析因设计在高分子材料注塑过程中的研究进展

王金科 项长生

(1.甘肃建投建设有限公司,甘肃 兰州,730050；2.兰州理工大学,甘肃 兰州,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、生产效率高、材料适用性广、易于实现自动化等优点[1]。随着模拟与仿真技术的发展,研究者将田口方法(Taguchi)设计、析因设计、响应面(RSM)、遗传算法(GA)、粒子群算法、人工神经元网络(ANN)等多种优化方法用于注塑过程的仿真模拟研究[2-7],极大地提高了注塑效率及产品质量。析因设计是一种多因素交叉分组设计方法,可以判断影响显著的主因素、交互作用,还能获得目标与注塑工艺参数的函数关系,对于注塑过程的优化具有重要意义。

以下从注塑产品外观与质量、力学性能、熔体充模流动、收缩与翘曲这4个方面出发,总结了近年来析因设计在高分子材料注塑过程中的研究进展,并对该领域可能的研究方向进行了展望。

1 析因设计简介

作为一种基于正交设计的试验方法,析因设计分为全析因和半析因设计。析因设计包括:首先根据正交原则进行试验设计；然后基于方差分析对试验结果进行处理,根据计算的t(学生式t检验值,t值大于临界值则不拒绝原假设)和P值(原假设为真实样本观察结果的概率,P值越小,说明原假设发生的概率越低),判断影响显著的主效应和交互效应；最后基于多项式拟合可以得出目标与因素的回归方程,从而得出最优的操作条件。

2 析因设计在注塑过程中的研究进展

2.1 外观与质量

Wöhner T等[8]研究了薄膜内嵌模压过程中气泡的形成原因,发现温度是最重要的影响因素,提高模具温度或机筒温度都可以降低气泡高度、减少气泡面积。Pablo G R等[9]采用全析因设计分析了质量分数5%滑石粉填充的聚丙烯(PP)汽车内饰注塑件表面随机纹理的复制质量与注塑工艺的关系,发现保压压力的影响最显著,其次是熔体温度和模具温度,且熔体温度和模具温度有交互效应。在最优注塑条件下,内饰注塑件纹理的复制比可以达到(84.6±7.7)%。

Tsai K M等[10]3采用全析因设计研究了模具温度、冷却时间、保压压力和保压时间这4个注塑因素对光学镜片形状精度的影响,发现最佳工艺为模具温度85℃、冷却时间25 s、保压压力110 MPa、保压时间7 s。Loal di D等[11]采用注射压缩成型(ICM)制备了环烯烃聚合物和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)菲涅耳光学透镜,对比了ICM与传统注塑方式对透镜微观结构的复制效果,发现保压和压缩之间存在交互效应。

Kaz mer D等[12]研究了熔体压力阀对PP热流道注塑过程中注塑件质量稳定性的影响,发现不采用压力阀时,对质量稳定性影响最大的因素是保压压力,注塑件质量偏差为±0.017 2 g；当采用开环控制的压力阀后,注塑件质量偏差为±0.004 5 g,当采用闭环控制的压力阀后,注塑件质量偏差则为±0.005 9 g。

Sha msuzza man M等[13]采用双指数权重移动平均方法在线监控注塑过程中的偏差,并采用23全析因设计和敏感性分析对其有效性进行评价。

最近,部分研究者将析因设计与其他方法相结合,对注塑产品的质量进行优化。Tsai K M等[10]4将Taguchi设计、析因设计、RSM、ANN和GA相结合,建立了一个光学镜片注塑工艺的逆模型。

2.2 力学性能

Navidfar A等[14]采用全析因设计研究了碳纳米管(MWCNT)含量、注射温度、保压压力对PMMA/M WCNT共混物力学性能的影响,发现MWCNT含量、注射温度、保压压力对材料屈服强度的影响显著,注射温度和MWCNT含量的交互效应影响显著；M WCNT含量和保压压力对材料断裂伸长率的影响显著。

