新纤维流动耦合模型 可仿真非等向性流动

in Top Story on 4 月 01, 2020
科盛科技研究发展部项目经理 曾焕锠博士

纤维强化热塑性复合材料(FRT)常用于汽车及航天产业,以减轻车辆重量和改善燃油效率。处理FRT的方式包括快速、高自动化的压缩成型和射出成型技术,将纤维和树脂运送至模腔。纤维强化塑料的非等向性流动行为主要取决于纤维排向状态。以实务上的压缩成型的片状玻璃热塑性塑料(GMTs)而言,纤维排向所产生的非等向性流动,会使圆盘状的产品被挤压成为椭圆形(图一)[1]。一般情况下,纯树脂在射出成型中的熔胶波前是平滑的,且以自由表面往外延伸(图二)[2]。已知当长纤/短纤熔胶的纤维浓度较高时,会产生一些特定且不规则的流动特征,亦即自由表面会沿着模腔内以较快的速度前进。


图一 圆盘沿着单轴挤压变形,变成椭圆 [1].

图二 (A)纯树脂、(B)FRT的流动行为示意图 [2].

在Moldex3D与美国普渡大学合作的研究中,普渡大学复合材料制造及仿真中心的Dr. Favaloro及Prof. Pipes提出了IISO (informed-isptropic)黏性理论,Moldex3D则将此应用至仿真软件中。透过Moldex3D射出成型和压缩成型非等向性流动模拟,是很重要的。最近Moldex3D IISO模型也获得美国专利, [3, 4] 并发布于科学期刊 [5, 6]

Moldex3D的模拟中,在压缩成型系统内最初的纤维配向分布是X轴单向的(图三),材料为聚丙烯(200°C)加上25%的长玻璃纤维(展弦比L/D=360),最终的流动波前明显由原本的圆形转变成椭圆(图四)。此外在模拟结果中,添加50wt%短玻纤(展弦比L/D=20)的Polyamide66,流动波前也显示自由表面会沿着侧壁以较快的速度前进(图五)。


图三 Moldex3D压缩成型模拟

图四 单向塑料X轴的最终流动波前 [5].

图五 射出成型中非等向性流动波前之模拟结果 [6].

到目前为止,即便是要使用最顶尖的CFD软件仿真此纤维排向所导致的非等性流动行为,仍是一大挑战。因此IISO黏性理论对于掌握非等向性流动,是非常关键的技术。在Moldex3D现行版本的纤维耦合分析技术,可广泛运用于射出及压缩成型产业,帮助预测纤维复材的制造。

 

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.

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