李方舟，許忠斌，黃 興，林增榮，葉如清，成明祥

(1.浙江大學(xué) 能源工程學(xué)院，杭州 310027；2.德清申達(dá)機器制造有限公司，浙江湖州 313200)

0 前言

注射成型是塑料制品成型的一種重要方式，廣泛應(yīng)用于各種行業(yè)，其制品量約占塑料制品總量的40%。隨著注射成型的不斷發(fā)展與成熟，衍生出了很多新的技術(shù)，其中一項重要的技術(shù)就是流體輔助注射成型(FAIM)，它包括了氣體輔助注射成型(GAIM)和水輔助注射成型(WAIM)。

WAIM作為一種新型的成型中空制品的技術(shù)，它是在GAIM技術(shù)的基礎(chǔ)上形成的。與氣體相比，水有著不可壓縮、壓力可控性好、熱容大、熱傳導(dǎo)率好等特點，所以WAIM除了有GAIM節(jié)省原料、降低鎖模力、縮短循環(huán)時間、減小翹曲內(nèi)應(yīng)力等優(yōu)點外[1]，還能成型較大直徑的制品，進(jìn)一步縮短模具冷卻時間，使制品的壁厚更均勻、翹曲和形變更少，此外它還能使制品獲得更加光滑的內(nèi)表面[2]。WAIM技術(shù)從20世紀(jì)90年代末被提出，歷經(jīng)了20多年的發(fā)展，由于該技術(shù)的應(yīng)用，使得制品的成本降低，質(zhì)量、生產(chǎn)效率都有一定的提升，從而使其在研究領(lǐng)域得到了廣泛關(guān)注，在市場上也有著巨大的應(yīng)用潛力。筆者主要介紹了WAIM的工藝過程及工藝參數(shù)，就近些年來其工藝參數(shù)及一些新技術(shù)展開概括與論述，并對今后WAIM技術(shù)的發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。

1 WAIM的工藝過程及方法

1.1 WAIM裝置和過程

WAIM的工藝離不開它的系統(tǒng)，一般來說WAIM的整個系統(tǒng)由注塑機、模具、注水系統(tǒng)和檢測系統(tǒng)組成。WAIM的流程見圖1[3]。

圖1 WAIM流程示意圖

該技術(shù)工藝過程與普通的注射成型相比，增加了加水保壓的階段，具體來說，其加工周期主要由5個步驟組成：(1) 注射塑料熔體；(2) 注入水以推動塑料熔體型芯；(3) 保持水壓；(4) 釋放壓力，通過重力或者壓縮空氣將水排出；(5) 開模獲得制品[2]。

1.2 WAIM方法

WAIM主要有4種成型方式，分別是短射法、回流注射法、溢流注射法、流動注射法。其中，短射法和溢流注射法是目前WAIM最常用的2種方法，其主要區(qū)別是熔融體初始是否完全充滿型腔。短射法具有模具結(jié)構(gòu)簡單，充模時不用充滿等優(yōu)勢，但短射法有著明顯的缺點，即在成型制品的表面會產(chǎn)生注水噴頭的標(biāo)記；而溢流注射法通過舍棄標(biāo)記這一部分的制品，就能夠很好地將標(biāo)記刪除[4]。回流注射法則是在熔體完全充滿型腔后，打開熔體末端的水閥，推動多余熔體回流進(jìn)料筒的成型，該方法優(yōu)點是沒有材料殘渣，但對工藝要求比較高。流動注射法在末端設(shè)置特殊閥，防止水擊穿熔體，該方法冷卻更快，更節(jié)省材料，但同時可能會造成制品的表面缺陷[5]。4種方法的成型方法見圖2[6]，具體優(yōu)缺點見表1。

(a) 溢流注射法

表1 4種注射成型方式的優(yōu)缺點

2 WAIM過程的工藝參數(shù)

WAIM雖然有著諸多優(yōu)點，但它在應(yīng)用過程中還存在著一些關(guān)鍵的問題，如工藝參數(shù)優(yōu)化。只有解決好WAIM的工藝參數(shù)，才能真正體現(xiàn)出該技術(shù)的優(yōu)勢[7]。在WAIM過程中，需要考慮的工藝參數(shù)比較多，如熔體注射量、水的注射速度、水的注射時間、壓力、溫度、延遲時間、保壓時間等[2]。這些工藝參數(shù)對成型制品的性能、外觀、尺寸都有影響。制品的壁厚、壁厚的均勻程度、氣泡孔隙等都是判斷WAIM工藝質(zhì)量的依據(jù)，因此在WAIM領(lǐng)域有不少人對其工藝參數(shù)展開研究。

