新纖維流動耦合模型 可模擬非等向性流動

科盛科技研究發展部專案經理 曾煥錩博士

纖維強化熱塑性複合材料(FRT)常用於汽車及航太產業,以減輕車輛重量和改善燃油效率。處理FRT的方式包括快速、高自動化的壓縮成型和射出成型技術,將纖維和樹脂運送至模腔。纖維強化塑料的非等向性流動行為主要取決於纖維排向狀態。以實務上的壓縮成型的片狀玻璃熱塑性塑料(GMTs)而言,纖維排向所產生的非等向性流動,會使圓盤狀的產品被擠壓成為橢圓形(圖一)[1]。一般情況下,純樹脂在射出成型中的熔膠波前是平滑的,且以自由表面往外延伸(圖二)[2]。已知當長纖/短纖熔膠的纖維濃度較高時,會產生一些特定且不規則的流動特徵,亦即自由表面會沿著模腔內以較快的速度前進。


圖一 圓盤沿著單軸擠壓變形,變成橢圓 [1].

圖二 (A)純樹脂、(B)FRT的流動行為示意圖 [2].

在Moldex3D與美國普渡大學合作的研究中,普渡大學複合材料製造及模擬中心的Dr. Favaloro及Prof. Pipes提出了IISO (informed-isptropic)黏性理論,Moldex3D則將此應用至模擬軟體中。透過Moldex3D射出成型和壓縮成型非等向性流動模擬,是很重要的。最近Moldex3D IISO模型也獲得美國專利, [3, 4] 並發布於科學期刊 [5, 6]

Moldex3D的模擬中,在壓縮成型系統內最初的纖維配向分布是X軸單向的(圖三),材料為聚丙烯(200°C)加上25%的長玻璃纖維(展弦比L/D=360),最終的流動波前明顯由原本的圓形轉變成橢圓(圖四)。此外在模擬結果中,添加50wt%短玻纖(展弦比L/D=20)的Polyamide66,流動波前也顯示自由表面會沿著側壁以較快的速度前進(圖五)。


圖三 Moldex3D壓縮成型模擬

圖四 單向塑料X軸的最終流動波前 [5].

圖五 射出成型中非等向性流動波前之模擬結果 [6].

到目前為止,即便是要使用最頂尖的CFD軟體模擬此纖維排向所導致的非等性流動行為,仍是一大挑戰。因此IISO黏性理論對於掌握非等向性流動,是非常關鍵的技術。在Moldex3D現行版本的纖維耦合分析技術,可廣泛運用於射出及壓縮成型產業,幫助預測纖維複材的製造。

 

Reference Source:

[1] Favaloro AJ, Sommer DE, Denos BR, Pipes RB. Simulation of prepreg platelet compression molding: Method and orientation validation. J Rheol 2018; 62 1443.
[2] Truckenmüller F, Fritz H-G. Injection molding of long fiber-reinforced thermoplastics: A comparison of extruded and pultruded materials with direct addition of roving strands. Polym Eng Sci 1991; 31 1316-1329.
[3] Favaloro AJ, Pipes RB, Tseng H-C. Molding system for preparing fiber-reinforced thermoplastic composite article. US Patent No. 1020918; 2019.
[4] Tseng H-C, Chang R-Y, Hsu C-H. Molding system for preparing fiber-reinforced thermoplastic composite article. US Patent No. 1020921; 2019.
[5] Favaloro AJ, Tseng H-C, Pipes RB. A new anisotropic viscous constitutive model for composites molding simulation. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing 2018; 115 112-122.
[6] Tseng H-C, Favaloro AJ. The use of informed isotropic constitutive equation to simulate anisotropic rheological behaviors in fiber suspensions. J Rheol 2019; 63(2) 263.