气辅注塑与水辅注塑，孰更实惠？

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气辅注塑技术作为一种成熟的技术，已经应用于工业上有多年了。一个重要的应用领域是生产厚壁塑件，例如手柄及类似产品。其它应用领域有板型件或其它具有局部加厚区的塑件。
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与之相比，位于德国亚琛的德国塑料加工研究所（IKV）公布水辅注塑技术的初步成果还只有六个年头。但是，这种技术一直快速发展着。在公布两年之后，一种早期用途—超市手推车被推出了。紧接着就是批量生产的手柄与截面积大的杆形塑件，也就是说，具有功能空间或流道的塑件越来越多地成为水辅技术的用武之地。
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巴顿菲尔以IKV完成的基础研究和其在气辅注塑技术领域的自身经验为基础，为水辅注塑开发出了早期的组合式生产系统。它由压力产生器、压力控制模块和控制装置所组成。而且，适应特殊要求的专用注射器组件也被开发出来。水辅注塑工艺从此证明适合于对表面质量具有特殊要求的厚壁外露件与对内表面要求高的功能件。巴顿菲尔拥有经销商标名为“Airmold”（气辅注塑）和“Aquamold”(水辅注塑)的两种产品。

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图1：巴顿菲尔的水注射组件，名为Aquamold

水相比氮气的优势
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气辅注塑与水辅注塑基于类似的工艺技术，对于相似类型的部件是有吸引力的。所以比较这两种工艺有着好理由：
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5 D% n, \- C1 a. @2 Z两种技术之间的差别在哪里？
工艺可以在什么时候被经济地利用？
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/ t) \: d( D0 N$ f2 [气辅注塑技术可以被用于生产杆型部件时减轻重量与周期时间。这是壁厚较小的结果，可以通过注入气体来获得，通常是氮气，也可以通过部件的快速冷却而获得。气辅注塑也有助于大幅降低或者完全消除平面塑件的壁厚区域、变形和皱缩痕迹，从而提高了塑件质量。锁模力减小的注塑机可以被经常地利用。

水的导热率约为氮气的40倍，热容量是4倍。除了普通模具冷却以外的注水会引起塑件的“内部冷却”，与气体相比，冷却时间缩短达70%。塑件达到所需脱模温度快出很多。水也是一种不可压缩和价廉的介质，获取量无限制。
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0 |: Z2 C1 K* T- d5 A5 E  L$ t: T. X  r用水而不用氮气，使模腔内表面质量要好出许多。研究表明，除了用上更大的部件尺寸以外，水辅注塑形成更均匀的壁厚，降低了残余壁厚。
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' j7 n' f% d$ h4 M; s水辅注塑与气辅注塑可以被用于不同的工艺方法中。它们在机器技术方面并无不同，但在模具设计与工艺控制上就有所区别了。水辅注塑是类似气辅注塑的两步过程，模腔部分或完全地被熔体填充。在第二步中，精选的注射水形成了空腔。在两种方法中，常见的变量是短射过程与满射过程。
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& G) T/ l* V# U( w2 ^水辅注塑的设备技术特色

水辅注塑装备（图1）的设计必须满足与气辅注塑相近的条件。这意味着多数工艺技术以气辅注塑为基础；但是，一些特色必须被考虑。从塑件上除水与除氮气相比要更为复杂。通过重力、压缩气体吹，可以完成塑件的“排水”。为了防止腐蚀，水一定不能与模具表面相接触。

水辅注塑需要极高的注水能力，确保壁厚分布均匀，表面质量高。为此，巴顿菲尔开发出了合适的压力控制模式。水压积累的装置在极高的流速之下运转，可以被用于达350bar的压力范围。为了把水注入到熔体中，必须利用截面积比气辅注塑大的注射组件，这对于水以足够速度和高体积流速渗透到熔体中是必不可少的。
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2 M# o# a- Z4 E5 r巴顿菲尔的水辅注塑压力生成装置被设计成独立式装置，能同时向多台注塑机提供压力。通过Unilog B4移动控制装置对水压调控组件进行控制。它们也可以被用在其它制造商出品的机器上。只需要一个界面。
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气辅与水辅的经济性对比
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& w2 j7 c. v8 T4 [& e+ D+ U在生产能起动之前，需要回答一些问题 ：应当哪种工艺，是气辅还是水辅？短射与溢流，孰更可取？为了对塑件的经济生产做出正确决定，必须观测什么重要普通条件？巴顿菲尔与科隆理工大学合作，利用试验性模具(图2)完成了一次特别的比较，比较了以下5种工艺：

▲ 传统注塑；
& q. i+ k4 D( }8 Y▲ 短射的气辅注塑；
1 d" C: R* d( m, |$ a# P" v▲ 溢流的气辅注塑；
, E% g6 s( a5 @/ ~" \1 l4 {& Q▲ 短射的水辅注塑；
▲ 溢流的水辅注塑。

& r+ S5 t5 k8 C4 S7 @传统注塑只是用作气辅与水辅相互比较的控制。

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图2：在比较性研究中应用的测试模具与对应的塑件

为了获得有意义的结果，有必要利用在所有工艺中都易于被处理的材料。然而，原材料制造商只是刚开始优化水辅注塑用到的材料。当由水辅注塑进行加工时，一些材料易于形成泡沫、缩穴或侧槽。其它困难还有水引起的开裂、空腔中的起泡与不可复制的部件性能。在一些玻纤填充材料中，玻纤可能会被洗除掉，导致粗糙的内表面（图3）。

