創新兩階段模擬，一手掌握片狀複材壓縮製程
■科盛科技
前言
Toyota 北美研究中心成立於 2008 年，致力於研發混和動力車用電子、新世代鎂電池、自駕車等核心技術。因為目前市面上缺乏分析片狀複合材壓縮成型的商用軟體，北美 TOYOTA 研究中心 (TRINA) 團隊希望開發一個新的設計方法，來模擬分析由非連續長纖片材組成的 CFRP 複合產品的流動及翹曲行為。在本案例中，TRINA 團隊開發了一個創新 CAE 方法來模擬片材壓縮成型。此創新方法分為兩階段，結合 LS-DYNA及 Moldex3D，滿足捕捉鋪覆過程中的彈塑性結構行為及壓縮過程中的塑料流動行為，提供 TRINA 團隊更準確的纖維排向及翹曲模擬能力。
面臨的挑戰與應對
目前團隊所面臨的挑戰主要有二，一是「缺乏實用性高的商用片狀複合材壓縮成型分析」，二則是「標準結構或壓縮成型軟體均無法處理的片狀複合材料鋪覆成型過程」。對此，TRINA 工程師提出「利用兩階段方法進行壓縮成型模擬」。首先，利用 LS-DYNA 模擬片狀複合材料的鋪覆程序。接著，將鋪覆的形狀考量進 Moldex3D 壓縮成型模擬。透過上述做法，預期能分別帶來下列幾項效益：
•提供前所未有的兩階段 CAE 模擬方法，賦予業界模擬鋪覆及壓縮片狀複合材料的能力。
•精準的纖維排向預測能力。
•加速產品開發時程，降低成本。
案例研究
本案例中，北美 Toyota 研究中心 (TRINA) 針對含碳纖維的熱塑性片狀預浸材 (SMC) 進行研究。此片材由不連續長纖維所構成。由於片材在壓縮成型製程結束後，較容易維持原始長纖結構，因此受到 TRINA 研究員的青睞，此製程包含下列四個階段（如圖一）。
步驟一：將含 35% 碳纖的 PA6 片材加熱至熔點。
步驟二：將加熱後的片材以低壓方式鋪覆至模穴中，即為鋪覆程序。
步驟三：將片材壓縮至模穴中，並以高壓打孔至凝固。
步驟四：將凝固後的塑件從模具中頂出，並放置在空氣中冷卻。
片材的壓縮成型製程常伴隨著鋪覆和壓縮程序。鋪覆程序涉及塑料彈性結構行為；而壓縮製程則涉及流動行為。要在模擬中同時考量此兩種行為的交互作用，是一大挑戰。而透過 Moldex3D 與結構分析軟體的整合，即可完整模擬這兩種行為。此模擬流程分為兩階段（圖 2）：第一階段以有限元分析軟體 LS-DYNA 模擬鋪覆過程；第二階段則由 Moldex3D 進行流動和翹曲分析。
TRINA 基於汽車產業輕量化需求設計出三穴塑件產品（圖 4），其量測並輸入至 Moldex3D 的材料特性如圖 3 所示。
TRINA 團隊欲進一步比較翹曲及纖維排向之模擬結果與實際實驗差異。在 LS-DYNA 模擬中，於壓縮區域中的鋪覆行程距離在 60%、80% 和 100% 時停止，並將此時數據作為輸入 Moldex3D 的預浸料邊界條件。模擬結果顯示當鋪覆距離在 80% 停止，與實驗數據高度相符（圖 5），因此後續分析將以此條件進行。
TRINA 團隊比較翹曲、纖維排向及不同行程距離效應，這三種模擬結果與實際實驗之差異。翹曲的比較結果如圖 6 所示，以產品上的位置 A 作為測量點。不同模溫之下的翹曲預測，與實驗結果誤差均在 8% 以內。此外 Moldex3D 模擬及實驗結果都顯示，提高模溫會造成翹曲量增加。在纖維排向部分，TRINA 團隊則選擇 A、B、C 三個位置為基準，如圖 7(a) 所示。在標準化的厚度上，以 斷 層 掃 描 及 體 積 圖 形 分 析 法 之 量 測 結 果， 比 對Moldex3D 模擬，結果如圖 7(b)(c)(d) 所示，整體而言，Moldex3D 的預測結果與實驗數據相差不到 15%。
結果
透過 Moldex3D 整合其他結構分析軟體的功能，TRINA 得以使用此先進的兩階段模擬方法，預測不連續長纖片狀塑料在壓縮成型製程中的行為，並獲得與實際情形誤差很小的分析結果。藉由這樣的模擬能量，TRINA 將可進一步實現製造兼具輕量化且高強度的汽車複材產品需求。■