袁知煥等[8]研究了工藝參數(shù)對聚丙烯(PP)/聚酰胺6(PA6)共混物WAIM管件和壁厚的影響。由正交試驗發(fā)現(xiàn)了外層壁厚、內(nèi)層殘余厚度會隨著熔體溫度、注水壓力等工藝參數(shù)發(fā)生變化，并且管件的拉伸強度和結(jié)晶度也會受成型的工藝參數(shù)影響。匡唐清等[9-10]研究了短射法和溢流注射法水輔助注塑的水穿透行為，指出了在短射法水輔助注塑的情況下，隨著熔體預(yù)注射量的增加、注水延遲時間的延長，水的一次穿透行為會發(fā)生變化。在溢流注射法水輔助注塑的情況下，注水壓力、注水溫度、注水延遲時間對于試樣殘余壁厚的影響，并指出了各工藝參數(shù)對于水穿透行為影響的先后次序。黃漢雄等[11]研究了水在熔體內(nèi)穿透形成的溫度場和應(yīng)力場，及其對制品高分子結(jié)構(gòu)形態(tài)的影響。劉旭輝等[12]研究了注水延遲時間、熔體溫度、注水壓力等參數(shù)對制品壁厚偏差率的影響。POLYNKIN A等[13]通過紅外傳感器測量氣泡孔隙從而推斷出注水壓力。PUDPONG T等[14]在WAIM的各種工藝加工條件下，研究不同形狀的幾何模型，其尖角對于靠近尖角的壁厚分布的影響，實驗采用了3種不同熔融指數(shù)的PP材料。AHMADZAI A Z等[15]研究了非結(jié)晶聚合物的WAIM工藝中，工藝參數(shù)對制品的水滲透性、部分空心制品特性(包括壁厚和制品半徑)和收縮率的影響。SANNEN S等[16]研究了不同工藝參數(shù)下WAIM的水滲透行為和產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)系，揭示了制品殘余壁厚和零件缺陷形成的機理，以及這些工藝和材料參數(shù)對參與壁厚和零件缺陷造成的影響。

3 新型WAIM技術(shù)

3.1 氣體-水輔助注射成型(GWAIM)

GAIM是在20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的一種技術(shù)[17]，而WAIM是在GAIM的基礎(chǔ)上形成的一種技術(shù)。水與氣體相比有著不可壓縮、熱容熱導(dǎo)大等特點，因此WAIM技術(shù)相較于GAIM技術(shù)而言，有著成型周期短、內(nèi)表面更光滑、壁厚更薄更均勻等優(yōu)點。但是WAIM技術(shù)適用材料少，并且制品壁厚不夠均勻，為了應(yīng)對WAIM技術(shù)的這種缺陷，研究者提出了結(jié)合上述2種技術(shù)的新工藝——GWAIM工藝。國內(nèi)外對于GWAIM的研究極少，王彥卿等[18]基于現(xiàn)有的研究基礎(chǔ)對GWAIM的過程、關(guān)鍵技術(shù)、優(yōu)點進(jìn)行闡述和探討。

GWAIM和GAIM的工藝過程基本相同，但是在注入氣體之后還要注入水進(jìn)行保壓冷卻。根據(jù)注氣前溶體是否充滿整個型腔，GWAIM也可以分為短射法和溢流注射法，其中短射法的過程示意圖見圖3。

(a) 注入熔體

GWAIM和WAIM相比具有以下獨特的優(yōu)點：

(1) 管件的成型質(zhì)量好。在WAIM和GAIM工藝中，沿著流動方向或者周向，都有著壁厚不均勻的缺陷，但在GWAIM工藝中，水作為第二項流體注入氣體穿透形成的空腔中，內(nèi)熔體尚未完全凝固的時候，受到水的繼續(xù)擠壓，能夠在在壁厚方向更加均勻。圖4為WAIM、GAIM、GWAIM 3種工藝生成的制品對比圖。