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图3：水辅注塑工艺中材料对塑件品质的作用：从玻纤洗出
（a），侧流道的形成（b），与极光滑内壁（c）对比的发泡（d）

都能由气辅和水辅注塑成功处理的三种材料被相互比较：
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" F: O+ u$ o) Z: o■ 拜耳的PA66 Durethan BKV 30GH;
■ 杜邦的PBT Crastin T803；
■ 帝斯曼的PP。

* X% u: J6 \$ g2 G更高的采购成本、更低的原料消耗

6 m( @: R$ p# F: M2 J1 u塑件是在巴顿菲尔TM 4500/2800 Unilog B4注塑机上做成的，锁模力为4500kN。它装备有用于气辅与水辅注塑模式的界面。溢流过程需要两个额外用于夹板的抽芯阀，两个水辅注塑工艺都需要再多出一个抽芯阀用于注嘴板。两笔针对工艺的采购是压力生成器、各自压力控制组件、氮气与水注塑的组件。
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水辅注塑模具一般比气辅模具要贵。其原因是质量更高的钢材或硬化表面（坚固的镀镍层或氮化钛涂层对于保护水辅注塑模具不受腐蚀是必不可少的）。
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可行性研究假设操作时间为每天24小时，工作日数为300，系统利用率为90%.折旧期假定为8年。可变成本—人工、能源和其它成本（冷却水、清洁成本等等）—被包括在这个计算当中。在水辅注塑中，水的成本必须被加进去。氮气形成成本被考虑到工作采购价值与能源成本中。气辅与水辅注塑的采购成本比实心塑件的注塑要高出10万至14.5万欧元。

在短射工艺中，气辅注塑的采购成本比水辅注塑要低出一大截。这意味着气辅注塑工艺的临界生产量比水辅注塑工艺的这个值要低出5000±500单位。在特殊期间，例如对于聚酰胺材料的测试部件，气辅注塑的临界生产量是38206单位，水辅注塑是43203单位（图4）。计算以在针对各种材料的系列测试中获得的部件重量和周期时间为基础。因此，聚酰胺塑件作为实心注塑件的重量为224克，气辅注塑件为114克，而水辅注塑件仅为104克。

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. B: d3 C2 v7 i8 D+ p+ h& y图4：Durethan BKV 30 GH材料注塑件的生产成本，以塑件数量为基础

临界塑件数量取决于工艺与材料
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在对气辅与水辅注塑的直接比较中，在少于65000的生产量之后，短射的水辅注塑就为PA测试塑件带来赢利了。在这个过程中，材料价格对临界生产的绝对数量起着重要影响。对于被测材料中最便宜的PP来说，水辅注塑与实心塑件注塑的临界生产量为75000。

在溢流工艺中，成本情况是不同的。对于所有三种材料来说，水辅注塑所制塑件的生产成本在气辅注塑件的成本之下（图5，以PP为例）。主要原因之一是利用溢流的气辅注塑需要许可证费用。因生产能力较高，水辅注塑的可变成本比气辅注塑的较低，所以在许多情况下利用水辅注塑是值得的。溢流工艺的临界生产量比短射工艺的临界生产量要高得多。整体的较高采购成本意味着材料价格对塑件成本没有很大的作用。

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6 O& k- O, B/ m6 n: H) V7 ~, B5 w图5：自然色的帝斯曼PP材料注塑件与生产量有关的制造成本

展望：水辅注塑技术是对气辅注塑技术的理想补充。水辅注塑的优势包括残余壁厚的分布更好更均匀、冷却时间缩短。而且，水辅注塑的专利情况更为一目了然。在经济观点来说，水辅注塑工艺比气辅注塑更为经济，因为它不涉及到许可证费用。如果利用了短射工艺，更为经济的工艺就完全由生产量和材料所决定了。

4 g  G! J- k( {8 S, T* N0 K7 {# i然而，为了充分利用这个优点，有必要收集加工影响因素的更多信息，优化新应用的注射器技术（图6）。针对水辅注塑的特殊要求，由原材料制造商来对他们的产品等级进行调整。

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图6：巴顿菲尔进行了成功测试的新型注水器

不是每个塑件都能直接由气辅注塑直接转换到水辅注塑。必须以个案为基础检查它是否合适与可行。有必要一直考虑注水器的位置与是否所用聚合物适用于水辅注塑。但是，水辅注塑具有可观的潜力，因为此工艺能生产出由实心塑件注塑或气辅注塑都不能做出来的塑件。

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图7：工艺示意图

水辅注塑的变量

" k4 o% @( g; g9 \) W, x短射工艺: 在第一步中，模腔只是被熔体部分填充。通过注射，由注入到熔体中的水在第二步中完成剩下的填充与保压步骤。开模之前水压被降低，水从塑件中被排出。
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. H; Q3 x9 h' G4 c  Z' F1 e溢流与熔体回推过程: 在两个吹出过程中，模腔首先被熔体完全填充。在第一步中，随着注水的开始，一个或更多的侧边模腔因为熔体过量而被打开。在第二个情况中，熔体被推回到螺杆前面的空间中。

回注: 在不同时候两个或更多注射器打开，使塑件被水回注，以实现冷却。氮气或压缩气体被用来吹出水。
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5 K/ l7 Z9 n- @与短射过程相比，吹出过程具有塑件可复制度更佳的优点。在塑件表面上也没有工艺转变的痕迹。但是因为溢流过程，侧腔的区域必须与脱模后的部件被机械式地分开。熔体回推过程需要对注射水进行极为精确地定量加入，或者需要应用截断注嘴。塑件内部的永久性换水能实现回注过程的冷却时间缩短达到最大。