科研成果轉化為實驗教學資源的探索

董桂偉, 趙國群, 王桂龍, 宋立彬

(山東大學 材料科學與工程學院, 山東 濟南 250061)

加快建設創新型國家是新時期現代化建設全局的戰略舉措[1]。高等學校是我國創新型國家建設的主力軍,肩負著科技創新和培養人才的雙重責任[2-3]。近年來,在國家的重點建設下,高等學校取得了令人矚目的科研成果,有力地推動了產業和社會進步[4-5]。然而,如何將科研成果在服務于經濟社會發展的同時,轉化應用于創新人才培養,是當前各高等學校教育教學改革過程中面臨的一個現實而重要的課題。特別是對于高等工程教育而言,將前沿、先進的科研成果轉化為本科實驗教學資源,對培養工科學生的實踐能力、探索能力和創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學生在本科期間必須認識和掌握的材料成型工藝之一[8]。在以往的實驗教學過程中,針對注塑成型只開設了注塑模具拆裝、盒型件注塑等認知性的實驗,且大都使用教學用注塑機和簡單的樹脂模具進行,盡管在一定程度上使學生對注塑工藝原理和模具有一定的認識,但這些實驗教學資源在綜合性、先進性、前沿性以及與實際生產的貼近程度上均存在一定的差距,很難激發和培養學生的學習探究能力和創新思維能力[9]。

近年來,本團隊開發了一種快速熱循環綠色注塑新技術,該技術通過動態控制注塑過程中的模具溫度,消除了常規塑件存在的熔接痕、云紋等表面缺陷,取消了打磨、噴涂等二次加工工藝,實現了短流程、節能減排和綠色環保的注塑生產[10-12]。目前,該技術已廣泛應用于各塑料加工企業的注塑生產,“快速熱循環高光注塑成型技術開發及其產業化”榮獲2010年度國家科技進步二等獎。為進一步提升本專業本科實驗教學的先進性和前沿性,使學生了解和掌握現行的注塑工藝與方法,培養學生的探索能力和創新能力,開發了“快速熱循環注塑工藝與模具”綜合實驗教學項目,將科研中的新思路、新方法引入本科實驗教學,大大鍛煉和提升了學生的創新思維能力、動手操作能力和研究探索能力。

1 轉化原則

“快速熱循環高光注塑成型技術開發及其產業化”是一項集基礎研究、工藝開發、裝備研制以及產業化推廣于一體的科研成果。為實現該科研成果向本科實驗教學資源的成功轉化,確立了以下轉化原則。

(1) 安全性原則。快速熱循環注塑工藝涉及高溫、高壓等不安全因素。在向本科實驗教學資源轉化的過程中,必須高度重視教學的安全性,必須在確保學生操作安全的基礎上進行相應的簡化或者保護性處理,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。快速熱循環注塑工藝是模具技術、溫控技術、注塑技術、產品質量控制技術等的綜合集成。為確保轉化后的本科實驗教學資源對學生創新能力、動手能力以及研究能力等的綜合鍛煉效果,必須進行相關技術的集成與綜合轉化,并在此基礎上開發綜合性的實驗教學項目。

(3) 與實際生產相貼合。鑒于以往注塑成型實驗教學內容與真實生產貼合不密切、學生對實際生產的了解和掌握不夠等情況,在快速熱循環注塑工藝科研成果向本科實驗教學資源轉化的過程中,應當構建與實際生產貼合程度較高的實驗教學資源,培養學生對真實生產的了解掌握和操作能力。

2 科研成果向實驗教學資源的轉化

2.1 快速熱循環注塑實驗教學模具開發

快速熱循環注塑成型技術科研試驗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模具使用[13]。為此,開發了可供本科實驗教學使用、相對簡單的樣條與平板塑件快速熱循環注塑模具,塑件與模具結構如圖1所示。模具采用電熱棒加熱和冷卻水冷卻的動態模溫控制方式,共安裝電熱棒18根,均安裝在定模側。模具所用電熱棒為日本MISUMI公司生產的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,冷卻介質為15～30 ℃的工業循環冷卻水。

圖1 塑件與模具結構

2.2 快速熱循環注塑實驗教學試驗線

將上述開發的快速熱循環注塑實驗教學模具與項目研發的快速熱循環注塑設備相連接,建立了如圖2所示的快速熱循環注塑本科實驗教學試驗線。試驗線主要包括注塑機、動態模溫控制系統、電加熱快速熱循環注塑實驗模具等部分,其中,注塑機鎖模力為3 200 kN,注射壓力為182 MPa,螺桿直徑為60 mm,動態模溫控制系統為本項目科研成果,主要由PLC控制系統、增壓泵、進水閥、進氣閥、過濾器、調壓閥、壓力表等組成。

