Moldex3D整合LS-DYNA预浸布分析 多材质翘曲模拟更全面

in Top Story on 2 月 02, 2017

连续纤维复合材料提供产品优越的强度性能,其利用不同编织布的迭层设计达到产品强度的可设计性,并保有质量轻的特性。近年来,随着产品减重的需求日异增高,业界开始结合不同成型方式于连续纤维复合材料上,将预热压成型的纤维预浸布(Prepreg)作为嵌入件,并在预浸布上进行二次射出加工,此方式可将功能性结构附加到产品上,更进一步提高产品结构强化,并达到减重需求(图一)。

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图一 热压及射出复合成型产品

这样的复合成型制程称为两阶段包覆成型(two steps over molding),通常包含两部分(图二):纤维预浸布铺覆程序(Draping process)及二次加工成型。纤维预浸布的成型方式是将干式纤维布预先浸润在室温的树脂中,再进行低温冷冻。接着利用机器手臂移动片状的固态预浸布放置在模具中,进行铺覆程序。

铺覆程序是主要目的是赋予迭层纤维布产品外型,迭层好的纤维预浸布会照射红外线加热软化,进行压缩成型后待成品固化,接着再进行塑料射出灌注。成型后的产品包含连续性纤维预浸材及后射出的功能件部位,而如何有效预测结合两者成型的产品特性行为是一项重要课题。

moldex3d-links-3d-injection-molding-simulation-with-ls-dyna-draping-analysis-to-offer-a-more-comprehensive-analysis-for-multi-component-molding-simulation-2图二 两阶段包覆成型
Source : Kauss Maffei, FiberForm lightweight parts The perfect combination of thermoforming and injection moldingmbination of thermoforming and injection molding

Moldex3D在R14版本整合了LS-DYNA分析连续性纤维铺覆程序变形的能力:将铺覆变形后的纤维布排向考虑到Moldex3D中,模拟预测包覆成型产品在进行二次加工时复合材料产品翘曲变形的情形。其中LS-DYNA主要进行连续性纤维压缩成型的变形行为分析;Moldex3D则接续LS-DYNA计算完成的预浸料固体变形,读入几何外型和连续性纤维排向分布结果,作为嵌件的几何和材料特性参数。在流动计算分析时考虑嵌件属性的预浸布外型为边界条件,而在翘曲计算时考虑嵌件为连续性复合材料,进行多材质的翘曲变形预测分析(图三)。

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图三 Moldex3D整合LS-DYNA进行两阶段包覆成型分析

图四为Moldex3D研究案例。在连续纤维预浸材上方进行塑料结构件的二次加工,Moldex3D分析射出、保压程序并进行翘曲计算,并考虑非连续纤维的排向结果。

moldex3d-links-3d-injection-molding-simulation-with-ls-dyna-draping-analysis-to-offer-a-more-comprehensive-analysis-for-multi-component-molding-simulation-4.jpg图四 两阶段包覆成型分析不同部分几何示意

Moldex3D的多材质分析功能,将单轴纤维预浸材料排向进行三个方向的测试分析,产生强度在产品方向上的差异。结果得到Z轴位移在纤维排向45度时变形;纤维排向0度、90度时Z轴位移的变形较小,其中又以90度排向的最理想(图五)。

moldex3d-links-3d-injection-molding-simulation-with-ls-dyna-draping-analysis-to-offer-a-more-comprehensive-analysis-for-multi-component-molding-simulation-5图五 不同连续纤维预浸材铺设方向对产品翘曲量值预测

Moldex3D的射出流动分析会考虑非连续纤维的排向影响,并分离出塑料及纤维排向的影响。在此例中,塑料造成的收缩影响较大,造成产品产生Y方向较大的收缩;90度排向的连续纤维预浸材的方向则可以弥补此收缩量的影响,因此达到产品变形最小收缩量值的需求。

moldex3d-links-3d-injection-molding-simulation-with-ls-dyna-draping-analysis-to-offer-a-more-comprehensive-analysis-for-multi-component-molding-simulation-6图六 Moldex3D预测射出塑料结构件的产品变形

由本案例可了解两阶段包覆成型中,连续纤维预浸材的排向与射出成型的非等向性短纤维,都会影响产品的翘曲量值,并发现不同纤维排向主导了大部分的产品翘曲量值和趋势。由此可见,Moldex3D模流分析后对两阶段包覆成型制程的流程规画、翘曲预测可提供显著帮助,进而达到缩短上市时程、降低成本的功效。


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