2020年7月雜誌專題塑膠材料

淺談 EZP 量測滲透率與 RTM 模擬最適化之關係

■科盛科技 / 王智偉 經理

 

 

輕量化材料的需求

近 20 年來由於能源價格高漲以及地球暖化,產業界一直致力於研發更輕、更堅固與更高效的產品。纖維增強塑料 (FRP) 由於其卓越的機械性能和輕質特性而被廣泛用於 3C 產品、汽車、造船、航空航天和風電等各種應用。FRP 並不是一種新的材料,但因其材料性質的改善,大大的提升了它的性能範圍:例如複材所使用基質材料的改進使其能夠承受更惡劣的環境、某些 polyimides 聚酰亞胺的使用溫度範圍可達 260-300° C[2]。同樣,補強材料類型和構造的變化也產生了改進的強度和加工特性。FRP 的增強材料包括短 /長纖維、纖維氈、定向織物和編織結構,這使它們可以適應不同的工藝。

樹脂灌注轉注成型 (RTM) 是極具潛力的的成型技術,屬於液態複合材料成型 (LCM) 工藝之一。RTM 工藝可用於製造需要較高的機械性能之大型及複雜的產品,此技術也可達到較高的尺寸公差需求和較高的表面光潔度,因此具有非常廣泛之應用。此外,由於 RTM製程特色,例如部分產品不需極昂貴的工藝設備,適用閉模工藝,具有低填充壓力,產品擁有出色的機械性能,也可以與金屬嵌件結合,可製造大型和與複雜的零件 [3-5]。

 

RTM 產業面臨的挑戰

RTM 產業仍然面臨不少挑戰,例如局部較高的纖維體積會極大地改變模具的填充行為,因此很難準確地預測樹脂的流動。RTM 操作人員無法準確預測這些影響,也無法在關閉注射過程之前透過目視的方式來驗證零件是否已達到完全飽和。如果零件不是 100%浸漬的,會引入諸如乾斑或空隙之類的缺陷,並且必須丟棄該零件並更改注射幾何形狀,直到消除所有乾斑為止。若將這種反複試驗的方法應用於大型結構及公用事業級渦輪機葉片的樹脂傳遞模塑中,其成本將是昂貴的。然而,通過成功地模擬 RTM 流動,可以預測複雜結構中的流動特性並消除跟踪誤差方法 [6-7]。

 

 

EASYPERM 導入與滲透率的量測

樹脂在纖維布流動之難易度,稱之為滲透率,是纖維布的材料本質,主宰了 RTM 灌注過程中流體充填纖維布時的流動特性,也是在 RTM 模擬裡非常關鍵的材料參數,數值的可靠度影響了模擬的精準度。有鑑於此,科盛科技採購了 ESI 複材集團所開發之專業滲透率量測儀器 EASYPERM,該設備於 2015 年獲得了JEC 發明獎,該儀器通過壓力傳感器測量不同位置的局部壓力進而計算滲透率,儀器可透過快速更換不同模具 ( 圖 1a、1b),分別取得平面方向與厚度方向之滲透率。EASYPERM 也可藉由精準控制纖維布的厚度得到不同孔隙率之實驗條件,提供不同製程條件下所需之材料參數。

 

 

EASYPERM 與模擬之間的比對驗證

藉由 EZP,我們針對不同纖維布展開一系列與 CAE 模擬比對的實驗。實驗方面,纖維布的滲透性是通過使用平衡的流量和局部壓力來表徵,再帶入 Darcy’sLaw 獲得滲透率之值。取得滲透率的實驗值後,我們利用 Moldex3D 模擬滲透率測量過程中非平衡階段的灌注行為,以取得模擬工具的適用性與準確性。在此充填階段,系統尚未達到平衡狀態,局部壓力會隨著增加,藉由壓力傳感器,我們不僅可得到局部壓力隨時間的變化,還可得到波前到達的時間,過程中壓力的變化圖提供模擬與實驗比對寶貴的資訊。在實驗過程,當流動波前到達感測節點時,局部壓力從零開始增加,因此在模擬驗證案例裡,比較模擬結果和實驗結果之間的到達時間和局部壓力增加趨勢。
藉由 EZP 的壓力傳感器(圖 2),我們不僅可以得到波前到達感測節點的時間,也取得局部壓力隨時間的變化。當流動波前抵達感測節點時,局部壓力從零開始增加,我們在驗證案例比較了模擬的流動波前(圖3)和實驗結果之間的到達時間和局部壓力增加趨勢(圖 4 與表 1),兩者極為接近,也驗證了軟體的精準度。

 

 

結語

在 RTM 模擬裡,材料特性如纖維布的滲透率會影響到模擬的可靠度,因此極為重要,但採取 VARTM 方式的滲透率的量測,量測的效率及可靠度都會因人而異。有鑑於此,在這研究案,我們利用了 EZP 量測了纖維布的滲透率,並且驗證了軟體的精準度。■

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SMARTMolding編輯部

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