摘要：介紹了水輔助注射成型技術(shù)的原理，綜述了水輔助注射成型技術(shù)的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀，指出了亟待解決的關(guān)鍵問題，展望了該領(lǐng)域今后的發(fā)展方向。

引言

注射成型作為塑料加工中重要的成型方法之一、已發(fā)展和運(yùn)用得相當(dāng)成熟，隨著塑料制品應(yīng)用得日益廣泛，人們對(duì)塑料制品在精度、形狀、功能和成本等方面提出了更高的要求。因而在傳統(tǒng)注射成型技術(shù)的基礎(chǔ)上，又發(fā)展出了一些新的注射成型工藝，如氣體輔助注射、多點(diǎn)進(jìn)料注射、層狀注射、熔芯注射、低壓注射等，以滿足不同領(lǐng)域的需求。水輔助注射成型作為一種制造中空制品或部分中空制品的方法，目前已成為注射成型技術(shù)一個(gè)新的研究方向，并正在向商品化方向發(fā)展。

水輔助注射成型的工作原理

從20世紀(jì)70年代初期，以減少翹曲、避免凹痕和降低原料消耗為目的而發(fā)展起來的氣體輔助注射成型就已被提出并逐步得到應(yīng)用。在具有大面積加筋制品的生產(chǎn)和既有薄壁區(qū)又有厚壁區(qū)制品的生產(chǎn)中使用氣體輔助注射成型技術(shù)，正呈現(xiàn)一種增長的趨勢(shì)。其基本原理是成型時(shí)首先向型腔注射經(jīng)準(zhǔn)確計(jì)量的熔體，然后經(jīng)過特殊的噴嘴往熔體中注人氣體（一般為氮?dú)猓?，氣體推動(dòng)—熔體前進(jìn)以產(chǎn)生中空形狀的制品。充模結(jié)束后，熔體內(nèi)氣體的壓力保持不變或者有所升高進(jìn)行保壓補(bǔ)料，冷卻后排去熔體內(nèi)的氣體，制品便可脫模。氣體輔助注射的優(yōu)點(diǎn)是一方面氣體壓力能均勻地散布于型腔內(nèi)從而可以改善制品的質(zhì)量，另一方面則由于氣體流動(dòng)產(chǎn)生的中空結(jié)溝來增加制品的強(qiáng)度。但是由于氣體輔助注射成型所需要的高壓設(shè)備及高壓氮?dú)獍嘿F，使得生產(chǎn)成本也提高。近年來，隨著科技的發(fā)展，利用注射液體，如水，形成中空制品的成型技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

水輔助注射成型過程是利用增壓器或空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生高壓水，經(jīng)過活塞式的噴嘴將高壓水注射到已經(jīng)部分預(yù)充填熔體的型腔內(nèi)，利用水的壓力將熔體往前推而充滿型腔：以水不會(huì)蒸發(fā)的這種方式進(jìn)行注射，水的前沿象一個(gè)位移柱塞那樣作用在制品的熔融芯上，從水的前沿到熔體的過渡段，固化了一層很薄的塑料膜，它象一個(gè)高粘度的型芯，進(jìn)一步推動(dòng)聚合物熔體前進(jìn)：待熔體冷卻完成后，利用壓縮空氣將水從制品中壓出，然后將制品頂出，形成中空的成型制品。利用在高速的熔體流動(dòng)過程水不會(huì)蒸發(fā)的這種特性，配合完善的工藝控制手段將水的優(yōu)點(diǎn)*展現(xiàn)出來，并且確保水的循環(huán)利用 。與氣體輔助注射成型相比，水輔助注射成型具有以下特點(diǎn)：

