Ottimizzazione e previsione del comportamento tribologico dei compositi di politetrafluoroetilene riempiti utilizzando Taguchi Deng e modelli di regressione vettoriale di supporto ibrido

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 10393 (2022) Citare questo articolo

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Questo studio presenta l'ottimizzazione e la previsione del comportamento tribologico dei compositi riempiti di politetrafluoroetilene (PTFE) utilizzando Taguchi ibridi e modelli di regressione vettoriale di supporto (SVR). Per ottenere l'ottimizzazione, Taguchi Deng è stato impiegato considerando risposte multiple e parametri di processo rilevanti per il comportamento tribologico. Il coefficiente di attrito (μ) e il tasso di usura specifico (Ks) sono stati misurati utilizzando un tribometro con perno su disco. In questo studio, i parametri del processo erano carico, granulometria, distanza e velocità. Per il disegno sperimentale di Taguchi è stata applicata una matrice ortogonale L27. Una serie di parametri ottimali è stata ottenuta utilizzando l'approccio Deng per risposte multiple di µ e KS. L'analisi della varianza è stata eseguita per studiare l'effetto dei singoli parametri sulle risposte multiple. Per prevedere µ e Ks, SVR è stato accoppiato con la nuova ottimizzazione di Harris Hawks (HHO) e l'ottimizzazione delle particelle di sciame (PSO) che formano rispettivamente i modelli SVR-HHO e SVR-PSO. Sono stati utilizzati quattro parametri di valutazione del modello per valutare l'accuratezza della previsione dei modelli. I risultati della validazione hanno rivelato un miglioramento in condizioni di test ottimali. I modelli SVR ibridi hanno indicato una precisione di previsione superiore rispetto al modello SVR singolo. Inoltre, SVR-HHO ha sovraperformato il modello SVR-PSO. Si è scoperto che i modelli Taguchi Deng, SVR-PSO e SVR-HHO hanno portato all'ottimizzazione e alla previsione a basso costo e con una precisione superiore.

I compositi a matrice polimerica riempita (PMC) contenenti riempitivi continuano a ricevere un'attenzione significativa da parte del mondo accademico e delle industrie a causa dei loro comportamenti meccanici e tribologici modificati rispetto ai polimeri vergini1. I compositi a base polimerica hanno mostrato una migliore resistenza tribologica2. Tra i diversi tipi di polimeri, il politetrafluoroetilene (PTFE) caricato con fibre di carbonio o bronzo è ampiamente utilizzato per il suo elevato comportamento meccanico e basso tribologico3. È stato indicato che questi compositi sono adatti in settori in cui i comportamenti tribologici delle parti meccaniche, compresi freni e frizioni, sono significativi4,5,6,7. È stato generalmente concordato che la resistenza tribologica dei materiali può essere migliorata aggiungendo più contenuto di riempitivo entro un certo limite8,9 ai polimeri puri. Il politetrafluoroetilene (PTFE) è stata una delle matrici termoplastiche comunemente utilizzate per le condizioni di usura a causa del suo basso coefficiente di attrito, facilità di lavorazione, inerzia chimica, bassa densità e basso costo10,11.

L'usura è uno dei problemi più comunemente riscontrati nelle industrie e causa la frequente sostituzione delle parti, in particolare l'abrasione. L'usura abrasiva di vari polimeri e polimeri caricati è stata studiata sperimentalmente. È stato studiato il tasso di usura abrasiva di diverse matrici12 e si è scoperto che diversi polimeri mostravano un tasso di usura diverso. È stata analizzata l'inclusione di tessuto di vetro e carbonio nel vinile/estere. La combinazione vinile/estere rinforzato indicava un tasso di usura inferiore rispetto al composito vinile/estere rinforzato con vetro e/o tessuto di carbonio13. Come riportato da14 il carico applicato è risultato il parametro di processo più significativo; è stato osservato un tasso di usura ridotto quando l'UHMWPE ad alte prestazioni è stato rinforzato con riempitivi. Secondo 15 si è visto che la perdita di massa e µ aumentavano con l'aumento della velocità e con la diminuzione delle dimensioni della grana per i compositi epossidici caricati con noce di betel.

Al fine di studiare le risposte multiple relative ai comportamenti tribologici dei compositi, in letteratura sono stati proposti diversi metodi decisionali tra cui lo sviluppo dei dati, la gerarchia analitica e l'analisi relazionale grigia (GRA)16. Tra questi modelli, il GRA proposto da Deng nel 1989 è la metodologia più utilizzata soprattutto quando la natura dell'informazione non è certa e completa17. Dharmalingam, Subramanian e Kok hanno combinato l'analisi relazionale grigia (GRA) con Taguchi per ottimizzare la proprietà tribologica abrasiva dei compositi metallici ibridi di alluminio. L'analisi della varianza (ANOVA) ha indicato che la dimensione della grana era il parametro che aveva la maggiore influenza sul tasso di usura e che il carico ha avuto il maggiore effetto sul coefficiente di attrito18. Sylajakumar et al.19 hanno utilizzato il metodo Taguchi-GRA per studiare l'effetto del carico, della velocità e della distanza sul coefficiente di attrito e sul tasso di usura del composito co-lungo. L'ANOVA ha dimostrato che la velocità influenza in modo significativo la proprietà di usura del composito co-continuo. Savaran e Thanigaivelan20 hanno ottimizzato la geometria delle fossette e i parametri laser utilizzando il GRA accoppiato con l'analisi delle componenti principali (PCA). L'ANOVA ha dimostrato che la potenza media ha contribuito maggiormente mentre la profondità ha contribuito meno alle misurazioni delle prestazioni. Un metodo integrato Taguchi OA e GRA è stato applicato per ottimizzare i parametri di stampaggio a iniezione dei nanocompositi HDPE-TiO2 Pervez et al.21. Il lavoro ha stabilito che i parametri ottimali erano il contenuto di TiO2 al 5%, la temperatura del cilindro di 225 °C, il tempo di permanenza di 30 minuti e il tempo di mantenimento di 20 s. Adediran et al. proprietà meccaniche ottimizzate di biocompositi ibridi rinforzati con propilene utilizzando il modello Taguchi. Si è scoperto che il collage di 4% PSS e 10% di fibra di kenaf produceva la combinazione ottimale per biocompositi ibridi22. Oltre a ciò, il metodo Taguchi ibridato con il grado relazionale grigio è stato impiegato anche per l'ottimizzazione multi-risposta della lavorazione con elettroerosione a filo23, del processo di tornitura24 e dei parametri di fresatura25.