水辅注射成型（WAIM）是在气体辅助注射成型（toubai
GAIM）的基础上发展起来的一种新兴的注射成型工艺。尽管早在20世纪70年代就有人提出将流体注入聚合物熔体中成型中空制件的概念，但水辅注射成型技术真正兴起始于1998年，在著名的德国亚琛理工大学塑料加工研究中心IKV召开的技术研讨会上发表的一篇水辅注射技术研究报告中首次提出了这一新兴的成型技术[1]。与GAIM相比，WAIM具有诸多优点，比如它具有较短的生产周期、较便宜的冷却介质和较小的制品壁厚等， 并且还可以生产内壁非常光滑的塑料制品，因此WAIM现已越来越受到重视。 一、水辅助注射成型原理
水辅注射成型是利用升压装置产生高压水，经喷嘴将高压水注射到已部分预先填充熔体的型腔内，利用水的压力将熔体前推充满型腔。水的前沿像一个位移柱塞那样作用在制件的熔融芯上，从水的前沿到熔体的过渡段，固化了一层很薄的塑料膜，它像一个高粘度的型芯，进一步推动聚合物熔体，从而形成空心体[4]。最后利用重力或压缩空气将水从制件中排出，冷却脱模后获得制品。
其成型过程一般概况为三个阶段：熔体充填，水的注入，水保压与冷却[3]。如图1所示。
（a） 人机交互设备（b） （c）
（a）熔体充填（b）水的注入（c）水保压与冷却
图1 水辅助注射成型原理图
二、水辅助注射成型工艺
与气辅注射成型类似，水辅注射成型工艺一般分为4种，如上所示。各种工艺方法优缺点比较，如下表1所示。
表1 四种成型工艺的比较
工艺方法 | 优点 | 缺点 |
欠注法 | 没有废料，水的入口和出口可以是同一个口，从而使模具的设计相对简单，可用来成型较大壁厚的零件 | 各种工艺条件的控制严格，必须要做到精确控制，注水时间过早或过晚都会影响制件质量 |
反推法 | 没有废料，能得到优质表面 | 需要一个特制的喷嘴和一个止逆环来调节返回的材料进入注射单元，还要一套独立的空气和水传送系统 |
溢流法 | 螺钉加工 可以得到优质表面，所需水压也比欠注法低很多，成型工艺接近常规注射方法，应用范围广 | 产生较多废料，造成原材料的浪费，制品还需去除凝料的后续工作 |
流动法 | 节省材料，冷却效率高 | 制品的顶部有缺陷 |
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单水合肼三、水辅助注射成型工艺的优缺点
1 优点
（1）水辅注射成型工艺可以显著缩短工件冷却时间从而大大缩短成型周期。这是WAIM的最大优点。水辅注射成型是将一定温度（10~80℃）的高压（30MPa）水注入模腔内熔体的芯部，因此水可直接从制品壁厚的芯部对制品进行冷却，而且这种冷却是随着制品形状由内到外均匀作用的，冷却充分。研究表明，水辅助注射成型的冷却循环时间只有气体辅助成型的25%，甚至更低[5]。
（2）利用水辅注射成型塑料制件时，与气辅注射成型最大的差别在于气体是可压缩的，而水不可压缩。当水被注入熔体之后，在水的流动前沿形成一层均匀的高粘性隔膜，由于其具有高粘性和不可压缩性，使得这层高粘性隔膜就像活塞一样可以推动聚合物熔体向前流动。因此采用水辅注射成型技术能够生产厚的壁厚均匀的制件以及薄壁、带加强筋等类型的制品[1]。
（3）气体在聚合物熔体内流动时容易分叉，会产生一些不可预料的结果，如指状效应等，
这使得气辅注射成型过程往往很难控制，制件质量不稳定，壁厚均匀性差。而水辅注射成型则可克服这一缺点，得到壁厚均匀、尺寸稳定性好的制件，而且具有可重复性，从而简化制品的设计。
（4）在水辅注射成型过程中，对模具并不需要用太大的夹紧力，利用该技术即使在低压成型设备上也可用来生产大型制件。与成型实体零件相比，水辅注射成型可以消除制品熔接痕，降低生产周期[1]。
（5）气体在聚合物熔体内流动时容易分叉，会产生一些不可预料的结果，如指状效应等，这使得气辅注射成型过程往往很难控制，制件质量不稳定，壁厚均匀性差。水辅注射成型技术不但能生产出均匀的薄壁制品，从而节省了材料，拓展了注射成型的应用范围，而且水辅注射成型能在零件内部产生平滑的内表面，使注射成型相对于吹塑成型有了更强的竞争力。
（6）由于水辅注射成型利用水当介质，取得较容易也较氮气便宜，且可循环使用，因此可以降低生产成本。
2. 缺点
（1）水辅注射成型需要一个相对比较大的注水孔，从而使水针的防熔体倒流的设计更加复杂。
（2）模具既要设计排水机构，还要解决漏水问题，一旦发生水的泄露或溅射到模具上，会影响制品的成型质量，从而使得模具的设计较为复杂。
（3）当制品弯曲程度较大时，排水比较困难。
四、WAIM的研究概况
WAIM由于有新的参数引入，使得工艺的实现比较复杂，一般的研究都还集中在水穿透长度、残留层厚度分布及其均匀性的数值模拟方面，特别是有关WAIM制品的形态结构的研究，国内的研究成果还不是很多。
1. 国外方面
WAIM技术的研究大部分都是在欧洲，，德国亚琛理工大学塑料加工研究中心IKV的Tim Juentgen和Oliver Groenlund合作开发了一项水辅注射成型新技术，可以生产复杂的中空