（1）水輔助注射成型帶來的一大優(yōu)點(diǎn)就是直接冷卻制品的內(nèi)部。而氣體輔助注射成型伴隨著較大的殘留壁厚和熔體發(fā)泡的危險(xiǎn)，為了避免發(fā)泡，氣體的保壓B~ f間或者氣體的壓力釋放時(shí)間被迫延長，這也增加了冷卻Bf間。而水的導(dǎo)熱性是氣體的40倍，比熱容是氣體的4倍。由于水輔助注射成型的這種冷卻能力，冷卻時(shí)間能被減少到氣體輔助注射成型的25%。

（2）水和氣體的zui大不同在于氣體是可以壓縮的，而水卻不可以，這樣水輔助注射成型就可以承受較高的注射壓力。且氣體能與聚合物混合，容易逸出，所以氣體輔助成型工作壓力一般是300～2500psi，而水輔助成型一般的工作壓力在4350psi，一般來說，較厚和較長的制品更適合水輔助注射成型技術(shù)。

（3）氣體能與聚合物混合，但當(dāng)氣體再次滲出的時(shí)候制品的內(nèi)表面會(huì)變得很粗糙。同時(shí)氣體不像水，它能在制品內(nèi)分流成很小的支流，造成了不受歡迎的指狀效應(yīng);同時(shí)氣體運(yùn)動(dòng)的不可預(yù)見性造成了壁厚很難控制，而水可以使壁厚均勻且具有可重復(fù)性。水輔助注射成型技術(shù)不但能生產(chǎn)出均勻的薄壁制品，從而節(jié)省了材料，拓展了注射成型的應(yīng)用范圍，而且水輔助注射成型能夠在零件的內(nèi)部產(chǎn)生平滑的內(nèi)表面，這是氣體注射成型技術(shù)很難達(dá)到的，也使注射成型相對(duì)于吹塑成型有了更強(qiáng)的競爭力。

（4）由于水輔助注射成型利用水當(dāng)介質(zhì)，取得較容易也較氮?dú)獗阋?，且可循環(huán)使用，因此可以降低生產(chǎn)成本。

所以水輔助注射成型可以在更短的成型周期下，減少制品壁厚及減少殘留的壁厚，對(duì)于大件且較薄的制品可使用較均勻而且較低的壓力即可成型。適于成型諸如管狀的零件、汽車油管和其他流體系統(tǒng)、把手、行李架、汽車上的儀表盤、緩沖器、門把手、離合器以及駕駛桿支持架，其他的產(chǎn)品包括嬰兒的學(xué)步器、廚房器具的把手、辦公家具、戶外活動(dòng)設(shè)備、托架等器具。

水輔助注射成型工藝方法

目前，水輔助注射成型技術(shù)主要有4種方法，其工藝步驟與氣體注射成型技術(shù)相似，不同之處在于熔體的注入，水的引入，用重力或空氣排出水的方式，如圖1所示。

（1）欠注法（Short shot）：其工藝過程是首先將塑料熔體部分注入模具型腔，其次是水的注入，然后再注入剩余熔體，推動(dòng)塑料熔體到達(dá)型腔的末端并進(jìn)行保壓。通過各種閥門控制來自注射單元的熔體和來自注水孔的水的流動(dòng)。排水閥打開使水可以排出制品之外，一個(gè)安裝在型腔末端或附近的閥門可以方便壓縮空氣排

這種方法被認(rèn)為是制造較厚零件的好方法。此法沒有廢料，水的入口和出口可以是同一個(gè)口。這種方法的缺點(diǎn)是要求必須控制：如果先期注入的熔體太少，可能導(dǎo)致水會(huì)沖破熔體進(jìn)入模具型腔;水的注射壓力必須比熔體的注射壓力大，這樣才能把熔體推到型腔末端;熔體注射和水注射的閥門會(huì)在制品上留下痕跡，難以得到表面。另外熔體在zui后容易形成一個(gè)可能延長成型周期的較厚截面。;（2）反推法（Pushback）：首先將熔體*充滿型′腔，其次打開設(shè)在熔體流動(dòng)末端的注水孔，水把那些過多的熔體反推回注射單元的頭部空間里。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是沒有廢料，能得到表面。至于缺點(diǎn)，它需要一個(gè)特別的噴嘴和一個(gè)止逆環(huán)，用來調(diào)解返回的材料進(jìn)入注射單元。用戶應(yīng)該特別小心別讓水滲透到注射單元的頂部空間（這對(duì)吸濕性材料，如尼龍，是一個(gè)很大的問題）。工藝過程的每一階段都必須在壓力控制下，得到穩(wěn)定的和可知的熔體返回量。返回熔體的壓力和溫度可能與一直在料筒內(nèi)的熔體不同，會(huì)引起工藝的變化，這樣會(huì)影響下個(gè)注射過程。該方法需要獨(dú)立的空氣和水傳送系統(tǒng)。

