翘曲预测要精准 材料黏弹性很重要

客户简介

JKU成立约五十年,目前校内有超过20,000名学生在进行学位课程。JKU为上奥地利最大的研究和教育机构,提供多样化的学术课程。(来源:https://www.jku.at/en/)

编辑:Moldex3D欧洲业务部 客户经理Alvin Hsu

作品大纲

要达到期望的产品质量并符合公差需求,翘曲预测至关重要;对纤维强化塑料来说尤其如此。考虑材料黏弹性对于翘曲的影响,其重要性与应用程度也渐趋普及。在本研究中,Moldex3D用于研究黏弹性对翘曲分析的影响。藉由开发一种建立纤维强化塑料非等向性黏弹行为的方法,同时进行实验验证,利用含肋条的实验模及3D扫描进行。结果显示,正确的黏弹模型与量测方法对描述翘曲行为是不可或缺的。

挑战

  • 须开发一个可仿真产品翘曲并进行实验验证的系统
  • 了解翘曲仿真中黏弹性的重要性
  • 研究如何在实际产品中降低翘曲

解决方案

利用Moldex3D进行完整的瞬时分析,透过标准翘曲及含有黏弹的翘曲求解器获得翘曲预测值,最后透过来自GOM GmbH的ATOS Triple Scan III 3D扫描来比对软件的翘曲预测结果。

效益

  • 引入黏弹后,产品最大翘曲量值预测正确性在不含纤材料上提升520%,在含纤材料上则提升78%
  • 判别影响翘曲的重要因子
  • 省下试误法的开发成本

案例研究

本项目由曾在Moldex3D总部实习的博士生Philipp Siegfried Stelzer与奥地利的高分子产品工程学系(Institute of Polymer Product Engineering)的Major教授,以及德国Polyplastics Europe GmbH公司共同研究完成。

若要确保产品质量,正确的翘曲预测是必要的。为了准确模拟预测翘曲的趋势和量值,则首先要先掌握材料特性。本项目目的即为验证材料的黏弹性对于翘曲预测的影响。

在基准检验中使用两种材料,包括纯PBT热塑性高分子材料,以及含30%短纤维的PBT。本项目包含原料的全面量测,以获得材料的热流变及机械性质,而这些皆为进行Moldex3D仿真时所必须的信息。接着进行动态机械热分析(DMA),利用Prony级数来拟合并产生黏弹性模型的校正主曲线。用于此测试的组件为一射出成型的肋条箱,并以ATOS Triple Scan III设备来进行3D扫描,验证仿真结果。

模拟中以Moldex3D BLM网格来准备模型,冷浇道和冷却水路皆依照实体来建造。同时在模型中放置21个量测节点,以验证Z方向翘曲量值(图一)。


图一 测试组件的仿真模型

再来须以Moldex3D标准翘曲模块来进行瞬时分析(Ct-F-P-Ct-W),并用进阶翘曲求解器来预测变形行为。首先使用标准翘曲求解器来模拟纯PBT,由于未考虑黏弹性,因此无法准确预测出产品的翘曲趋势。在改用纳入黏弹性考虑的进阶求解器之后,便成功捕捉到较实际的翘曲结果。另一方面,在纤维强化塑料的部分,标准求解器和和进阶求解器皆可预测出准确的翘曲现象,原因是非等向性材料特性,使得流动产生的纤维配向,会主导翘曲行为(图二)。然而从中也可看到,若考虑黏弹性,仍可显著提高其Z方向变形绝对量值的准确性(图三)。


图二 纤维强化塑料的非等向性

图三 两种PBT材料的翘曲预测验证结果

结果

透过此研究,证实在模拟中考虑材料的黏弹性,是至关重要的。Moldex3D在纳入考虑黏弹性之后,不管是预测纯塑料或纤维强化塑料,都能提升翘曲预测结果准确性。

 


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