制件，目前只适用于加热固性塑料，但IKV公司正致力于热塑性塑料如PP、PBT、尼龙及SEBS的性能测试。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/水辅注射的充填行为和残留壁厚，预测流体泡前沿流动的速度[2]。
而设备的生产厂家几乎都在北美地区。Alliance Gas System公司、Cinpres Gas Injection公司、Maximator公司和PME公司等4家可以独立提供水辅注射成型设备。美国Alliance Gas Systems公司最新推出了HMP-3型多功能全自动Hydrojection水辅注塑机，可用于水辅注塑和气辅注塑，该设备主要采用压缩空气排水，水的注射压力可达35MPa，通常为6.9~20.7MPa[1]真空注型机。Maximator公司提供的水压系统可以提供23L/min的流量，压力高达50MPa。水压可分为10个档调整，提供弹簧预压喷嘴，这种喷嘴由液压开启而由弹簧力关闭[2]。
2. 国内方面
华南理工大学黄汉雄等自主研发了一套水辅助注塑设备以及新型喷嘴，并通 过实验法研究短射法成型聚丙烯弯管时，主要工艺参数对制品水穿透长度和沿水道的残留壁厚以及聚合
物结晶的影响。2008年黄汉雄等采用Taguchi正交实验设计方法和S—N信噪比及ANOVA方差分析确定了实现水穿透长度最大的实验最佳工艺参数。台湾长庚大学Liu Shih-jung等[2]自主研发一整套水辅助注射成型的设备，并采用可视化技术，采用正交试验和信噪比分析，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，得到了最佳工艺参数，并与气辅注射进行比较。
台湾R-Y.Chang研究了考虑工艺条件和材料特性耦合影响条件下的熔体流动特性，得到了数值方程，并对注射过程进行了模拟，结果与实验基本吻合。
曲杰等[10]根据水辅注射成型应用短射法成型中空圆管制品的聚合物熔体流动的基本特征，把水辅注射成型充模阶段聚合物熔体流动行为简化为等温条件下幂律流体的稳态流动，应用流体力学理论，对圆管水辅注射成型中影响制件壁厚的因素进行分析。结果表明：制件的壁厚主要由水与熔体界面处的压力梯度和熔体前端压力梯度的比值确定，同时制件壁厚也受熔体的流变性能影响。
五、存在的问题及研究方向
对水辅注射成型的研究，国内起步较晚，尤其是数值模拟和有关WAIM制品形态结构的研究还比较少。WAIM主要在以下方面还有待作进一步研究：
1. 如何精确控制好水温、水压、水的流动速率、注水位置及方式，是要解决的首要问题。水温的高低、流动速率的快慢直接影响熔体与水的热交换，从而影响其冷却速率和成型周期。同时，控制高压水的有效密封和高效排出也是一个大难题。
2. 用于水辅注射成型的材料范围远不如气辅注射成型的广泛。所以，研发、拓宽能使用水辅注射成型技术的材料类型也是一热点。
3. 水辅注射成型适应性的研究。要利用各种不同高分子材料对其工艺特性、结构特性、表面质量的基础研究、控制系统进行系统的研究，以获得必要的技术资料。
4. 注射成型中熔体的充填流动机理有待进一步研究，要研究综合考虑工艺条件、材料特性和冷却等耦合影响下的熔体流动特性，并建立合理的数学物理模型。同时，还要注重数值模拟软件的开发，研制出适于商业应用的模拟软件。
参考文献
[1] 孙玲，刘东雷.水辅注射成型技术综论.工程塑料应用.2006，34（9）
[2] 熊爱华，柳和生，黄兴元，赖家美.新兴注射成型技术——水辅助注射成型.塑料.2009，38（5）
[3] 贾振华，郑国强，郝晓琼.水辅注射成型技术的特点及研究进展.现代塑料加工与应用.2009，21（5）
[4] 郑建华，翟金平，周南桥.水辅助注射成型技术研究进展.工程塑料应用.2003，31（7）
[5] 于同敏，李坤缘114.水辅助注射成型技术的发展与应用.模具工业.2004，5
[6] 宋满仓，王敏杰，赵丹阳.水辅助注射成型技术的发展.塑料科技.2004，1
[7] R-Y.Chang，S-J.Liu. The Investigation of Flow Behavior Of Polymeric Melts in the Water Assisted Injection Molding.2007
[8]
[9] S.-J. Liu.Water Assisted Injection Molding: A Review. Journal of International Polymer Processing. 2009，24（4）
[10]曲杰，黄汉雄. 水辅助注塑制件壁厚分析. 高分子材料科学与工程.2008，24（7）
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