基于擠出成型的木塑家具制造技術(shù)與優(yōu)化設(shè)計(jì)*

李嘉敏 易 欣 王清文

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院，廣州 510642）

木塑復(fù)合材料是指木質(zhì)纖維和熱塑性塑料混合熔融后，經(jīng)擠出、注塑、模壓等加工工藝而制成的材料，簡(jiǎn)稱木塑[1-2]。具有可釘、可刨、可鋸、可鉆等較好的機(jī)械加工性能，耐水防腐性能和環(huán)保性能[3-5]。以木塑復(fù)合材料制作的家具在戶外、陽(yáng)臺(tái)、廚房和浴室等潮濕多水的環(huán)境里不會(huì)出現(xiàn)吸濕變形等問(wèn)題[6-10]。

木塑擠出成型是木質(zhì)纖維和熱塑性塑料經(jīng)預(yù)處理后，利用擠出機(jī)對(duì)其進(jìn)行混煉，并通過(guò)一定形狀的口模將其連續(xù)擠出及冷卻成型的一種成型工藝[11-13]。采用該成型工藝可大大提高型材的生產(chǎn)效率，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、連續(xù)化生產(chǎn)[14-15]。木塑擠出分一步法擠出和兩步法擠出，造粒和擠出過(guò)程是否連貫完成是這兩種方法的主要區(qū)別，以一步法連貫完成擠出有利于節(jié)能，而以兩步法完成擠出則有利于工藝控制[16]。此外，近年一種可區(qū)分表層和芯層材料的木塑共擠技術(shù)正逐漸興起[17-19]。目前擠出成型技術(shù)主要用于木塑復(fù)合地板、木塑門窗、木塑建筑模板的制造[20-22]。

1 擠出成型技術(shù)在木塑家具制造領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)

擠出成型技術(shù)應(yīng)用于家具制造領(lǐng)域具有以下獨(dú)特優(yōu)勢(shì)：1）工藝簡(jiǎn)單。在保證擠出機(jī)料筒原料充足的情況下，可實(shí)現(xiàn)家具部件的連續(xù)擠出，生產(chǎn)效率高。2）材料利用率高?？筛鶕?jù)家具部件長(zhǎng)度對(duì)擠出制品進(jìn)行截取，減少材料浪費(fèi)。3）易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)。擠出成型生產(chǎn)線設(shè)備類型精簡(jiǎn)，容易實(shí)現(xiàn)設(shè)備自動(dòng)化；操作較簡(jiǎn)單，所需操作人員較少；產(chǎn)品質(zhì)量容易保證[23]。4）設(shè)備易于保養(yǎng)維修。主要生產(chǎn)設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，后期維護(hù)保養(yǎng)和修理也相對(duì)簡(jiǎn)單。擠出成型技術(shù)具有的這些優(yōu)勢(shì)有利于推進(jìn)木塑復(fù)合材料在家具方面的應(yīng)用[24-26]。

2 擠出成型技術(shù)對(duì)木塑家具性能的影響

擠出成型技術(shù)中工藝參數(shù)和模具設(shè)計(jì)是其關(guān)鍵技術(shù)因素，會(huì)對(duì)基于擠出成型的木塑家具的性能產(chǎn)生重要影響。

2.1 工藝參數(shù)對(duì)木塑家具性能的影響

工藝參數(shù)包括原料及添加劑的種類和用量、擠出設(shè)備的溫度壓力和螺桿轉(zhuǎn)速、冷卻方式和速度等方面的參數(shù)，對(duì)木塑家具部件能否成型及成型后性能的好壞和表面質(zhì)量等均具有影響[27-30]。木塑擠出成型技術(shù)中所涉及的原料種類很多，其中添加劑占比小但對(duì)性能影響大，如偶聯(lián)劑、增塑劑、潤(rùn)滑劑、抗老化劑等會(huì)對(duì)原料的混合、成型的難易、熔體的流動(dòng)性、家具的耐久性等產(chǎn)生影響；木塑擠出成型技術(shù)中擠出設(shè)備種類、機(jī)頭壓力大小、螺桿轉(zhuǎn)速高低、料筒和機(jī)頭的溫度都會(huì)對(duì)家具部件的形狀和性能等產(chǎn)生影響；木塑擠出成型技術(shù)中采用的是熱塑性塑料，家具部件依靠冷卻定型，冷卻方式和速度會(huì)對(duì)家具產(chǎn)品的質(zhì)量產(chǎn)生影響，如水的流向與料流方向一致易造成流道堵塞，水量較小等會(huì)造成擠出成型困難甚至不成型等[24,31]。木塑復(fù)合材料擠出成型中的料筒溫度控制系統(tǒng)因具有純滯后、大慣性等特點(diǎn)，引起了較多的關(guān)注，常使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制算法、ACPSO優(yōu)化模糊PID控制算法來(lái)達(dá)到對(duì)其精準(zhǔn)高效的控制，最終提高木塑擠出制品的質(zhì)量[32-33]。

