大綱

雖然輕量化已是當(dāng)前塑料產(chǎn)品的制造趨勢(shì)，但兼顧剛度及強(qiáng)度仍是必要的需求。以可降解材料而言，除減少制造過(guò)程中的碳排放外，添加纖維更可幫助強(qiáng)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。本案例中臺(tái)科大團(tuán)隊(duì)選擇可降解塑料聚乳酸(Poly Lactic Acid, PLA)塑料復(fù)材來(lái)進(jìn)行模擬，探討纖維配向?qū)Ξa(chǎn)品翹曲和應(yīng)力的影響。

挑戰(zhàn)

• 須了解纖維對(duì)于產(chǎn)品強(qiáng)度的影響

• 目前對(duì)于PLA較無(wú)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試及模擬分析方法

解決方案

利用Moldex3D Advanced以及纖維配向模塊打造網(wǎng)格模型(圖一)、進(jìn)行收斂測(cè)試(圖二)并完成射出成型模擬。

圖一 以Moldex3D建立網(wǎng)格模型

圖二 元素收斂測(cè)試

效益

• 發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)纖維的抗拉伸強(qiáng)度、翹曲變形都優(yōu)于短纖

• Moldex3D和ANSYS的結(jié)合可為PLA材料提供完整的模擬解決方案

• 可由模擬結(jié)果得知添加纖維可以提高產(chǎn)品強(qiáng)度

案例研究

本案例為PLA產(chǎn)品樣本之研究。PLA材料因抗沖擊性差、耐熱性差及結(jié)晶速率慢，因此希望藉由添加玻纖以補(bǔ)強(qiáng)上述缺點(diǎn)。首先透過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證Moldex3D的模擬準(zhǔn)確度，得知仿真的流動(dòng)特征結(jié)果與實(shí)際情形相當(dāng)符合(圖三)。接下來(lái)以Moldex3D分別預(yù)測(cè)添加短纖和長(zhǎng)纖、以及塑料混煉對(duì)于抗翹曲的影響。最后再藉由ANSYS結(jié)構(gòu)分析軟件輔助驗(yàn)證Moldex3D數(shù)值準(zhǔn)確性。

圖三 Moldex3D對(duì)凹痕的模擬結(jié)果，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致

雖已知添加纖維可增強(qiáng)PLA產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，但何種混煉比率的材料才能達(dá)到最佳的強(qiáng)度，仍是未知。臺(tái)科大團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)Moldex3D能夠精準(zhǔn)預(yù)測(cè)纖維配向，模擬結(jié)果也可透過(guò)Moldex3D FEA接口功能模塊輸出到ANSYS進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。

將玻璃纖維添加至純PLA中，可提高產(chǎn)品強(qiáng)度。仿真結(jié)果也顯示，比起短纖，長(zhǎng)纖更能有效改善變形(圖四)。

圖四 長(zhǎng)纖降低變形的效果較短纖佳

當(dāng)玻纖添加越多時(shí)，翹曲變形量就會(huì)降低。本案例中，玻纖濃度為25%時(shí)產(chǎn)品變形量至低(圖五)。

圖五 不同玻纖比率的翹曲變形結(jié)果

接下來(lái)用ANSYS來(lái)驗(yàn)證Moldex3D的翹曲和應(yīng)力分析，二者的結(jié)果非常相近(圖六)。

圖六 Moldex3D和ANSYS的模擬結(jié)果驗(yàn)證

結(jié)果

從Moldex3D的使用經(jīng)驗(yàn)中可獲知，在不同變量下，纖維對(duì)產(chǎn)品的影響都能夠有效預(yù)測(cè)。透過(guò)Moldex3D FEA接口功能模塊，用戶能夠輸出纖維配向結(jié)果至ANSYS進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，獲得更精準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)分析結(jié)果，是非常強(qiáng)大且可靠的工具。本案例的研究，將能幫助加速PLA復(fù)材在行動(dòng)裝置外殼的應(yīng)用。