模拟纤维强化塑料材料提升强度与耐冲击性

1、【在线研讨会】模拟纤维强化塑料材料提升强度与耐冲击性主讲人：黄松炜 科盛科技 技术支持部副理 内容大纲 简介 纤维强化塑料(FRP)介绍 数学模型定义 纤维排向的重要性 纤维长度的重要性 纤维浓度的重要性 重要特色和效益 充填阶段的纤维分析 翘曲阶段的纤维分析 结构应力的纤维分析 结论 案例 简介什么是纤维强化塑料(FRP) 纤维强化塑料(FRP)已被广泛使用于增强塑料机械性质的主要材料来源原始材料模型 材料应用的范围依照纤维长度设定纤维强化塑料(FRP) 使用纤维强化的产品都可以透过下列三项重要的参数，进而了解纤维对于流动行为、翘曲变形与产品结构强度的影响 纤维排向 纤维长度(螺杆成型过程的

2、纤维断裂预测) 纤维强化塑料(FRP) 纤维浓度(浓度分布受到纤维排向和熔胶黏度影响) 纤维配向会决定塑料构件的非等向性机械性质，降低翘曲变形结果非等向性 (考虑纤维配向)等向性 (无考虑纤维配向)结构分析结果：形变Source: 2014 e-Xstream Engineering纤维强化塑料(FRP) 机械性质强化 使用短纤或长纤的产品都能提升机械强度，包含刚度、强度和耐冲击性数学模型定义 纤维排向(Fiber Orientation) 排向向量 p 排向张量 A 纤维长度(Fiber Length) 平均数量 Ln 平均重量 Lw 纤维浓度(Fiber Concentration) 体积

3、百分比 ? ?v 重量百分比 ? ?wzyxcoszpsinsinypcossinxpeesin),(zyxppppppppAd)(NiiNiiiNNlNL11NiiiNiiiWlNlNL112fibermatrixfiberWWWWfibermixWV影响产品机械性质的主要原因 影响含纤塑件机械性质的主要原因 原料供货商 高分子基材 纤维种类(S或E-GF) 原始纤维尺寸(长短纤) 纤维容量(20-50 wt%) 加工条件的影响 纤维长度断裂 纤维配向纤维配向的重要性 - 纤维排向分布 纤维排向依照流动与厚度方向(核层、壳层、皮层边界)而有所不同 核层(Core)排向相对壳层与表面更凌乱 壳

4、层(Shell)排向会与流动方向有一致性 皮层 (Skin Boundary)排项则会受到纤维与模壁交互作用影响0.0000.400.500.600.700.800.90-0.92-0.77-0.62-0.46-0.31-0.150.000.150.310.460.620.770.92A A1111z/h核层皮层壳层壳层皮层壳层皮层核层壳层皮层SkinSkinCoreShellShell纤维配向的重要性 - 杨式系数与纤维方向 单一排向纤维 平行纤维排向施力会得到最高的杨式模数；相对垂直纤维排向施力其杨式模数最小 双轴向编织纤维 施力方向相对不重要，各方向施力对于杨式模数

5、变化影响很小 纤维配向的重要性 - 3D排向 3D纤维纤维排向排向显显示示 传统传统 2.5D 仅仅适用于薄壳适用于薄壳产产品品设设定定 只考只考虑虑平面取向平面取向(层层-层层)，无法，无法预测预测平面以外厚度方向排向平面以外厚度方向排向 喷喷泉效泉效应应 翻翻转纤维转纤维纤维长度的重要性 一般短纤长度范围在0.2-0.4mm间，大于10mm的纤维称为长纤 加入短纤的悬浮熔胶有高的等向性 加入长纤的悬浮熔胶有较高的非等向性，可以承受较高的应力短纤(纤维较厚)长纤(纤维较薄)纤维效应较差纤维效应较佳螺杆导致纤维断裂对纤维长度的影响 FRP(含纤料)的机械性质取决于纤维长度和配向 实际成型过程中

6、，在料筒中螺杆导致断裂效应的剪切力作用下，剩下的纤维仅有原始长度的60%纤维长度的重要性 - 配向性与收缩率 短纤维 高配向强度 长纤维 低配向强度，低等向性高收缩率低收缩率纤维长度的重要性 - 强度与刚性 使用长纤维可比短纤维更加强塑件的强度与刚性 长纤维也可以提高产品的耐冲击性Moldex3D 纤维断裂分析设定 初始纤维长度13毫米 纤维直径 = 7 m 长径比 = 185713毫米毫米 从螺杆塑化阶段 一般PP塑料含玻纤量40%且平均长度7毫米的纤维，经过螺杆塑化过程后平均长度仅剩下0.7毫米 纤维断裂会受到成型条件设定的影响，如螺杆背压、射出速度、浇口尺寸及喷嘴设计纤维断裂 含玻纤量4

