提升大型裝飾面板的表面品質。內部氣體氣密性（GAIM）技術解決了結構和重量問題，而外部氣體氣密性（GAIM）技術則解決了背面帶有加強筋和凸台的零件A面上的縮痕問題。加強筋的幾何形狀會形成厚截面區域，這些區域通常會在零件冷卻時將裝飾面板表面向內拉扯；而施加在背面的外部氣體壓力可以抵消這種拉扯。

優點：這種方法非常適合表面紋理複雜以及曲面較大、複雜的零件。它也適用於無缺陷的厚截面零件。氣壓有助於減少零件表面的縮痕，這對於製造美觀的零件尤其重要。

應用領域：汽車儀表板與車門面板（對錶面品質要求極高）、大型家電前面板、消費性電子產品後殼。適用於不需要內部GAIM空心結構，但傳統模塑製程表面品質又無法滿足要求的零件。

氣體輔助注塑成型的工作原理：逐步詳解

該過程按時間順序運行。每個步驟的參數相互影響－步驟 1 的短射比決定了步驟 2 中氣體的可用空間；步驟 2 和 3 中的氣體保持時間決定了零件是否能在穩定的內部壓力下冷卻。

1. 塑膠樹脂注射成型（短射）： 熔融熱塑性塑膠填充型腔至其體積的70%至90%。具體的填充率取決於零件的幾何形狀和目標空腔比例。較大的氣道需要較低的填充率，以便氣體有足夠的空間滲透；而具有薄外壁的複雜幾何形狀則需要較高的填充率，以確保樹脂在氣體注入開始前到達型腔邊緣。
2. 一次氣體滲透： 高壓氮氣－通常 2,000–4,500 磅/平方英寸 當填充量達到目標高度時，氣體立即註入熔體。時機至關重要：任何延遲都會導致熔體前緣冷卻，增加通道內的黏度，使氣體更難滲透。氣體在最厚的部分形成氣泡並向外膨脹，推動熔體填充剩餘的末端。
3. 二次氣體滲透（氣滯）： 隨著樹脂冷卻收縮，氣體持續流入零件以補償體積收縮。這一階段取代了傳統成型中的保壓階段。氣體保持時間通常為 5–10秒氣體壓力使外表面始終與模壁保持接觸，防止形成縮痕。
4. 氣體排放和噴射： 模具打開前，型腔內的所有氣體必須完全排出。如果排氣不暢，模具壓力釋放時，空腔部分會膨脹——極端情況下，零件甚至會爆裂。氣體可以透過注射針排出，也可以透過單獨的排氣針，經由斷流口排出。排氣完成後，模具打開，零件脫模。

氣體輔助注塑成型的可製造性設計 (DFM) 考慮因素

要為 GAIM 設計出合適的模具，需要考慮一些在傳統射出成型中不會出現的因素：

• 氣體通道尺寸： 通道應位於零件最厚的部分。通常，通道橫截面直徑至少需要 6 毫米才能保證可靠的氣體滲透；較小的通道會增加阻力並導致空心幾何形狀不一致。通道不能是死胡同－氣體需要能夠穿過整個厚壁部分。
• 短鏡頭比例： 氣體注入開始時的填充量決定了空心率和外壁厚度。填充率過低，氣體可能會穿過較薄的壁面，或無法到達模具邊緣。填充率過高，則沒有足夠的材料供氣體置換，從而降低空心率。
• 壁面過渡梯度： 厚氣道段與薄外壁之間的突變過渡會在連接處產生應力集中，增加氣體突破的風險。因此，氣道直徑到外壁的逐漸變細較為理想。
• 澆口位置： 澆口的位置應確保在氣體開始滲透之前，樹脂已充滿模具的外緣。如果氣體到達死角（樹脂尚未到達的區域），則會因沒有塑膠壁而空化，導致零件缺陷。澆口位置和氣道走向必須協同設計。
• 保持壓力設定： 在氣體注入過程中，注塑機的保壓必須保持較低（或關閉）。過高的保壓會阻塞氣針，將氣體困在型腔內（開模時有爆裂的風險），並阻礙氣體滲透－從而產生氣體原本應該防止的縮痕[3]。

用於氣體輔助注塑成型的塑膠材料

GAIM 與大多數熱塑性塑膠相容，但材料的選擇會影響氣道尺寸、滲透行為以及最終的空心結構。下表總結了常用材料及其 GAIM 特性。

材料	熔體強度	粘性	最佳 GAIM 應用
PP（聚丙烯）	低	粘度低	儀表板、容器、汽車內裝件
ABS	媒材	媒材	電子外殼、家用電器面板、玩具
PC（聚碳酸酯）	高	中等偏上	安全設備外殼，透明結構件
高密度聚乙烯	低	低中	戶外家具、管線、重型容器
HIPS	低中	低	消費品包裝、展示品、薄壁托盤
尼龍 (PA)	高	中（乾燥）	齒輪、結構支架、運動器材、承重部件

關於熔體流動和氣體滲透的說明：熔體流動速率（MFI）高的材料允許氣體更自由地滲透，這通常是有益的，但需要更嚴格的注射時間控制——如果注射時間不精確，氣體可能會過度滲透到較薄的截面中。像聚碳酸酯（PC）這樣的高黏度材料，在相同壁厚下需要更高的氣體壓力才能達到相同的滲透深度。

氣體輔助注塑成型的應用

汽車業

儀表板、車門面板、座椅靠背和A柱飾板均採用GAIM工藝製造，因為該工藝能夠在保持中空結構重量的同時，實現厚截面結構的高度剛性。減輕內裝零件的重量能夠直接提升燃油效率，並顯著延長純電續航里程——大規模應用後，這種優勢尤其明顯。外部GAIM製程通常應用於對A面品質要求極高的儀表板。