Mut huraj R等[15]采用全析因设计研究了注塑工艺对聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯/聚丁二酸丁二醇酯/芒草纤维(PBAT/PBS/芒草纤维)三元共混物冲击强度的影响,发现纤维长度对共混物冲击强度的影响最显著。

Zaverl M等[16]以聚对苯二甲酸丙二醇酯/聚对苯二甲酸丁二醇酯(PTT/PBT)为核、PBS/PBAT为壳层材料,采用半析因设计研究了注塑工艺对注塑件力学性能的影响,发现改变核和壳层材料比例会显著影响PTT/PBT共混物的冲击强度,随着韧性好的壳层材料PBS/PBAT比例的增加,注塑件冲击强度从56 J/m提高到450 J/m。

Da miani R A等[17]采用全析因设计研究了玻璃纤维含量和模具温度对尼龙6/玻璃纤维/蒙脱土(PA6/GF/MMT)三元共混物力学性能的影响,发现模具温度和玻璃纤维含量与共混物最大拉伸应力和弯曲应力之间存在正相关性,为主要影响因素。

Jan B G等[18]采用半析因设计研究了高密度聚乙烯(HDPE)和三元乙丙橡胶(EPDM)双注塑过程中注塑工艺对注塑件界面强度的影响,发现界面模具温度的影响最显著,增加模具温度有利于提高注塑件的界面强度。

2.3 熔体充模流动

Zhiltsova T V等[19]采用全析因设计研究了厚度变化的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)和PP板材在注塑过程中熔体流动情况,发现模具温度是影响熔体流动最重要的因素,板材厚度越薄影响越显著。为了提高ABS薄壁塑料件的充模效率,Ada m A等[20]采用超声对注塑过程进行强化,基于全析因设计研究了ABS成型过程中熔体流经狭窄截面的流变行为,发现间隙的影响最大,其次是注射温度、超声强度。

2.4 收缩与翘曲

Po merleau J等[21]采用全析因设计研究了保压压力、注射速率对3种壁厚(均匀厚度、均匀变化厚度和不对称变化厚度)的PP注塑件尺寸收缩情况的影响。发现由于PP结晶和流动对熔体固化的影响,注塑件尺寸收缩呈现各向异性特征。保压压力对这2个方向的收缩影响十分显著,且为负效应。Zhao J等[22]3采用部分析因设计研究了注塑工艺对ABS注塑件翘曲的影响,发现注射时间、熔体温度、保压压力、保压时间、冷却温度以及熔体温度和保压时间、保压压力和保压时间的交互效应对产品翘曲的影响显著。

Kra mschuster A等[23-24]采用析因设计对微发泡注塑过程进行了研究,在最优条件下,传统注塑工艺制备的注塑件最低收缩翘曲量为0.727 mm,微发泡注塑则可以低至0.077 mm,尺寸缺陷降低了约89%。随后,Shen C等[25]采用微发泡注塑工艺进行了PP的共注塑研究,发现超临界流体含量和核心/表面比例这2个因素的影响较大。在最优注塑工艺下,传统注塑工艺制备的注塑件最低收缩翘曲量为0.727 mm,微发泡注塑只有0.052 mm,尺寸缺陷降低了约93%。

随着注塑优化方法研究的深入,研究者将析因设计与其他方法相结合对注塑过程进行优化。Zhao J等[22]8将Taguchi设计、Kriging模型、析因设计以及GA相结合提出了一种多目标优化算法。

3 展望

析因设计是注塑过程优化的好方法,从注塑产品外观与质量、力学性能、熔体充模流动、收缩与翘曲这4个方面出发,对析因设计在高分子材料注塑过程中的优化研究进展进行了总结。笔者认为在如下几方面值得进行深入研究:将析因设计与注塑过程中的传热、传质和动量传递基本原理相结合,可以更深入了解注塑工艺中的控制因素；将析因设计用于熔体在复杂模腔中的流动过程可以揭示控制熔体充模过程的关键因素；将析因设计与其他优化方法深度结合,发挥不同方法的优势,对于注塑过程的优化具有重要意义。