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Moldex3D纖維配向預測帶來長纖維複合材料的益處
[SmartAuto 報導]   2018年03月15日 星期四 瀏覽人次: [2827]

由於長纖維強化熱塑性複合材料(LCFRT)能滿足產品安全和耐用的需求,且碳纖維的機械特性也比天然纖維強韌,因此常被用來作為輕量化的汽車材料。在實務上,從射出成型的纖維產品上,可觀察到典型層狀結構,如皮層、核心層等。長纖維的非等向性纖維配向,會影響成品的機械性質。然而在處理長纖維以及纖維濃度高的產品時,如何預測非等向性纖維配向,是一項很大的挑戰。到目前為止,以模擬的方式探討各種纖維複材的纖維配向變化之案例並不多。

Moldex3D纖維配向預測帶來長纖維複合材料的益處

本案例以聚丙烯(PP)和聚?胺6,6(PA66)的高分子聚合物組合進行探討。使用的原料是長纖維強化熱塑性複合材料,包含了50wt% LCF/PP和50% LCF/PA66。

圖1為邊緣澆口模具充填的PNNL板狀產品,由西北太平洋國家實驗室(PNNL)所設計,尺寸為178mm x 178mm x 3.175mm。有別於過去模式,透過塑膠射出CAE軟體Moldex3D的創新纖維配向理論模式──iARD-RPR模型,只需要三個參數,能夠精確預測出射出成型製程中的纖維配向。圖2為該產品中間區域(B區,平板的中間)厚度方向的纖維配向分布,可看出模擬預測與實驗結果所呈現的數據相當一致。

複合材料的性質分析模擬軟體Digimat-MF(MSC Software和e-Xstream engineering) 是透過微觀力學模型Mori-Tanaka模式,來計算纖維強化熱塑性複材的機械性質。根據所預測的纖維配向資訊,我們運用Digimat-MF得出一個在流動方向的楊氏模數E1。圖3是標準化產品厚度的楊氏模數分配,經比較後發現50wt% LCF/PA66 > 50wt% LCF/PP。平均厚度係數E1值與實驗結果如圖4所示。大致上而言,預測的E1結果準確度尚佳。而在添加了一樣纖維濃度的50wt% LCFs之後,發現PA66的強化效果比PP還要好(圖5)。

整體而言,目前汽車用的長纖維強化熱塑性複合材料之纖維排向,已可透過整合Moldex3D纖維配向預測結果和 Digimat-MF獲得準確預測,並確保其結構強度。要設計高品質且幾何度複雜的塑膠產品,牽涉到流動方向的變化、是否有肋條設計,以及厚度和孔洞的變化等;因此如何決定最適合的參數組合,以得到最佳的纖維排向,在未來的研究中的一大關鍵。

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