消費產品

家具零件——例如椅子扶手、桌腳、儲物櫃框架——非常適合採用GAIM內模成型工藝。這種空心通道無需二次連接即可達到與結構擠壓件相當的剛度重量比。吸塵器外殼、家用機身和電動工具外殼也受益於GAIM一次性成型複雜幾何形狀和不同壁厚的能力。

顯示器與電子產品

電子外殼需要尺寸穩定性（無翹曲）和無瑕疵的表面。 GAIM 透過消除傳統厚壁模塑製程中導致這兩個問題的差異冷卻，從而實現了這兩點。對於大型後殼和結構底盤而言，重量減輕也是便攜式設備的另一個主要優勢。

航太

內裝板、通風管道和座椅框架部件均受益於GAIM的輕量化技術。在航空航太領域，結構塑膠零件的減重可直接轉化為營運成本的降低。此製程還能確保這些零件以嚴格的尺寸公差生產，避免因翹曲而需要二次矯直工序。

常見問題

氣體輔助注塑成型中使用的是什麼氣體？為什麼是氮氣？

氮氣 (N₂) 是標準選擇，因為它性質穩定—在註射溫度下不會與聚合物熔體反應。為確保注射效果穩定，氮氣純度必須≥98%。純度較低的氮氣會引入水分和其他氣體，導致注射不均勻和表面缺陷。氮氣由專用氮氣產生器或高壓氣瓶輸送，並透過氣體輔助控制單元調節注射時間和壓力。

氣體輔助注塑成型中所使用的壓力是多少？

對於標準應用，氣體注入壓力通常在2,000 至 4,500 psi（14–31 MPa）之間，具體數值取決於聚合物黏度和壁厚。在標準配置下，系統壓力最高可達 35 MPa，在高壓特殊情況下可達 70 MPa。此過程由兩個參數控制：氣體注入壓力（MPa）和氣體注入時間（秒）－其他所有因素均由模具設計決定。

氣體輔助注塑成型可以節省多少材料？

與同等規格的傳統實心零件相比，空心GAIM設計可減少20%至40%的材料用量，具體數值取決於零件幾何形狀可實現的空心率。這種節省在大量生產上具有顯著的累積效應：對於年產量達100,000萬件的大型結構面板而言，僅樹脂一項，30%的材料用量減少就能帶來可觀的年度成本節約。

內吹式和外吹式瓦斯輔助成型有什麼不同？

內部氣芯注塑成型（GAIM）將氣體注入零件的熔融芯部，並在較厚的截面中形成空心通道。它適用於既需要減輕重量又需要消除縮痕的結構件。外部氣芯注塑成型（GAIM）則將氣體壓力施加到零件的背面（而非芯部），在冷卻過程中將零件的正面壓緊在模具壁上。它適用於對錶面品質要求較高但不需要空心芯部的大型裝飾面板。

GAIM支援多大壁厚範圍？

採用氣體輔助注塑成型製程所生產的零件，其外壁厚度通常為2 至 6 毫米，氣道橫截面尺寸至少為 6 毫米，以確保氣體可靠滲透。氣道處壁厚小於 2 毫米時，有氣體穿透的風險；氣道處壁厚大於 8 至 10 毫米時，若不進行精確的壓力和時間校準，則可能無法獲得一致的空心幾何形狀。

什麼情況下應該選擇GAIM而不是傳統的射出成型？

在以下情況下，GAIM製程更優：零件壁厚超過4-5毫米，傳統注塑成型會產生縮痕；零件設計需要可變壁厚；設計要求減輕重量；零件尺寸足夠大，降低鎖模力即可在較小的機器上加工；或者傳統注塑成型無法在具有相對加強筋/凸台的表面實現所需的表面質量。 GAIM製程會增加模具成本－如果零件壁薄且厚度均勻，傳統射出成型仍然是更簡單、更經濟的選擇。

結語

氣體輔助注塑成型解決了傳統注塑成型無法解決的特定問題：在一次生產過程中，即可製造出壁厚厚、空心幾何形狀可控、表面無缺陷且重量輕的塑膠零件。氣體能夠完成保壓成型無法完成的工作：它能到達零件的每個厚壁部分，在整個冷卻階段保持均勻的壓力，並從內向外補償熱收縮。

製程參數雖然數量不多——只有氣體注射壓力和氣體注射時間——但決定這些參數生效位置的DFM決策需要工程專業知識。氣道設計、短射比、澆口位置和保壓壓力設定等因素都會相互影響。如果這些參數設定得當，就能生產出傳統注塑成型製程無法比擬的零件；如果設定不當，則會導致昂貴的廢品。

在Fecision，我們的注塑成型能力涵蓋用於精密結構塑膠零件的氣體輔助注塑成型過程。我們的工程團隊負責DFM階段的工作，包括氣道佈局、短射優化和製程參數開發，這些都是模具開發流程的一部分。如果您正在評估氣體輔助射出成型製程（GAIM）是否適用於特定零件設計，請聯絡我們進行DFM評估。

參考文獻及外部引用

所有資料均公開可查。訪問日期：2026年4月。

[1] Onex Machinery.'氣體輔助注塑成型技術的應用與製程。 '(2025年1月) https://onexmachinery.com/the-application-and-process-of-gas-assisted-injection-molding-technology/

[2] Bauer Compression。 《氣體輔助注塑成型工藝》（技術白皮書）https://www.bauercomp.com/sites/default/files/uploads/The_Process_of_Gas_Assist.pdf

[3]維基百科。 「氣體輔助注塑成型」。 （2025年9月）https://en.wikipedia.org/wiki/Gas-assisted_injection_molding