董桂偉, 趙國群, 王桂龍, 宋立彬

(山東大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 山東 濟(jì)南 250061)

加快建設(shè)創(chuàng)新型國家是新時(shí)期現(xiàn)代化建設(shè)全局的戰(zhàn)略舉措[1]。高等學(xué)校是我國創(chuàng)新型國家建設(shè)的主力軍,肩負(fù)著科技創(chuàng)新和培養(yǎng)人才的雙重責(zé)任[2-3]。近年來,在國家的重點(diǎn)建設(shè)下,高等學(xué)校取得了令人矚目的科研成果,有力地推動了產(chǎn)業(yè)和社會進(jìn)步[4-5]。然而,如何將科研成果在服務(wù)于經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的同時(shí),轉(zhuǎn)化應(yīng)用于創(chuàng)新人才培養(yǎng),是當(dāng)前各高等學(xué)校教育教學(xué)改革過程中面臨的一個(gè)現(xiàn)實(shí)而重要的課題。特別是對于高等工程教育而言,將前沿、先進(jìn)的科研成果轉(zhuǎn)化為本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源,對培養(yǎng)工科學(xué)生的實(shí)踐能力、探索能力和創(chuàng)新能力都具有十分重要的意義[6-7]。

注射成型是塑料加工中重要的成型方法,是材料成型及控制工程專業(yè)學(xué)生在本科期間必須認(rèn)識和掌握的材料成型工藝之一[8]。在以往的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中,針對注塑成型只開設(shè)了注塑模具拆裝、盒型件注塑等認(rèn)知性的實(shí)驗(yàn),且大都使用教學(xué)用注塑機(jī)和簡單的樹脂模具進(jìn)行,盡管在一定程度上使學(xué)生對注塑工藝原理和模具有一定的認(rèn)識,但這些實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源在綜合性、先進(jìn)性、前沿性以及與實(shí)際生產(chǎn)的貼近程度上均存在一定的差距,很難激發(fā)和培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)探究能力和創(chuàng)新思維能力[9]。

近年來,本團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種快速熱循環(huán)綠色注塑新技術(shù),該技術(shù)通過動態(tài)控制注塑過程中的模具溫度,消除了常規(guī)塑件存在的熔接痕、云紋等表面缺陷,取消了打磨、噴涂等二次加工工藝,實(shí)現(xiàn)了短流程、節(jié)能減排和綠色環(huán)保的注塑生產(chǎn)[10-12]。目前,該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各塑料加工企業(yè)的注塑生產(chǎn),“快速熱循環(huán)高光注塑成型技術(shù)開發(fā)及其產(chǎn)業(yè)化”榮獲2010年度國家科技進(jìn)步二等獎。為進(jìn)一步提升本專業(yè)本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的先進(jìn)性和前沿性,使學(xué)生了解和掌握現(xiàn)行的注塑工藝與方法,培養(yǎng)學(xué)生的探索能力和創(chuàng)新能力,開發(fā)了“快速熱循環(huán)注塑工藝與模具”綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目,將科研中的新思路、新方法引入本科實(shí)驗(yàn)教學(xué),大大鍛煉和提升了學(xué)生的創(chuàng)新思維能力、動手操作能力和研究探索能力。

1 轉(zhuǎn)化原則

“快速熱循環(huán)高光注塑成型技術(shù)開發(fā)及其產(chǎn)業(yè)化”是一項(xiàng)集基礎(chǔ)研究、工藝開發(fā)、裝備研制以及產(chǎn)業(yè)化推廣于一體的科研成果。為實(shí)現(xiàn)該科研成果向本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的成功轉(zhuǎn)化,確立了以下轉(zhuǎn)化原則。

(1) 安全性原則?？焖贌嵫h(huán)注塑工藝涉及高溫、高壓等不安全因素。在向本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源轉(zhuǎn)化的過程中,必須高度重視教學(xué)的安全性,必須在確保學(xué)生操作安全的基礎(chǔ)上進(jìn)行相應(yīng)的簡化或者保護(hù)性處理,如用電加熱方式代替高溫、高壓蒸汽加熱方式。

(2) 綜合性原則?？焖贌嵫h(huán)注塑工藝是模具技術(shù)、溫控技術(shù)、注塑技術(shù)、產(chǎn)品質(zhì)量控制技術(shù)等的綜合集成。為確保轉(zhuǎn)化后的本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源對學(xué)生創(chuàng)新能力、動手能力以及研究能力等的綜合鍛煉效果,必須進(jìn)行相關(guān)技術(shù)的集成與綜合轉(zhuǎn)化,并在此基礎(chǔ)上開發(fā)綜合性的實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目。