7、0%/PP螺杆塑化影响的纤维断裂 PPS 2015 纤维长度在轴向距离的变化 纤维长度通常会随着流动距离增加而减少纤维长度预测Phelps, J. H., A. I. Abd El-Rahman, V. Kunc, and I. Charles L. Tucker, A Model for Fiber Length Attrition in Injection-Molded Long-Fiber Composites. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing 51 11-21 (2013).纤维浓度的重要性 此浓度预测使用Mar

8、on与Pierce所描述的悬浮粒子平衡模型 1980年Kitano更透过实验来验证此模型理论 高纤维浓度会导致熔胶黏度高，更使得熔胶难以流动 Moldex3D根据此项理论研究并多方加以验证，发展出高准确性的纤维浓度预测技术(Ref: An empirical equation of the relative viscosity of polymer melts filled with variousinorganic fillers, T. Kitano, T. Kataoka, and T. Shirota, 1980)重要特色和效益为什么要使用Moldex3D 纤维模型 透过iARD模型准

9、确预测3D纤维排向 透过预测纤维长度的变化，研究纤维断裂现象 透过悬浮溶液平衡模型预测纤维浓度造成的流动行为 透过模型预测纤维长度，纤维直径和纤维浓度了解非等向的机械性质如何改为产品整体的收缩和翘曲行为 透过Moldex3D的FEA接口可将非等向性的热与机械性质直接输出给应力分析软件使用Moldex3D纤维模型的效益 更可靠的模型 使用Moldex3Ds iARD-RPR配向模型可以增进纤维分析完成度 特别针对核层区域加强结果正确性 不需要针对浇口增加额外的设定 更精确的假设 对于短纤/长纤提供优化的预设参数建议 透过实验比对与校正分析精确性 材料参数不会过度敏感影响分析质量 更多非等向性翘曲

10、预测 透过更精确的玻纤排向可以得到更正确的非等向翘曲变型预测充填阶段的纤维分析 透过纤维排向可以更精确的定位缝合线位置 缝合线的位置因纤维交错可能产生其他衍生问题假设会合接触角大，缝合线位置纤维排向不会交错，会特别弱化整体强度充填阶段的纤维分析 透过更多纤维排向信息可以预测 收缩与翘曲变形行为 机械性质 其他非等向性性质翘曲阶段的纤维分析 透过设计参数优化，可控制构件的纤维配向，降低结构的非等向性翘曲行为 非等向性机械性质结构应力的纤维分析(1) - FEA接口操作流程纤维排向结果材料参数流动分析+元素属性结构仿真软件结构应力的纤维分析(2) - Digimat操作流程结论Moldex3D纤维

11、配向分析模块 可以提供纤维排向、纤维长度、纤维浓度三大主要因素，检视使用纤维强化塑料的产品特性 透过严谨的验证比对纤维增强材料的异向性机械性能 Moldex3D FEA接口可以输出纤维排向信息；并且与DIGIMAT结合，提供材料信息给结构分析软件 Moldex3D可以透过纤维模拟分析更完整的获得射出预测的完整信息更多纤维配向的研发成果2013 GM与Moldex3D共同合作发表 此合作透过Moldex3D纤维配向预测分析，发表于2014 Polymer Composites 期刊30% SGF/PBT2013 年SPE-ACCE最佳论文奖 Society of Plastics Enginee

12、rs (SPE), Automotive Composites Conference & Exhibition (ACCE) 2013 我们以纤维专利发表的论文，去探讨透过三种尺寸的纤维排向预测，长纤与热塑材料的影响，受到大家瞩目，获得大会的最佳论文奖 2014年长纤维模拟准确性发表于ANTEC ANTEC 2014, Las Vegas Moldex3D R14 (2015) 纤维排向新预测 总体而言，Moldex3D R13已经能够提供纤维排向约70-80的准确度预测，而Moldex3D R14更提升20%核层预估的准确度Moldex3D R13Moldex3D R14FY 2014年度报告，轻量化材料研发（美国能源部） 研究结果受到公开