水辅助注射成型技术简介

水辅助注射成型技术的发展及应用

鲁贵祥

(郑州大学力学与工程科学学院，河南郑州，450001)

摘要：介绍了水辅助注射成型技术的发展过程、原理及研究现状。并对水辅助注射成型技术的仿真研究和实验研究进行简单的总结。最后，对水辅助注射成型技术的难点、不足及研究方向进行了展望。

关键词：水辅助，仿真，实验，原理

0 引言

塑料加工技术先后依次经历了注射成型、注射压缩成型、气体辅助注射成型和液体辅助注射成型，其中前三种技术已经发展的相当的成熟。液体辅助注射成型技术是最近几年新型的技术，其中液体大多数情况下是指的水，因此也叫水辅助注射成型。水辅助注射成型概念的提出可以追溯到上世纪70年代，但由于当时的技术条件达不到水辅助注射成型所需的技术条件而转为发展气体辅助注射成型，气体辅助注射成型在发达国家的塑料制品生产的技术已经非常的成熟，但是由于气体在注射成型的过程中经常会出现穿透熔体和发泡现象，且经常会造成制品表面有收缩痕迹及内表面粗糙等缺点，而且气体辅助注射成型技术的成型周期长，而且气体的储存和高压设备及其昂贵，使得生产成本较高，生产效率较低。近年来随着技术的逐渐进步，原先水辅助注射成型所需的技术条件完全能达到，因此水辅助注射成型技术又重新获得了重视。水辅助注射成型技术具有生产周期短、注射压力低、制品的翘曲变形小、表面质量好以及容易加工壁厚差异较大的制品等优点。

1 水辅助注射成型技术

1.1 水辅助注射成型技术原理

水辅助注射成型技术是利用增压器或空气压缩机产生高压水，经过喷嘴将高压水注射到已预先部分填充熔体的型腔内，利用水的压力将熔体前推充满型腔，水辅助注射成型过程可以分为三个阶段：聚合物的部分填充、注入水及水的保压和冷却。

1.2 水辅助注射成型技术的成型方法

与气体辅助注射成型过程类似，水辅助注射成型过程有4中方法：1）短射法、2）返流法、3）溢流法、4）流动法

（1）短射法：其工艺过程是先将塑料熔体部分注入型腔内，其次是水的注入，然后再注入剩余的熔体，推动塑料熔体到达型腔的末端并进行保压，通过各种阀门的控制注射的熔体和注射的水的流动。排水阀打开使水可以排出制品之外。这种方法被认为是制造较厚零件的最好方法，此法没有废料，水的入口和出口可以是一个口。但是缺点是要求必须精确控制：如先期注入的熔体太少，可能会导致水冲破熔体进入磨具型腔；水的注射压力必须比熔体的注射压力大，这样才能把熔体推到型腔的末端；熔体注射和水的注射的阀门会在制品上留下痕迹，难以得到优质的表面，而且熔体在最后容易形成一个可能延长成型周期的较厚截面。（2）返流法：首先将熔体完全充满型腔，其次打开设在熔体流动末端的注水孔，水把那些过多的熔体排挤回注射机料筒的头部空间，这种方法的优点是没有废料，能得到优质的的表面。但是缺点是需要一个特别的喷嘴和一个止水环，用来调节返回的材料进入注射单元且不允许水穿透到注射机料斗的前端。同时返流回来的熔体与注射料筒原有的熔体存在温度和压力的差异，这将会影响下一次注射的制品质量。该方法需要独立的空气和水传送系统。

（3）溢流法：首先模具的型腔被熔体完全充满并有一个阀门封闭。然后一个独立的注水孔开启，同时在型腔末端的阀门开启，从而开设一条由主型腔到辅助型腔或称为溢流腔的路径。推进到辅助型腔的熔体被新来的水所取代，溢流腔阀门关闭进行保压。水通过重力或蒸发被排出。这种方法同样可以获得优质表面的制品，但是脱模后制品及溢流腔需增加修整、清理与切除多余材料的工序。