(3) 與實(shí)際生產(chǎn)相貼合。鑒于以往注塑成型實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容與真實(shí)生產(chǎn)貼合不密切、學(xué)生對實(shí)際生產(chǎn)的了解和掌握不夠等情況,在快速熱循環(huán)注塑工藝科研成果向本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源轉(zhuǎn)化的過程中,應(yīng)當(dāng)構(gòu)建與實(shí)際生產(chǎn)貼合程度較高的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源,培養(yǎng)學(xué)生對真實(shí)生產(chǎn)的了解掌握和操作能力。

2 科研成果向?qū)嶒?yàn)教學(xué)資源的轉(zhuǎn)化

2.1 快速熱循環(huán)注塑實(shí)驗(yàn)教學(xué)模具開發(fā)

快速熱循環(huán)注塑成型技術(shù)科研試驗(yàn)所用模具均為大型平板電視前后殼模具,不適合作為本科教學(xué)模具使用[13]。為此,開發(fā)了可供本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)使用、相對簡單的樣條與平板塑件快速熱循環(huán)注塑模具,塑件與模具結(jié)構(gòu)如圖1所示。模具采用電熱棒加熱和冷卻水冷卻的動態(tài)模溫控制方式,共安裝電熱棒18根,均安裝在定模側(cè)。模具所用電熱棒為日本MISUMI公司生產(chǎn)的MCHPA型加熱棒,其直徑為5.9 mm,加熱功率密度為25 W/cm2,模具冷卻管道直徑為8 mm,冷卻介質(zhì)為15～30 ℃的工業(yè)循環(huán)冷卻水。

圖1 塑件與模具結(jié)構(gòu)

2.2 快速熱循環(huán)注塑實(shí)驗(yàn)教學(xué)試驗(yàn)線

將上述開發(fā)的快速熱循環(huán)注塑實(shí)驗(yàn)教學(xué)模具與項(xiàng)目研發(fā)的快速熱循環(huán)注塑設(shè)備相連接,建立了如圖2所示的快速熱循環(huán)注塑本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)試驗(yàn)線。試驗(yàn)線主要包括注塑機(jī)、動態(tài)模溫控制系統(tǒng)、電加熱快速熱循環(huán)注塑實(shí)驗(yàn)?zāi)＞叩炔糠?其中,注塑機(jī)鎖模力為3 200 kN,注射壓力為182 MPa,螺桿直徑為60 mm,動態(tài)模溫控制系統(tǒng)為本項(xiàng)目科研成果,主要由PLC控制系統(tǒng)、增壓泵、進(jìn)水閥、進(jìn)氣閥、過濾器、調(diào)壓閥、壓力表等組成。

圖2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)試驗(yàn)線

2.3 “快速熱循環(huán)注塑工藝與模具”綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目

本綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目以快速熱循環(huán)注塑工藝為主線,圍繞樣條與矩形平板塑件的快速熱循環(huán)注塑成型與表征分析展開實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)主要包括樣條與矩形平板塑件的快速熱循環(huán)注塑工藝分析、樣條與矩形平板塑件的快速熱循環(huán)注塑成型、矩形平板的表面光澤度與表面形貌表征以樣條的力學(xué)性能測試等。

2.3.1 樣條與矩形平板塑件的快速熱循環(huán)注塑工藝分析

樣條與矩形平板塑件的快速熱循環(huán)注塑工藝分析是快速熱循環(huán)注塑成型過程中的關(guān)鍵步驟,對注塑過程中可能出現(xiàn)的產(chǎn)品缺陷問題、確立合理的工藝方案等都有重要的指導(dǎo)意義。樣條與矩形平板塑件的快速熱循環(huán)注塑工藝分析主要通過商業(yè)化的模流分析軟件Moldflow進(jìn)行。由學(xué)生根據(jù)產(chǎn)品數(shù)值模型,導(dǎo)入Moldflow分析軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分、網(wǎng)格修復(fù),進(jìn)而進(jìn)行填充、保壓和冷卻過程模擬,根據(jù)模擬得到的壓力分布、溫度分布等的結(jié)果分析產(chǎn)品可能出現(xiàn)的短射、收縮、翹曲等缺陷,重點(diǎn)分析不同模溫控制條件下的模擬結(jié)果,確立合理的快速熱循環(huán)注塑工藝方案。不同模具溫度條件下的熔體充填溫度情況見圖3。

圖3 不同模具溫度條件下的熔體充填溫度

本環(huán)節(jié)要求學(xué)生對快速熱循環(huán)注塑工藝有充分的了解和掌握,熟悉其工藝原理,探討不同模具溫度控制條件下的熔體填充過程差異,并能夠分析填充過程中高模具溫度條件對熔體流動、熔體壓力分布、熔體溫度分布以及含玻纖材料的玻纖分布和取向等影響。