（3）溢流法（Ovemow）：首先模具的型腔被熔體*充滿并由一個(gè)閥門封閉。然后一個(gè)獨(dú)立的注水孔開啟，同時(shí)在型腔末端的閥門開啟，從而開設(shè)一條由主型腔到輔助型腔或稱為溢流腔的路徑。推進(jìn)到副型腔的熔體被新來的水所取代，溢流腔閥門關(guān)閉進(jìn)行保壓。水通過重力或蒸發(fā)被排出。

這種方法據(jù)報(bào)道可以得到表面。這種方法和傳統(tǒng)的成型方法很接近，也比欠注法需要的水壓低很多。不足之處是溢流腔的凝料不得不回收使用，還需要通過剪切將凝料與制品分開。

（4）流動(dòng)法（ Flow process）：這是一種把欠注法和溢流法結(jié)合起來的方法。由于水快速通過制品，從而提高了冷卻效果。型腔被熔體部分地填充，然后水就被注入，把熔體推進(jìn)型腔末端。在末端設(shè)了一個(gè)特殊的閥門，水會(huì)突破熔體，通過閥門進(jìn)入水循環(huán)系統(tǒng)再循環(huán)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省材料和冷卻效率高。缺點(diǎn)是在制品的頂部有缺陷，而且低壓能引起水在模具內(nèi)表面和制品外表面的滲出。

水輔助注射成型的一個(gè)共同特點(diǎn)就是需要清除水。在某些場合重力會(huì)起到一定的作用。但一些供應(yīng)商提倡水輔助注射系統(tǒng)和氣體輔助注射系統(tǒng)的融合。Alliance氣體系統(tǒng)公司的水輔助注射系統(tǒng)包括一個(gè)加壓的氣體清除裝置，整個(gè)水的注射和清除過程只會(huì)在幾秒鐘之內(nèi)。

水輔助注射成型發(fā)展歷程

早在~0世紀(jì)70年代初，就有人提出將流體（水、油等）注射到熔化聚合物中形成中空的概念，這就是后來稱之為水輔助注射成型的技術(shù)。但是，這種技術(shù)由于氣體輔助注射成型的出現(xiàn)和廣泛應(yīng)用而被擱置一旁∵近年來，由于氣體輔助注射成型技術(shù)使用中暴露出的一些不足，人們又轉(zhuǎn)而對(duì)水輔助注射成型技術(shù)的研究工作發(fā)生興趣。目前這一技術(shù)的研發(fā)工作進(jìn)步很大，并己得到商用。

據(jù)有關(guān)資料[41介紹水輔助注射成型技術(shù)的商業(yè)應(yīng)用是德國Herford的Sulo GmbH公司制造的全塑購物車。這個(gè)項(xiàng)目開始于1998年，它用到了Schulman公司的PP材料和PME（Project Management Engineering）公司◇水輔助注射成型技術(shù)，來成型一個(gè)有三條直徑為20—60mm，長為800—1500mm水道的制品。這個(gè)PP材料的購物車原來用氣體輔助注射成型周期需要280s，而用水輔助注射成型只要68so

