王金科 項(xiàng)長生

(1.甘肅建投建設(shè)有限公司,甘肅 蘭州,730050；2.蘭州理工大學(xué),甘肅 蘭州,730050)

注塑是高分子材料最常用的成型方法之一,具有成型周期短、生產(chǎn)效率高、材料適用性廣、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)[1]。隨著模擬與仿真技術(shù)的發(fā)展,研究者將田口方法(Taguchi)設(shè)計(jì)、析因設(shè)計(jì)、響應(yīng)面(RSM)、遺傳算法(GA)、粒子群算法、人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)(ANN)等多種優(yōu)化方法用于注塑過程的仿真模擬研究[2-7],極大地提高了注塑效率及產(chǎn)品質(zhì)量。析因設(shè)計(jì)是一種多因素交叉分組設(shè)計(jì)方法,可以判斷影響顯著的主因素、交互作用,還能獲得目標(biāo)與注塑工藝參數(shù)的函數(shù)關(guān)系,對于注塑過程的優(yōu)化具有重要意義。

以下從注塑產(chǎn)品外觀與質(zhì)量、力學(xué)性能、熔體充模流動(dòng)、收縮與翹曲這4個(gè)方面出發(fā),總結(jié)了近年來析因設(shè)計(jì)在高分子材料注塑過程中的研究進(jìn)展,并對該領(lǐng)域可能的研究方向進(jìn)行了展望。

1 析因設(shè)計(jì)簡介

作為一種基于正交設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方法,析因設(shè)計(jì)分為全析因和半析因設(shè)計(jì)。析因設(shè)計(jì)包括:首先根據(jù)正交原則進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)；然后基于方差分析對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理,根據(jù)計(jì)算的t(學(xué)生式t檢驗(yàn)值,t值大于臨界值則不拒絕原假設(shè))和P值(原假設(shè)為真實(shí)樣本觀察結(jié)果的概率,P值越小,說明原假設(shè)發(fā)生的概率越低),判斷影響顯著的主效應(yīng)和交互效應(yīng)；最后基于多項(xiàng)式擬合可以得出目標(biāo)與因素的回歸方程,從而得出最優(yōu)的操作條件。

2 析因設(shè)計(jì)在注塑過程中的研究進(jìn)展

2.1 外觀與質(zhì)量

W?hner T等[8]研究了薄膜內(nèi)嵌模壓過程中氣泡的形成原因,發(fā)現(xiàn)溫度是最重要的影響因素,提高模具溫度或機(jī)筒溫度都可以降低氣泡高度、減少氣泡面積。Pablo G R等[9]采用全析因設(shè)計(jì)分析了質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%滑石粉填充的聚丙烯(PP)汽車內(nèi)飾注塑件表面隨機(jī)紋理的復(fù)制質(zhì)量與注塑工藝的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)保壓壓力的影響最顯著,其次是熔體溫度和模具溫度,且熔體溫度和模具溫度有交互效應(yīng)。在最優(yōu)注塑條件下,內(nèi)飾注塑件紋理的復(fù)制比可以達(dá)到(84.6±7.7)%。

Tsai K M等[10]3采用全析因設(shè)計(jì)研究了模具溫度、冷卻時(shí)間、保壓壓力和保壓時(shí)間這4個(gè)注塑因素對光學(xué)鏡片形狀精度的影響,發(fā)現(xiàn)最佳工藝為模具溫度85℃、冷卻時(shí)間25 s、保壓壓力110 MPa、保壓時(shí)間7 s。Loal di D等[11]采用注射壓縮成型(ICM)制備了環(huán)烯烴聚合物和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)菲涅耳光學(xué)透鏡,對比了ICM與傳統(tǒng)注塑方式對透鏡微觀結(jié)構(gòu)的復(fù)制效果,發(fā)現(xiàn)保壓和壓縮之間存在交互效應(yīng)。

Kaz mer D等[12]研究了熔體壓力閥對PP熱流道注塑過程中注塑件質(zhì)量穩(wěn)定性的影響,發(fā)現(xiàn)不采用壓力閥時(shí),對質(zhì)量穩(wěn)定性影響最大的因素是保壓壓力,注塑件質(zhì)量偏差為±0.017 2 g；當(dāng)采用開環(huán)控制的壓力閥后,注塑件質(zhì)量偏差為±0.004 5 g,當(dāng)采用閉環(huán)控制的壓力閥后,注塑件質(zhì)量偏差則為±0.005 9 g。

Sha msuzza man M等[13]采用雙指數(shù)權(quán)重移動(dòng)平均方法在線監(jiān)控注塑過程中的偏差,并采用23全析因設(shè)計(jì)和敏感性分析對其有效性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

最近,部分研究者將析因設(shè)計(jì)與其他方法相結(jié)合,對注塑產(chǎn)品的質(zhì)量進(jìn)行優(yōu)化。Tsai K M等[10]4將Taguchi設(shè)計(jì)、析因設(shè)計(jì)、RSM、ANN和GA相結(jié)合,建立了一個(gè)光學(xué)鏡片注塑工藝的逆模型。

2.2 力學(xué)性能

Navidfar A等[14]采用全析因設(shè)計(jì)研究了碳納米管(MWCNT)含量、注射溫度、保壓壓力對PMMA/M WCNT共混物力學(xué)性能的影響,發(fā)現(xiàn)MWCNT含量、注射溫度、保壓壓力對材料屈服強(qiáng)度的影響顯著,注射溫度和MWCNT含量的交互效應(yīng)影響顯著；M WCNT含量和保壓壓力對材料斷裂伸長率的影響顯著。