2.3.2 樣條與矩形平板塑件的快速熱循環(huán)注塑成型

結(jié)合確定的產(chǎn)品快速熱循環(huán)注塑工藝方案,進(jìn)行樣條與矩形平板塑件的快速熱循環(huán)注塑成型試驗(yàn),得到合格的試驗(yàn)樣件。本環(huán)節(jié)要求學(xué)生能夠?qū)ψ⑺軝C(jī)、動態(tài)模溫控制系統(tǒng)等實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行熟練的操作,在確立的快速熱循環(huán)注塑工藝方案的基礎(chǔ)上,進(jìn)行工藝方案試驗(yàn)設(shè)置,并調(diào)試設(shè)備運(yùn)行獲得滿足要求的試驗(yàn)樣件,如圖4所示。

圖4 快速熱循環(huán)注塑成型得到的試驗(yàn)樣件

2.3.3 矩形平板的表面質(zhì)量檢測與樣條的力學(xué)性能測試

對上述試驗(yàn)得到的樣件,分別進(jìn)行矩形平板的表面質(zhì)量檢測和樣條的力學(xué)性能測試。其中,矩形平板的表面質(zhì)量檢測包括光澤度測量和表面形貌表征,樣條的力學(xué)性能測試包括拉伸試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)。

使用JFL-BZ60智能型光澤度儀對塑件上的矩形平板的光澤度測量進(jìn)行,測量取樣位置如圖5(a)所示,取樣區(qū)域尺寸為20 mm×20 mm,在該區(qū)域測量5次后取平均,得到不同模具溫度條件下的光澤度變化,如圖5(b)所示。使用Veeco NT9300型光學(xué)輪廓儀對取樣區(qū)域的表面形貌進(jìn)行觀察測量,利用Vision V4.10軟件轉(zhuǎn)換成表面三維表面輪廓,得到不同模溫條件下的表面形貌如圖5(c)所示。

使用SANS GMT5105型電子萬能試驗(yàn)機(jī)、XJC-5D型電子式懸臂梁沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行相關(guān)樣條拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度以及沖擊強(qiáng)度等力學(xué)性能測試,得到模具溫度對試樣力學(xué)性能的影響情況,如圖6所示。

本環(huán)節(jié)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)置要求學(xué)生掌握光澤度儀、光學(xué)輪廓儀以及材料試驗(yàn)機(jī)的使用方法,能夠獨(dú)立使用上述儀器設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)樣件的測量和測試,并能整理和歸納所測量數(shù)據(jù),分析不同模具溫度條件下樣件表面質(zhì)量、力學(xué)性能等的變化情況,總結(jié)得出結(jié)論。在整個(gè)綜合實(shí)驗(yàn)過程中,指導(dǎo)教師要對學(xué)生各環(huán)節(jié)的結(jié)果和結(jié)論進(jìn)行指導(dǎo)性分析,使學(xué)生在充分熟悉和掌握快速熱循環(huán)注塑工藝的基礎(chǔ)上,完善實(shí)驗(yàn)方案,改進(jìn)實(shí)驗(yàn)步驟,鍛煉學(xué)生的總結(jié)分析能力。

3 教學(xué)效果

目前,科研成果“快速熱循環(huán)高光注塑成型技術(shù)開發(fā)及其產(chǎn)業(yè)化”轉(zhuǎn)化的本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源以及“快速熱循環(huán)注塑工藝與模具”綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目已經(jīng)在本科生中進(jìn)行了2個(gè)學(xué)年的課程實(shí)踐。經(jīng)過隨堂交流和課

圖5 矩形平板的表面質(zhì)量檢測

圖6 樣條的力學(xué)性能測試

后訪談,學(xué)生廣泛認(rèn)可該系列實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源和教學(xué)項(xiàng)目,實(shí)驗(yàn)效果良好。學(xué)生認(rèn)為,通過本實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目,能夠親自參與研究性的科研實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,體驗(yàn)近生產(chǎn)性的操作過程,并可以在實(shí)驗(yàn)過程中,充分將所學(xué)的多門理論課程知識運(yùn)用到實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、性能測試以及數(shù)據(jù)處理等多個(gè)過程,大大調(diào)動了其主觀能動性和創(chuàng)新思維能力。

4 結(jié)語

將前沿、先進(jìn)的科研成果轉(zhuǎn)化為本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源,對培養(yǎng)工程學(xué)科學(xué)生的實(shí)踐能力、探索能力和創(chuàng)新能力都具有十分重要的意義,也是改革現(xiàn)有本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式、提升現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平的有效途徑之一?！翱焖贌嵫h(huán)注塑工藝與模具”實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源,實(shí)現(xiàn)了科研與教學(xué)的良性交互和促進(jìn),學(xué)生一方面可以在實(shí)驗(yàn)過程中充分了解最前沿的先進(jìn)的材料成型工藝,另一方面通過本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的鍛煉，為學(xué)生進(jìn)一步參與科研項(xiàng)目、提升學(xué)生的科研能力奠定了基礎(chǔ)。