新型纖維流動耦合模型 預測準確度成功獲實驗驗證!

淡江大學化學工程與材料工程系 副教授 黃招財

近年來產學界在利用長纖維塑膠複合材料(Long fiber reinforced plastics, LFRP)應用於產品輕量化之研究,仍然非常盛行。然而,對於此複合材料內的纖維微結構(包括:纖維排向、纖維長度、纖維濃度)在射出成型製程中如何變化,以及這些微結構對射出成品如何定量地影響,目前仍未全盤了解與掌握。因此過去五年多來,淡江大學化材系團隊特別著眼於纖維微結構特徵(microstructure features)與產品巨觀物理特性(physical properties)之研究,希望能找出具體的關聯性。

針對長纖維─塑膠複合材料之微結構,主要透過Moldex3D進行深入的學理探索,也應用微電腦斷層掃瞄(micro-computerized tomography, micro-CT)及影像處理分析(後續稱為影像分析實驗結果)進行實際成品之微結構特徵驗證。另一方面,我們也針對射出成品進行機械特性之拉伸實驗測試,初步已經能理解及量化流動如何影響纖維微結構特徵,進而影響產品之翹曲變形,並且進一步影響射出成品之機械特性。具體而言,我們利用一個複合型幾何做為研究系統,其內部同時含有三種不同進澆型式之 ASTM D638 標準試片,如圖一所示。首先利用Moldex3D軟體,從幾個不同視角(如圖二所示)觀察翹曲變形,再進行實驗,之後將模擬分析與實驗數據整合,如表一所示。從結果得知,分析預測與實驗結果非常吻合。

圖一 研究之幾何系統: 內含有三種不同進澆型式之 ASTM D638 之標準試片

圖二 從不同視角去觀察產品翹曲變形

表一 利用模擬分析與實驗數據產品翹曲變形量值比較

再者,為了解不同纖維長度對射出成品之機械性質的影響,我們對三種試片透過萬能拉力機進行拉伸強度之探索,結果如圖三所示。從中可發現,同一種試片的拉伸強度特性將隨著纖維長度增加而增強。以Model I為例,純PP的射出成品,強度約為 20 N/mm2;當改用長纖維材料後,其強度提升到約 140 N/mm2,可見纖維長度之增加,可有效提昇射出成品之拉伸強度。同樣地,從Model II也可發現類似趨勢,其強度由 20 N/mm2(純PP材料)提升到 120 N/mm2(長纖維材料)。至於Model III則因為利用雙邊入料會產生縫合線,所以強度提升較不明顯,僅從 20 N/mm2提升到約 40 N/mm2。

若進一步比較Model I及 Model II之間的強度差異,則發現使用含纖維複合材料時,Model I的強度都大於Model II,例如:在中纖維材料下,Model I與Model II的強度比為 118 N/mm2比上 105 N/mm2;改為長纖維複合材料時,Model I與Model II的強度比則是 140 N/mm2比上 120 N/mm2。推測此現象發生的原因,可能是側邊入料所造成的入口效應,帶來了較強的纖維排向效應所導致。整體而言,巨觀物理特性之模擬分析預測,與實驗結果高度相符。

圖三 三種試片不同材料之拉伸強度之比較

接下來我們深入探討前述巨觀物理特性所對應之微觀纖維排向特性,經模擬分析與實驗觀察比較(圖四),可發現整體纖維排向趨勢預測相當一致。此部份更詳細之內容與描述,請參考我們已經發表於 International Journal of Precision Engineering and Manufacturing-Green Technology (2020/06/30, DOI: 10.1007/s40684-020-00226-2)的論文” Flow-induced Orientations of Fibers and Their Influences on Warpage and Mechanical Property in Injection Fiber Reinforced Plastic (FRP) Parts”。

圖四 Model I 標準試片之纖維排向模擬分析與實驗觀察之表徵:(a)靠近澆口區域(near gate region, NGR);(b)充填結束區域(end of filling region, EFR)

然而,近期我們針對先前完成的纖維排向模擬分析結果(沒有考慮流動─纖維耦合作用)與影像分析實驗結果仔細比較,發現雖然A11及A22纖維排向整體變化趨勢還算吻合,不過變化量值仍有差異(如圖四所示)。為何仍此部份仍存有一定差異,是我們一直在思索的問題。剛好近期美國普渡大學的Dr. Anthony Favaloro1 et al. [1] 提出 IISO 黏度模型,來推估高分子熔膠流動與纖維互相做用影響下的黏度變化;之後再由科盛科技曾煥錩博士與 Favaloro1 [2] 將此IISO model 修正為 Revised IISO model並導入Moldex3D軟體。我們應用此新世代IISO 黏度模型,加入考量流動與纖維耦合作用,發現模擬分析之A11及A22纖維排向與影像分析實驗結果相當接近,特別是透過單次實驗所產生三個不同流場之ASTM D638標準試片系統(如圖一系統),探討其流動與纖維耦合作用如何影響纖維排向,結果如圖五所示。其中圖五(a) 為Model I 標準試片之纖維排向模擬分析與實驗觀察之比較,從結果得知,當考量流動與纖維耦合作用時,在靠近流動末端 垂直流動之纖維排向(A22)將明顯主導。另外,針對同一實驗並在不同區域之Model II 標準試片之纖維排向模擬分析與實驗觀察之比較,從結果也得到驗證,如圖五(b)所示。

圖五 當考慮及不考慮流動與纖維耦合作用時,纖維排向模擬分析結果與實驗觀察結果之比較: (a) Model I at EFR(充填結束區域);(b) Model II at EFR(充填結束區域)

整體而言,此次透過應用Moldex3D纖維排向模組,加上針對流動與纖維耦合作用之考量,在一體成型複雜幾何系統內,纖維排向差異性極大的A11及A22都能準確地被預測,此等結果令人非常振奮,也非常高興能分享給產學界的朋友們。另外,如果對詳細結果有興趣,請參照我們的近期投稿於Polymers 2020, 12, 2274; doi:10.3390/polym12102274之文章,相關連結如下:

HTML Version: https://www.mdpi.com/2073-4360/12/10/2274/htm
PDF Version: https://www.mdpi.com/2073-4360/12/10/2274/pdf

Note 1: Anthony Favaloro: Research Scientist at Purdue University, West Lafayette, Indiana, United States

參考文獻

  1. Favaloro, A.J.; Tseng, H.C.; Pipes, R.B. A new anisotropic viscous constitutive model or composite molding simulation. Compos. Part A 2018, 115, 112–122.
  2. Tseng, H.C.; Favaloro, A.J. The use of informed isotropic constitutive equation to simulate anisotropic rheological behaviors in fiber suspensions. J. Rheol. 2019, 63, 263–274.