對(duì)于木塑擠出而言，工藝參數(shù)會(huì)影響成型制品的擠出質(zhì)量和外觀質(zhì)量。若將木塑材料用于家具制造，特別是用于承重部件如座面、靠背等，工藝參數(shù)和材料質(zhì)量會(huì)直接影響到家具的耐久性和外觀性能。

2.2 擠出模具對(duì)木塑家具性能的影響

擠出成型模具直接影響木塑家具產(chǎn)品的性能及家具部件的尺寸和形狀，要實(shí)現(xiàn)基于擠出成型的木塑家具多樣化，就必須先實(shí)現(xiàn)擠出型材截面的創(chuàng)新，優(yōu)化對(duì)異型材擠出模具的設(shè)計(jì)。

異型材擠出成型模具是一個(gè)比較復(fù)雜的系統(tǒng)，由擠出模頭和定型模頭兩部分組成。擠出模頭中的口模和定型模頭對(duì)最終擠出制品的截面形狀和尺寸起決定作用[34]。但是口模的形狀并不完全等同于擠出制品的截面形狀（見(jiàn)圖1），而定型模頭的形狀和擠出制品的形狀幾乎完全一樣。針對(duì)擠出模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較復(fù)雜繁瑣的問(wèn)題，已有采用有限元模擬物料在流道中的流動(dòng)、基于UG等軟件的模具三維參數(shù)化設(shè)計(jì)、優(yōu)化CAD在模具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用等方法[35-39]。目前，擠出成型的異型材截面主要可分為空腔或敞開(kāi)口（見(jiàn)圖2），形式已經(jīng)比較多樣化。對(duì)某些截面形狀進(jìn)行創(chuàng)新，然后利用上述軟件技術(shù)進(jìn)行模擬分析其可行性，最后應(yīng)用在基于擠出成型的木塑家具上，將有效拓寬木塑擠出型材在家具上的使用范圍。

圖1 口模與擠出制品截面形狀Fig.1 Cross section shapes of die and extrusion products

圖2 異型材截面形狀Fig.2 The section shapes of profile

3 適用于擠出成型的家具

在家具制造中，具有一定截面形狀和連續(xù)長(zhǎng)度的家具零部件符合擠出成型制品的特點(diǎn)，比如戶外長(zhǎng)椅、木塑衣柜門等[40]。

3.1 具有金屬框架結(jié)構(gòu)的椅凳類木塑家具

椅凳類木塑家具在公園或者自然景區(qū)比較常見(jiàn)，是當(dāng)前木塑材料應(yīng)用于家具制造比較典型的例子，其制作充分利用了木塑材料的防腐耐水和擠出成型工藝生產(chǎn)高效的優(yōu)點(diǎn)。戶外長(zhǎng)椅主要由鐵質(zhì)或鋼制的框架和木塑條組成，將木塑條用螺絲等連接件固定在一定形狀的框架上即形成所需的木塑椅子（見(jiàn)圖3a），整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔明了。這類木塑家具的變形和衍生均依賴金屬框架的變化，如既可簡(jiǎn)單地把金屬框架加工成椅子的尺寸和形式，然后安裝上木塑條成椅（見(jiàn)圖3b），也可把靠背處的金屬框架按照人體工學(xué)加工出一定的弧度，使木塑椅靠背的邊條也相應(yīng)呈一定的弧度（見(jiàn)圖3c）。椅凳類木塑家具對(duì)擠出木塑型材的利用比較簡(jiǎn)單、直接，截面形狀多為矩形，主要是長(zhǎng)和寬尺寸的變化，生產(chǎn)效率非常高。