圖2 實驗教學試驗線

2.3 “快速熱循環注塑工藝與模具”綜合實驗教學項目

本綜合實驗教學項目以快速熱循環注塑工藝為主線,圍繞樣條與矩形平板塑件的快速熱循環注塑成型與表征分析展開實驗內容。所設計的實驗環節主要包括樣條與矩形平板塑件的快速熱循環注塑工藝分析、樣條與矩形平板塑件的快速熱循環注塑成型、矩形平板的表面光澤度與表面形貌表征以樣條的力學性能測試等。

2.3.1 樣條與矩形平板塑件的快速熱循環注塑工藝分析

樣條與矩形平板塑件的快速熱循環注塑工藝分析是快速熱循環注塑成型過程中的關鍵步驟,對注塑過程中可能出現的產品缺陷問題、確立合理的工藝方案等都有重要的指導意義。樣條與矩形平板塑件的快速熱循環注塑工藝分析主要通過商業化的模流分析軟件Moldflow進行。由學生根據產品數值模型,導入Moldflow分析軟件進行網格劃分、網格修復,進而進行填充、保壓和冷卻過程模擬,根據模擬得到的壓力分布、溫度分布等的結果分析產品可能出現的短射、收縮、翹曲等缺陷,重點分析不同模溫控制條件下的模擬結果,確立合理的快速熱循環注塑工藝方案。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

本環節要求學生對快速熱循環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注塑成型

結合確定的產品快速熱循環注塑工藝方案,進行樣條與矩形平板塑件的快速熱循環注塑成型試驗,得到合格的試驗樣件。本環節要求學生能夠對注塑機、動態模溫控制系統等實驗設備進行熟練的操作,在確立的快速熱循環注塑工藝方案的基礎上,進行工藝方案試驗設置,并調試設備運行獲得滿足要求的試驗樣件,如圖4所示。

圖4 快速熱循環注塑成型得到的試驗樣件

2.3.3 矩形平板的表面質量檢測與樣條的力學性能測試

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

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行,測量取樣位置如圖5(a)所示,取樣區域尺寸為20 mm×20 mm,在該區域測量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型光學輪廓儀對取樣區域的表面形貌進行觀察測量,利用Vision V4.10軟件轉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型電子萬能試驗機、XJC-5D型電子式懸臂梁沖擊試驗機進行相關樣條拉伸強度、彎曲強度以及沖擊強度等力學性能測試,得到模具溫度對試樣力學性能的影響情況,如圖6所示。

本環節實驗內容的設置要求學生掌握光澤度儀、光學輪廓儀以及材料試驗機的使用方法,能夠獨立使用上述儀器設備進行實驗樣件的測量和測試,并能整理和歸納所測量數據,分析不同模具溫度條件下樣件表面質量、力學性能等的變化情況,總結得出結論。在整個綜合實驗過程中,指導教師要對學生各環節的結果和結論進行指導性分析,使學生在充分熟悉和掌握快速熱循環注塑工藝的基礎上,完善實驗方案,改進實驗步驟,鍛煉學生的總結分析能力。

3 教學效果

目前,科研成果“快速熱循環高光注塑成型技術開發及其產業化”轉化的本科實驗教學資源以及“快速熱循環注塑工藝與模具”綜合實驗教學項目已經在本科生中進行了2個學年的課程實踐。經過隨堂交流和課

圖5 矩形平板的表面質量檢測

圖6 樣條的力學性能測試

后訪談,學生廣泛認可該系列實驗教學資源和教學項目,實驗效果良好。學生認為,通過本實驗教學項目,能夠親自參與研究性的科研實驗內容,體驗近生產性的操作過程,并可以在實驗過程中,充分將所學的多門理論課程知識運用到實驗方案設計、性能測試以及數據處理等多個過程,大大調動了其主觀能動性和創新思維能力。

4 結語

將前沿、先進的科研成果轉化為本科實驗教學資源,對培養工程學科學生的實踐能力、探索能力和創新能力都具有十分重要的意義,也是改革現有本科實驗教學模式、提升現有實驗教學水平的有效途徑之一。“快速熱循環注塑工藝與模具”實驗教學資源,實現了科研與教學的良性交互和促進,學生一方面可以在實驗過程中充分了解最前沿的先進的材料成型工藝,另一方面通過本實驗項目的鍛煉，為學生進一步參與科研項目、提升學生的科研能力奠定了基礎。