此外，在歐洲有許多國家的公司企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)也開展了有關(guān)水輔助注射成型技術(shù)的研發(fā)工作，如奧地利的Engd公司、Battenfeld公司，德國的Ferromatik公司，以及的德國亞琛理工大學(xué)（R~ Aachen）的塑料fJn工學(xué)院（IKV）等。在縮短成型周期和改進(jìn)工藝方法方面取得了一些成績，并應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)。2001年在德國Dusseldorf舉行的展覽會(huì)上，水輔助注射成型技術(shù)引起不小的轟動(dòng)。

在IKV，一種由兩種材料構(gòu)成的球拍被制作出來。這是—個(gè)三次注射工藝：兩種材料和水。水的流動(dòng)分割出球拍的框架，*次注射是用含20%玻璃纖維的PP材料成型手柄和框架，第二次注射是用來成型沒有填充物的伴材料的網(wǎng)，第三次注射是用來向框架內(nèi)注水。不可壓縮的水在PP注射生成網(wǎng)時(shí)，對(duì)中空的框架起支撐作用。

德國的PME公司分別用氣體和水輔助注射成型技術(shù)制造出材料為玻璃纖維填充尼龍的細(xì)管，內(nèi)徑6-8mm，而用前者制造的制品壁厚是后者制造的2—3倍。在2001年，PME公司有12個(gè)水輔助注射成型系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)行。Pi\lE公司還在為德國寶馬（~M~）汽車公司做一種嘗貳，試圖把汽車上各種管路的生產(chǎn)由氣體輔助注射成型轉(zhuǎn)換成水輔助注射成型。5水輔助注射成型技術(shù)關(guān)鍵問題

利用現(xiàn)有的對(duì)氣體輔助注射成型所積累的經(jīng)驗(yàn)，來建立水輔助注射成型技術(shù)和相關(guān)模具設(shè)計(jì)方法，以及了解水輔助注射成型的可行性及局限性和成型質(zhì)量，并與傳統(tǒng)注射成型以及氣體輔助注射成型做一比較，以建立完整的具有指導(dǎo)意義的理論和技術(shù)資料，使水輔助注射成型技術(shù)得到快速發(fā)展和應(yīng)用，正是各國科學(xué)家的努力方向。目前，由于水輔助注射成型技術(shù)還是一項(xiàng)新興的技術(shù)，如下的關(guān)鍵問題亟待解決：

（1）如何確定合適的水溫、水壓、流速以及熔體內(nèi)部水的流動(dòng)對(duì)樹脂結(jié)晶化的淬火和制品性能的影響。

（2）在注水前，注射壓力和工藝方法在各個(gè)方面者P是不變的，這就提出了怎么樣注水和在哪注水的問題以及怎樣把水排出去，用什么相關(guān)的設(shè)備和控制技術(shù)來完成等問題。其他問題集中在注水孔和閥門的設(shè)計(jì)以及模具的調(diào)整方面，特別是水的密封問題。這也是水輔助注射成型不會(huì)很快取代氣體輔助成型的原因所在。

（3）水輔助注射成型技術(shù)適應(yīng)性的研究。需要利用各種不同高分子材料（含玻璃纖維和不含玻璃纖維以及其他微納米添加劑等）對(duì)其工藝特性、結(jié)構(gòu)特性、質(zhì)量（力學(xué)性能、表面質(zhì)量等）的基礎(chǔ)研究、控制系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)性的研究，以獲得必要的技術(shù)資料。

結(jié)論

水輔助注射成型是近幾年新興發(fā)展起來的注射成型技術(shù)，因此相關(guān)的研究與文獻(xiàn)資料都相當(dāng)有限，在整個(gè)設(shè)備的建立上幾乎都沒有完整的參考資料。但是從其與氣體輔助注射成型相比較可以看到，水輔助注射成型在未來將有更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。因此在現(xiàn)有條件下，充分利用已有的氣體輔助注射成型工藝研究基礎(chǔ)開展有關(guān)水輔助注射成型研究，不僅能*，而且也可參與的科研競爭，促進(jìn)其商品化進(jìn)程。