圖3 木塑椅Fig.3 Wood-plastic composite chairs

3.2 以木塑材料作為嵌板的柜類木塑家具

木塑衣柜移動(dòng)門常采用框架嵌板結(jié)構(gòu)，嵌板多是由擠出成型加工而成的木塑波浪板（見(jiàn)圖4b）。由于采用擠出成型的中空結(jié)構(gòu)，質(zhì)量與同體積的其他材料相比較輕，因而常用于移動(dòng)門；并且具有不易變形，生產(chǎn)成本低的特點(diǎn)，因而應(yīng)用較為廣泛。從木塑移動(dòng)門所用的木塑擠出型材的截面形狀（見(jiàn)圖4c）可以看出，其厚度較小，為3～5 mm左右。

圖4 木塑衣柜移動(dòng)門Fig.4 Moving doors of wood-plastic composite wardrobe

4 優(yōu)化設(shè)計(jì)

目前，木塑家具制造技術(shù)已獲得較多應(yīng)用，但對(duì)木塑擠出型材的使用還比較有限，基于擠出成型技術(shù)的家具結(jié)構(gòu)和造型也受到一定的限制，給人以木塑家具樣式呆板，結(jié)構(gòu)單一的印象。為此，本文基于擠出成型技術(shù)對(duì)木塑家具進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4.1 基于SPYNDI椅的截面形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)

SPYNDI椅由波羅的海設(shè)計(jì)師Mindaugas Zilionis設(shè)計(jì)（見(jiàn)圖5），該椅可自由組合、變形，造型優(yōu)美，體感舒適，具有木質(zhì)的質(zhì)感和色彩；包含60根樺木膠合板制作的木條，其設(shè)計(jì)靈感來(lái)自于人類的脊柱。由于用膠合板生產(chǎn)制作，因此需完成開(kāi)料、銑削、拼合等加工工序，并且截面形狀越復(fù)雜，銑削工藝也越復(fù)雜、繁瑣，尺寸穩(wěn)定性和精確度也越難保證。為使椅子適合戶外使用，還需對(duì)拼合好的部件進(jìn)行涂層防護(hù)。木塑材料雖具有與樺木等木材不同的性質(zhì)，不能完全替代木材，但若使用木塑擠出成型技術(shù)制造這類家具，只需依截面形狀設(shè)計(jì)模具就可實(shí)現(xiàn)一次成型，不僅可提高生產(chǎn)效率，減少材料浪費(fèi)，降低生產(chǎn)成本，還實(shí)現(xiàn)了木塑家具的創(chuàng)新，改善了生產(chǎn)工藝。

圖5 模仿人類脊柱造型的SPYNDI椅與變形組合原理Fig.5 SPYNDI chair modeled after human spine and deformation combination principle

通過(guò)對(duì)SPYNDI椅分析發(fā)現(xiàn)，該椅之所以能夠?qū)崿F(xiàn)如此多的組合變形是由于其零部件的截面形狀。其部件有一個(gè)長(zhǎng)邊A、一個(gè)短邊B（見(jiàn)圖5），當(dāng)以A+B+A+B+…+A+B形式組合時(shí)，可以形成直線形；當(dāng)以A+A+…+A+A形式組合時(shí)，可以形成曲線型，從而實(shí)現(xiàn)了多樣化組合。若將該設(shè)計(jì)應(yīng)用于木塑家具，可一定程度上改變基于擠出成型的木塑復(fù)合家具結(jié)構(gòu)單一的狀況。為便于木塑復(fù)合材料擠出成型，克服其在擠出機(jī)流道內(nèi)流動(dòng)性不足的缺陷，對(duì)其截面形狀進(jìn)行一定改良，將較為尖銳的角鈍化（見(jiàn)圖6）。結(jié)合該設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)特色和木塑擠出型材特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了“云卷云舒”木塑椅和茶幾（見(jiàn)圖7）。

