Otimização e previsão do comportamento tribológico de compósitos de politetrafluoretileno preenchidos utilizando modelos de regressão Taguchi Deng e vetores de suporte híbridos

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 10393 (2022) Citar este artigo

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Este estudo apresenta otimização e previsão do comportamento tribológico de compósitos preenchidos de politetrafluoretileno (PTFE) usando modelos híbridos Taguchi e modelos de regressão vetorial de suporte (SVR). Para alcançar a otimização, Taguchi Deng foi empregado considerando múltiplas respostas e parâmetros de processo relevantes para o comportamento tribológico. O coeficiente de atrito (µ) e a taxa de desgaste específico (Ks) foram medidos usando tribômetro pino-sobre-disco. Neste estudo, carga, granulometria, distância e velocidade foram os parâmetros do processo. Um arranjo ortogonal L27 foi aplicado para o projeto experimental Taguchi. Um conjunto de parâmetros ótimos foi obtido usando a abordagem de Deng para respostas múltiplas de µ e KS. A análise de variância foi realizada para estudar o efeito dos parâmetros individuais nas respostas múltiplas. Para prever µ e Ks, o SVR foi acoplado aos novos modelos de otimização de Harris Hawks (HHO) e otimização de partículas de enxame (PSO), formando modelos SVR-HHO e SVR-PSO, respectivamente. Quatro métricas de avaliação de modelo foram usadas para avaliar a precisão da previsão dos modelos. Os resultados da validação revelaram melhorias sob condições de teste ideais. Os modelos SVR híbridos indicaram precisão de predição superior ao modelo SVR único. Além disso, o SVR-HHO superou o modelo SVR-PSO. Verificou-se que os modelos Taguchi Deng, SVR-PSO e SVR-HHO levaram à otimização e predição com baixo custo e precisão superior.

Os compósitos de matriz polimérica preenchida (PMCs) contendo cargas continuam a receber atenção significativa de acadêmicos e indústrias devido aos seus comportamentos mecânicos e tribológicos modificados em relação aos polímeros virgens . Os compósitos à base de polímeros apresentaram melhor resistência tribológica2. Dos diferentes tipos de polímeros, o politetrafluoretileno (PTFE) preenchido com fibras de carbono ou bronze é amplamente utilizado devido ao seu elevado comportamento mecânico e baixo tribológico3. Foi indicado que esses compósitos são adequados em setores onde os comportamentos tribológicos de peças mecânicas, incluindo freios e embreagens, são significativos . Tem sido geralmente aceito que a resistência tribológica dos materiais pode ser melhorada adicionando mais conteúdo de carga até um certo limite aos polímeros puros. O politetrafluoroetileno (PTFE) tem sido uma das matrizes termoplásticas comumente utilizadas para condições de desgaste devido ao seu baixo coeficiente de atrito, facilidade de processamento, inércia química, baixa densidade e baixo custo .

O desgaste é um dos problemas mais comumente encontrados nas indústrias, causando substituição frequente de peças, principalmente abrasão. O desgaste abrasivo de vários polímeros e polímeros preenchidos foi estudado experimentalmente. A taxa de desgaste abrasivo de diferentes matrizes foi estudada por12 e descobriu-se que diferentes polímeros exibiam taxas de desgaste diferentes. A inclusão de tecido de vidro e carbono em vinil/éster foi analisada. A combinação vinil/éster reforçado indicou menor taxa de desgaste do que o compósito vinil/éster reforçado com tecido de vidro e/ou carbono13. Conforme relatado por14, a carga aplicada foi considerada o parâmetro de processo mais significativo; taxa de desgaste reduzida foi observada quando o UHMWPE de desempenho foi reforçado com cargas. De acordo com15 foi observado que a perda de massa e μ aumentaram com o aumento da velocidade e diminuição do tamanho dos grãos para compósitos epóxi com carga de noz de betel.

A fim de estudar múltiplas respostas relacionadas ao comportamento tribológico de compósitos, vários métodos de tomada de decisão, incluindo desenvolvimento de dados, hierarquia analítica, bem como análise relacional cinza (GRA), foram propostos na literatura . Destes modelos, o GRA proposto por Deng em 1989 é a metodologia amplamente utilizada especialmente quando a natureza da informação não é certa e completa17. Dharmalingam, Subramanian e Kok combinaram análise relacional cinza (GRA) com Taguchi para otimizar a propriedade tribológica abrasiva de compósitos metálicos híbridos de alumínio. A análise de variância (ANOVA) indicou que o tamanho do grão foi o parâmetro que teve maior influência na taxa de desgaste e a carga teve o maior efeito no coeficiente de atrito18. Sylajakumar et al.19 utilizaram o método Taguchi-GRA para estudar o efeito da carga, velocidade e distância no coeficiente de atrito e taxa de desgaste do compósito co-longo. ANOVA mostrou que a velocidade afeta significativamente a propriedade de desgaste do compósito co-contínuo. Savaran e Thanigaivelan20 otimizaram a geometria da ondulação e os parâmetros do laser usando análise de componentes principais (PCA) acoplada a GRA. A ANOVA mostrou que a potência média contribuiu mais, enquanto a profundidade contribuiu menos para as medidas de desempenho. Um método integrado Taguchi OA e GRA foi aplicado para otimizar os parâmetros de moldagem por injeção de nanocompósitos HDPE-TiO2 Pervez et al.21. O trabalho estabeleceu que os parâmetros ótimos foram teor de TiO2 a 5%, temperatura do barril de 225 °C, tempo de residência de 30 min e tempo de retenção de 20 s. Adediran et al. propriedades mecânicas otimizadas de biocompósitos híbridos reforçados com propileno usando o modelo Taguchi. Verificou-se que a colagem de 4% PSS e 10% de fibra kenaf produziu a combinação ideal para biocompósitos híbridos22. Além disso, o método Taguchi hibridizado com classe relacional cinza também tem sido empregado para otimização multi-resposta de usinagem por descarga elétrica de fio23, processo de torneamento24 e parâmetro de fresamento25.