（4）流动法：这是短射法与溢流法的结合。合成时先对模腔进行欠量的熔体注射，然后向模腔内的熔体芯部注入水，水推动熔体向前流动充满模腔，打开模腔端部的控制阀，水流穿透熔体前锋面的固化膜通过型腔末端的控制阀，流回到供水系统回路，这种方法节省原料，同时水从制品芯部流向循环回路，增加冷却速率。但是制品的出水口处会产生缺陷。

1.3 水辅助注射成型技术仿真研究

水在穿透过程中涉及前端流体的流动，大多数数学模型仿真研究是基于Hele-Shaw的基本原理，将聚合物熔体视为广义牛顿流体，考虑七参数的Cross-WLF黏度模型建立起水辅助注射成型充模过程的数学模型。华东交通大学机电工程学院的匡唐清，周建源，熊国良等人建立了三维薄壁塑件的水辅助注射成型充模过程的数学模型，采用有限元/有限差分/控制体积法求解。对薄壁平板塑件的水辅助注射成型充模过程进行了模拟，模拟得到的熔体前沿位置与前人实验结果吻合较好，浇口压力的变化、水的厚度分布及平均温度分布合理，验证了所建立的模型和采用的数值模拟方法的有效性。浙江大学流体传动及控制国家重点实验室和中国船舶重工集团第七〇七研究所九江分部的张增猛，周华，高院安及杨华勇是基于现有气体辅助注射成型充模流动模型、非定常流场数学方程和湍流模型，突破未考虑高雷诺数水相区湍流特性、小尺度薄壁建模、初始化壁厚人为影响以及未考虑熔体前沿喷注效应等局限，建立了水辅助注射成型充模流动的仿真模型。比较湍流模型，分析了水辅成型多相分层流动界面不稳定现象。针对主要工艺控制参数进行仿真分析。

1.4 水辅助注射成型技术的研究及应用

在技术方面，德国亚琛大学塑料加工中心IKV研发的水辅助注射成型可通过注射活塞、蓄压器或液体泵进行，采用组合式结构，制造费用低，按零件尺寸大小，可连接多达3台的液压泵，水由一台温度可控的水蓄压器供应。华南理工大学黄汉雄等自主研发了一套水附属注塑设备以及新型喷嘴，病通过实验法研究短射法成型聚丙烯管时，主要工艺参数对制品水穿透长度和沿水道的残余壁厚以及聚合物结晶的影响，获得最佳的工艺参数。在相同的工艺参数下，分别采用孔型喷嘴和自锁式喷嘴，比较了弯曲圆管制品的参与壁厚及其偏差率。发现自锁式喷嘴成型壁厚更小，同时壁厚偏差更均匀。台湾长庚大学Liu Shih-jung等自主研发了一套水辅助注射成型设备，并采用可视化技术，采用正交实验和信噪比分析，研究多种工艺参数对不同聚合物材料水辅助注射成型性能以及制品性能的影响，得到最佳的工艺参数，并与气辅注射成型进行比较。并且分别使用了材料为PP和PS的变截面圆管，研究了孔型，环形水针和气针对中空率和壁厚偏差率的影响。发现高压高流率环形水针中空率大，壁厚偏差均匀；低压低流率孔形水针易出现不规则穿透，成型质量较差。同时还研究了含不同玻璃纤维的PP材料、工艺参数、水道的几何形状和尺寸对指形化大小的影响，并对比了水辅和气辅的指形化现象。实验发现，水辅助注射成型比气体辅助注射成型指形化缺陷更严重，影响指形化的主要参数有水压、延迟时间和短射量。通过降低熔体、模具、水的温度和水压，提高延迟时间和熔体注射量，采用具有大的高厚比、半圆形或矩形水道可减少指形化缺陷。M ichaeli W ater等研究了水辅注射与气辅注射相比的优越性关键技术。2007年L Mulvaney-johnson等采用集成的超声传感器系统实时观测研究了气辅和水辅注射的充填行为和残余壁厚，预测流体泡前沿流动的速度，并进行；实验验证，结果十分吻合。