(a) GAIM

(2) 材料適應(yīng)性強。王彥卿等[18]分別用高密度聚乙烯(PE-HD)、PA6、聚苯乙烯(PS)、聚對苯二甲酸丁二酯(PBT)等常用材料進(jìn)行WAIM和GWAIM的對比實驗。結(jié)果表明：有些材料，如PA6、PS材料，使用WAIM成型較差，水穿透不穩(wěn)定，如使用GWAIM技術(shù)就能很好地改善這一狀況。除了通過實驗驗證GWAIM工藝的優(yōu)越之處，劉天等[19]也通過流體分析軟件，并基于二維軸對稱模型對直管制件進(jìn)行GWAIM工藝充填穿透過程的數(shù)值模擬進(jìn)行研究和分析，通過正交試驗分析得出注氣延遲時間是影響制件殘余壁厚的最主要因素。

3.2 水輔助共注射成型(WACIM)

WACIM是建立在WAIM和共注射成型的基礎(chǔ)上，將兩者優(yōu)點相融合的一種先進(jìn)工藝。工藝過程為將A、B 2種熔體按照先后順序注入模具型腔，然后注入高壓水冷卻并保壓，經(jīng)過一段時間后取出的制品具有雙層結(jié)構(gòu)[20]，具體的WACIM過程示意圖見圖5[21]。

(a) 短射法

WACIM能夠結(jié)合WAIM和共注射成型的優(yōu)點，以PP和PA6材料為例，研究發(fā)現(xiàn)，PP材料能夠很好的應(yīng)用于WAIM成型，但是PA6的WAIM工藝成型性較差。為此，在WACIM技術(shù)中，將PP/PA6復(fù)合型材料作為外層，將PP作為內(nèi)層進(jìn)行WACIM成型，既能保證良好的成型性能，又能保證良好的力學(xué)性能[8]。KUANG T Q 等[22]通過實驗研究了6種不同截面的腔體分別使用GACIM和WACIM工藝，其內(nèi)外層熔體黏度的差異對制品穩(wěn)定性的影響。

在數(shù)值模擬方面，鄧洋[23]借助計算流體動力學(xué)(CFD)流體分析軟件，基于二維軸對稱模型對圓直管件的WACIM過程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析工藝參數(shù)對其成型質(zhì)量的影響，并借WACIM實驗平臺進(jìn)行實驗驗證。采用正交試驗法發(fā)現(xiàn)制件總殘余壁厚和內(nèi)層殘余壁厚的主要影響因素是注水壓力和注水延遲時間。周凱[24]基于Flunet軟件平臺，通過數(shù)值模擬和實驗手段對彎曲管件的殘余壁厚進(jìn)行研究，基于流體輔助共注射成型(FACIM)實驗平臺，通過實驗對比了7種截面型腔的流體穿透率，探究了型腔截面對各層壁厚及各層穿透率的影響。

4 結(jié)語

多方法融合的新技術(shù)體系仍待發(fā)展。WAIM有冷卻快、制品性能好等優(yōu)點，但仍存在適配材料不多、入水口表面質(zhì)量不夠好等問題。目前已經(jīng)有類似GWAIM、WACIM等融合了其他技術(shù)的WAIM新型技術(shù)，但是在這方面的研究仍然處于探索階段。WAIM有著市場需求的推動，相信未來能夠融合其他各種新型的技術(shù)，不斷地發(fā)展和完善。

(1) 制品的工藝過程仍可進(jìn)一步優(yōu)化。隨著數(shù)值技術(shù)及仿真軟件水平的不斷優(yōu)化和發(fā)展，WAIM的工藝能夠得到更多的數(shù)據(jù)和理論支撐，隨著研究的推進(jìn)，WAIM工藝將能得到顯著的提高。

(2) WAIM逐漸應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，隨著人工智能與自動化的發(fā)展，WAIM設(shè)備在結(jié)合一些自動化及機電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，能夠融入人工智能系統(tǒng)，在工業(yè)生產(chǎn)中更高效地完成任務(wù)。

(3) 在節(jié)能環(huán)保領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。WAIM本身作為一種節(jié)約材料、可以提高生產(chǎn)效率的新型技術(shù)，并且其制品具有中空結(jié)構(gòu)，未來可能會朝著可降解、循環(huán)利用的方向進(jìn)一步發(fā)展?，F(xiàn)如今，綠色發(fā)展的理念深入人心，不少工廠在確保生產(chǎn)效率的同時會進(jìn)一步考慮節(jié)能環(huán)保，而WAIM作為一個近20年來快速發(fā)展的新技術(shù)，將會在節(jié)能環(huán)保領(lǐng)域不斷開拓應(yīng)用。