可模擬非等向性流動的新纖維流動耦合模型
■科盛科技/曾煥錩 博士
前言
纖維強化熱塑性複合材料(FRT)常被用於汽車及航太產 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 為主要取決於纖維的排向狀態。以實務上壓縮成型的片 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（如 圖1）[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（如圖2）[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。
用於模擬非等向性流動的IISO模型
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（如圖3），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（如圖4）。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（如圖5）。
結語
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。
參考資料: [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 fiberreinforced 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. ■
