水輔助注射成型工藝及其技術(shù)進(jìn)展

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(jī)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(xiàng)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(diǎn)，所以WAIM除了有GAIM節(jié)省原料、降低鎖模力、縮短循環(huán)時(shí)間、減小翹曲內(nèi)應(yīng)力等優(yōu)點(diǎn)外[1]，還能成型較大直徑的制品，進(jìn)一步縮短模具冷卻時(shí)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(chǎng)上也有著巨大的應(yīng)用潛力。筆者主要介紹了WAIM的工藝過(guò)程及工藝參數(shù)，就近些年來(lái)其工藝參數(shù)及一些新技術(shù)展開(kāi)概括與論述，并對(duì)今后WAIM技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

1 WAIM的工藝過(guò)程及方法

1.1 WAIM裝置和過(guò)程

WAIM的工藝離不開(kāi)它的系統(tǒng)，一般來(lái)說(shuō)WAIM的整個(gè)系統(tǒng)由注塑機(jī)、模具、注水系統(tǒng)和檢測(cè)系統(tǒng)組成。WAIM的流程見(jiàn)圖1[3]。

圖1 WAIM流程示意圖

該技術(shù)工藝過(guò)程與普通的注射成型相比，增加了加水保壓的階段，具體來(lái)說(shuō)，其加工周期主要由5個(gè)步驟組成：(1) 注射塑料熔體；(2) 注入水以推動(dòng)塑料熔體型芯；(3) 保持水壓；(4) 釋放壓力，通過(guò)重力或者壓縮空氣將水排出；(5) 開(kāi)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(dòng)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(mǎn)型腔。短射法具有模具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，充模時(shí)不用充滿(mǎn)等優(yōu)勢(shì)，但短射法有著明顯的缺點(diǎn)，即在成型制品的表面會(huì)產(chǎn)生注水噴頭的標(biāo)記；而溢流注射法通過(guò)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]?；亓髯⑸浞▌t是在熔體完全充滿(mǎn)型腔后，打開(kāi)熔體末端的水閥，推動(dòng)多余熔體回流進(jìn)料筒的成型，該方法優(yōu)點(diǎn)是沒(méi)有材料殘?jiān)?，但?duì)工藝要求比較高。流動(dòng)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(shí)可能會(huì)造成制品的表面缺陷[5]。4種方法的成型方法見(jiàn)圖2[6]，具體優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表1。

(a) 溢流注射法

表1 4種注射成型方式的優(yōu)缺點(diǎn)

2 WAIM過(guò)程的工藝參數(shù)

WAIM雖然有著諸多優(yōu)點(diǎn)，但它在應(yīng)用過(guò)程中還存在著一些關(guān)鍵的問(wèn)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(shì)[7]。在WAIM過(guò)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(shí)間、壓力、溫度、延遲時(shí)間、保壓時(shí)間等[2]。這些工藝參數(shù)對(duì)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(duì)其工藝參數(shù)展開(kāi)研究。

袁知煥等[8]研究了工藝參數(shù)對(duì)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(yàn)發(fā)現(xiàn)了外層壁厚、內(nèi)層殘余厚度會(huì)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(qiáng)度和結(jié)晶度也會(huì)受成型的工藝參數(shù)影響?？锾魄宓萚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(shí)間的延長(zhǎng)，水的一次穿透行為會(huì)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(shí)間對(duì)于試樣殘余壁厚的影響，并指出了各工藝參數(shù)對(duì)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(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)，及其對(duì)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(shí)間、熔體溫度、注水壓力等參數(shù)對(duì)制品壁厚偏差率的影響。POLYNKIN A等[13]通過(guò)紅外傳感器測(cè)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(duì)于靠近尖角的壁厚分布的影響，實(shí)驗(yàn)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(duì)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(jī)理，以及這些工藝和材料參數(shù)對(duì)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(lái)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(diǎn)，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(diǎn)。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(duì)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(guó)內(nèi)外對(duì)于GWAIM的研究極少，王彥卿等[18]基于現(xiàn)有的研究基礎(chǔ)對(duì)GWAIM的過(guò)程、關(guān)鍵技術(shù)、優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行闡述和探討。

GWAIM和GAIM的工藝過(guò)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(mǎn)整個(gè)型腔，GWAIM也可以分為短射法和溢流注射法，其中短射法的過(guò)程示意圖見(jiàn)圖3。

(a) 注入熔體

GWAIM和WAIM相比具有以下獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：

(1) 管件的成型質(zhì)量好。在WAIM和GAIM工藝中，沿著流動(dòng)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(xiàng)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(shí)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(duì)比圖。

(a) GAIM

(2) 材料適應(yīng)性強(qiáng)。王彥卿等[18]分別用高密度聚乙烯(PE-HD)、PA6、聚苯乙烯(PS)、聚對(duì)苯二甲酸丁二酯(PBT)等常用材料進(jìn)行WAIM和GWAIM的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。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(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證GWAIM工藝的優(yōu)越之處，劉天等[19]也通過(guò)流體分析軟件，并基于二維軸對(duì)稱(chēng)模型對(duì)直管制件進(jìn)行GWAIM工藝充填穿透過(guò)程的數(shù)值模擬進(jìn)行研究和分析，通過(guò)正交試驗(yàn)分析得出注氣延遲時(shí)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(diǎn)相融合的一種先進(jìn)工藝。工藝過(guò)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(guò)一段時(shí)間后取出的制品具有雙層結(jié)構(gòu)[20]，具體的WACIM過(guò)程示意圖見(jiàn)圖5[21]。

(a) 短射法

WACIM能夠結(jié)合WAIM和共注射成型的優(yōu)點(diǎn)，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(guò)實(shí)驗(yàn)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(duì)制品穩(wěn)定性的影響。

在數(shù)值模擬方面，鄧洋[23]借助計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)流體分析軟件，基于二維軸對(duì)稱(chēng)模型對(duì)圓直管件的WACIM過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析工藝參數(shù)對(duì)其成型質(zhì)量的影響，并借WACIM實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。采用正交試驗(yàn)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(shí)間。周凱[24]基于Flunet軟件平臺(tái)，通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)手段對(duì)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比了7種截面型腔的流體穿透率，探究了型腔截面對(duì)各層壁厚及各層穿透率的影響。

4 結(jié)語(yǔ)

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(diǎn)，但仍存在適配材料不多、入水口表面質(zhì)量不夠好等問(wèn)題。目前已經(jīng)有類(lèi)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(chǎng)需求的推動(dòng)，相信未來(lái)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(guò)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(dòng)化的發(fā)展，WAIM設(shè)備在結(jié)合一些自動(dòng)化及機(jī)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(lái)可能會(huì)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(shí)會(huì)進(jìn)一步考慮節(jié)能環(huán)保，而WAIM作為一個(gè)近20年來(lái)快速發(fā)展的新技術(shù)，將會(huì)在節(jié)能環(huán)保領(lǐng)域不斷開(kāi)拓應(yīng)用。