Mut huraj R等[15]采用全析因設(shè)計(jì)研究了注塑工藝對聚己二酸/對苯二甲酸丁二醇酯/聚丁二酸丁二醇酯/芒草纖維(PBAT/PBS/芒草纖維)三元共混物沖擊強(qiáng)度的影響,發(fā)現(xiàn)纖維長度對共混物沖擊強(qiáng)度的影響最顯著。

Zaverl M等[16]以聚對苯二甲酸丙二醇酯/聚對苯二甲酸丁二醇酯(PTT/PBT)為核、PBS/PBAT為殼層材料,采用半析因設(shè)計(jì)研究了注塑工藝對注塑件力學(xué)性能的影響,發(fā)現(xiàn)改變核和殼層材料比例會(huì)顯著影響PTT/PBT共混物的沖擊強(qiáng)度,隨著韌性好的殼層材料PBS/PBAT比例的增加,注塑件沖擊強(qiáng)度從56 J/m提高到450 J/m。

Da miani R A等[17]采用全析因設(shè)計(jì)研究了玻璃纖維含量和模具溫度對尼龍6/玻璃纖維/蒙脫土(PA6/GF/MMT)三元共混物力學(xué)性能的影響,發(fā)現(xiàn)模具溫度和玻璃纖維含量與共混物最大拉伸應(yīng)力和彎曲應(yīng)力之間存在正相關(guān)性,為主要影響因素。

Jan B G等[18]采用半析因設(shè)計(jì)研究了高密度聚乙烯(HDPE)和三元乙丙橡膠(EPDM)雙注塑過程中注塑工藝對注塑件界面強(qiáng)度的影響,發(fā)現(xiàn)界面模具溫度的影響最顯著,增加模具溫度有利于提高注塑件的界面強(qiáng)度。

2.3 熔體充模流動(dòng)

Zhiltsova T V等[19]采用全析因設(shè)計(jì)研究了厚度變化的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)和PP板材在注塑過程中熔體流動(dòng)情況,發(fā)現(xiàn)模具溫度是影響熔體流動(dòng)最重要的因素,板材厚度越薄影響越顯著。為了提高ABS薄壁塑料件的充模效率,Ada m A等[20]采用超聲對注塑過程進(jìn)行強(qiáng)化,基于全析因設(shè)計(jì)研究了ABS成型過程中熔體流經(jīng)狹窄截面的流變行為,發(fā)現(xiàn)間隙的影響最大,其次是注射溫度、超聲強(qiáng)度。

2.4 收縮與翹曲

Po merleau J等[21]采用全析因設(shè)計(jì)研究了保壓壓力、注射速率對3種壁厚(均勻厚度、均勻變化厚度和不對稱變化厚度)的PP注塑件尺寸收縮情況的影響。發(fā)現(xiàn)由于PP結(jié)晶和流動(dòng)對熔體固化的影響,注塑件尺寸收縮呈現(xiàn)各向異性特征。保壓壓力對這2個(gè)方向的收縮影響十分顯著,且為負(fù)效應(yīng)。Zhao J等[22]3采用部分析因設(shè)計(jì)研究了注塑工藝對ABS注塑件翹曲的影響,發(fā)現(xiàn)注射時(shí)間、熔體溫度、保壓壓力、保壓時(shí)間、冷卻溫度以及熔體溫度和保壓時(shí)間、保壓壓力和保壓時(shí)間的交互效應(yīng)對產(chǎn)品翹曲的影響顯著。

Kra mschuster A等[23-24]采用析因設(shè)計(jì)對微發(fā)泡注塑過程進(jìn)行了研究,在最優(yōu)條件下,傳統(tǒng)注塑工藝制備的注塑件最低收縮翹曲量為0.727 mm,微發(fā)泡注塑則可以低至0.077 mm,尺寸缺陷降低了約89%。隨后,Shen C等[25]采用微發(fā)泡注塑工藝進(jìn)行了PP的共注塑研究,發(fā)現(xiàn)超臨界流體含量和核心/表面比例這2個(gè)因素的影響較大。在最優(yōu)注塑工藝下,傳統(tǒng)注塑工藝制備的注塑件最低收縮翹曲量為0.727 mm,微發(fā)泡注塑只有0.052 mm,尺寸缺陷降低了約93%。

隨著注塑優(yōu)化方法研究的深入,研究者將析因設(shè)計(jì)與其他方法相結(jié)合對注塑過程進(jìn)行優(yōu)化。Zhao J等[22]8將Taguchi設(shè)計(jì)、Kriging模型、析因設(shè)計(jì)以及GA相結(jié)合提出了一種多目標(biāo)優(yōu)化算法。

3 展望

析因設(shè)計(jì)是注塑過程優(yōu)化的好方法,從注塑產(chǎn)品外觀與質(zhì)量、力學(xué)性能、熔體充模流動(dòng)、收縮與翹曲這4個(gè)方面出發(fā),對析因設(shè)計(jì)在高分子材料注塑過程中的優(yōu)化研究進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)。筆者認(rèn)為在如下幾方面值得進(jìn)行深入研究:將析因設(shè)計(jì)與注塑過程中的傳熱、傳質(zhì)和動(dòng)量傳遞基本原理相結(jié)合,可以更深入了解注塑工藝中的控制因素；將析因設(shè)計(jì)用于熔體在復(fù)雜模腔中的流動(dòng)過程可以揭示控制熔體充模過程的關(guān)鍵因素；將析因設(shè)計(jì)與其他優(yōu)化方法深度結(jié)合,發(fā)揮不同方法的優(yōu)勢,對于注塑過程的優(yōu)化具有重要意義。