圖6 截面形狀優(yōu)化Fig.6 Section shapes optimization

圖7 “云卷云舒”木塑茶幾與木塑扶手椅Fig.7 Clouds shape wood-plastic composite tea table and chair

4.2 基于拼圖模式的截面形狀優(yōu)化

SPYNDI椅的結(jié)構(gòu)更適合用于曲線形態(tài)自由的家具，對(duì)于桌子、柜子、茶幾、架子等家具，則應(yīng)考慮穩(wěn)定性較高的結(jié)構(gòu)。筆者從拼圖中得到靈感，通過(guò)對(duì)形狀進(jìn)行篩選，設(shè)計(jì)了包括適合于直向結(jié)合、轉(zhuǎn)角結(jié)合、斜向結(jié)合、端頭結(jié)合的四種木塑擠出截面形狀（見(jiàn)圖8）。采用這幾種截面形狀的擠出型材便可組合形狀各異的木塑家具。

圖8 拼圖模式截面形狀Fig.8 Cross section shapes of jigsaw pattern

以“圓缺”茶幾、“樹(shù)形陽(yáng)臺(tái)花架”和“方圓”木塑休閑椅設(shè)計(jì)為例?！皥A缺”茶幾分別采用了適合直向結(jié)合、轉(zhuǎn)角結(jié)合、端頭結(jié)合截面形狀的木塑擠出型材（見(jiàn)圖9），構(gòu)成一定的曲線形狀，造型優(yōu)雅美觀?！皹?shù)形陽(yáng)臺(tái)花架”的設(shè)計(jì)中，充分考慮了在陽(yáng)臺(tái)使用會(huì)面臨的潮濕問(wèn)題，采用了適合直向結(jié)合、轉(zhuǎn)角結(jié)合、斜向結(jié)合和端頭結(jié)合截面形狀的木塑擠出型材。由于花架是組裝而成，為適應(yīng)盆栽的不同高度，可自由調(diào)節(jié)花架間的高度（見(jiàn)圖10）?！胺綀A”木塑休閑椅采用了適合直向結(jié)合、轉(zhuǎn)角結(jié)合、端頭結(jié)合截面形狀的木塑擠出型材（見(jiàn)圖11），用木塑擠出構(gòu)件組合成椅子的框架結(jié)構(gòu)，再在座面上鋪上軟墊增加其舒適性。

圖9 “圓缺”茶幾組合結(jié)構(gòu)圖和效果圖Fig.9 Structure diagram and bird view of tea table combination of circle shape

圖10 “樹(shù)形陽(yáng)臺(tái)花架”組合結(jié)構(gòu)圖和效果圖Fig.10 Combined structure drawing and bird view of tree shape

圖11 “方圓”木塑休閑椅組合結(jié)構(gòu)圖和效果圖Fig.11 Combination structure drawing and bird view of rectangular and circle shapes wood-plastic composite leisure chair

5 結(jié)語(yǔ)

在家具制造領(lǐng)域，木塑復(fù)合材料因其環(huán)保和優(yōu)良的性能越來(lái)越備受關(guān)注，其應(yīng)用也變得更為廣泛。擠出成型作為木塑復(fù)合材料一種高效高產(chǎn)的生產(chǎn)技術(shù)，將其運(yùn)用到家具生產(chǎn)與制造中，可以推進(jìn)木塑復(fù)合材料在家具領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用。本文結(jié)合實(shí)例對(duì)木塑家具擠出型材的截面形狀進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，希望能對(duì)家具設(shè)計(jì)師們有所借鑒和啟發(fā)。家具設(shè)計(jì)師在使用木塑復(fù)合材料設(shè)計(jì)時(shí)，不僅需要考慮木塑家具的造型，還應(yīng)考慮木塑復(fù)合材料性質(zhì)及其成型工藝，如此，才能設(shè)計(jì)出優(yōu)秀的木塑家具。亦希望擠出設(shè)備的設(shè)計(jì)特別是擠出模具的設(shè)計(jì)能由此反向逆推，為木塑擠出型材在家具制造領(lǐng)域的應(yīng)用帶來(lái)更多活力。