纖維增強熱塑性塑料模流分析的案例
Moldex3D模流分析之提升纖維增強熱塑性塑料模擬精度
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連續纖維增強熱塑性復合材料工藝及應用
來源：SAMPE
作者：姚志佳
一、概述
連續纖維增強熱塑性復合材料由于其輕質、高剛度、高韌性等特性，在汽車工業，航空航天，軍工，電子等諸多領域已經廣泛的應用。連續纖維增強熱塑性復合材料（CFRTP）是以連續纖維作為增強材料，以熱塑性樹脂為基體，通過將熱塑性樹脂熔融浸漬的工藝制造的高強度、高剛性、高韌性的復合材料。可選用的增強材料包括玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、植物纖維、以及玄武巖纖維。可以選用的樹脂基體有PP、PE、PA6、PA66、PC、PET、TPU、PPS、PEEK等。根據產品性能及成型要求的不同，增強材料的形態可以是單向的，也可以是織物。
盡管短纖維和長纖維熱塑性復合材料占整個熱塑性復合材料市場的主導地位。但由于連續纖維獨特的特點，近年來國際上連續纖維增強熱塑性復合材料市場仍然保持著快速增長，國外行業巨頭也正將連續纖維增強的熱塑性復合材料及相關企業作為重點開發方向和并購的首選標的。其中朗盛收購了德國Bond-Laminates、三菱收購QPC、東麗公司收購荷蘭的Tencate；而韓華、巴斯夫、科思創、英力士等化工巨頭也都推出了相應的連續纖維增強熱塑性復合材料。
目前，掌握連續纖維增強熱塑性復合材料技術的企業主要集中在德國、荷蘭、英國、美國等少數歐美國家。我國有部分企業掌握了一部分連續纖維增強熱塑性復合材料的技術，但是在連續纖維增強特種工程塑料復合材料方面，我國與國外依舊存在非常大的差距。
展開 纖維增強熱塑性片材（GMT）的工藝技術與應用
1、前言
熱塑性樹脂基復合材料近年來發展迅速，特別是纖維增強熱塑性片材（簡稱GMT）是八十年代以來世界先進國家競相發展的新技術，它是以連續玻璃纖維氈或短切玻纖氈和熱塑性樹脂復合而成的一種片狀模塑料。GMT的概念于四十年代中期提出，六十年代開始熔融法（干法）工藝研究，七十年代中期進入工業化階段；隨著應用領域的擴大，八十年代后期開始了懸浮法（濕法）工藝研究，九十年代中前期開始工業化生產并進入實用階段。
進入八十年代后期，GMT片材及其制品已成為國際上極為活躍的復合材料制品之一。GMT片材具有許多優點和特性，其中可再生利用的特點，在環保要求日益嚴格的今天，給GMT賦予了極大的生命力和廣闊的應用前景。目前，80％的GMT被應用在汽車工業中，其余20％被用于建筑、化工、包裝、體育器械等領域中。
我國GMT的研究開發是從八十年代后期開始的，“九五”期間被列為國家863高技術新材料研究課題，通過科研院所和大學的聯合攻關，已掌握了GMT的關鍵技術，片材性能達到了國外同類產品水平，在應用開發方面也取得了良好進展。
2、GMT片材的性能和特點
2.1 GMT的主要性能
下表給出了國產GMT與美國、日本片材的性能比較：
材料 國產 美國 日本
玻纖含量% 27.5 31 30
拉伸強度MPa 86 85 80
彎曲強度MPa 115 120 120
彎曲模量MPa 4704 5100 4100
沖擊強度J/㎡ 705 650 590
熱變形溫度℃ 152 155 155
燃燒性能mm/s 0.07 / /
片材密度g/cm3 1.10 1.15 /
從上表中可知，我國GMT片材的技術性能基本上與國外一致，村料性能可通過調整纖維及基體樹脂品種，改變纖維含量等工藝措施，得到不同性能的片材來滿足市場的應用要求。
展開 連續纖維增強高性能熱塑性復合材料 應用現狀
連續纖維增強高性能熱塑性復合材料（CF/PEEK，CF/PPS等），相比于傳統熱固性復合材料，具有更明顯的性能優勢，滿足航空領域應用的多種需求。隨著國外基礎研究的深入和工業制造能力的提升，以及材料成本和制造成本的降低，近年來CF/PEEK熱塑性復合材料憑借優異的性能開始在眾多領域開展應用研究。目前，處于研究階段的部件主要集中在航空、航天、船舶、石油以及高端民用制造領域。部分已經應用和正在科研攻堅的部件如圖5所示，這些應用和研究進展表明連續纖維增強高性能熱塑性復合材料，尤其是CF/PEEK熱塑性復合材料的廣闊前景。
圖5 CF/PEEK熱塑性復合材料已經應用和正在研發的部件實例
（a）衛星支架或蒙皮；（b）機翼前緣；（c）彈艙門；（d）發動機機匣和風扇葉片；（e）直升機旋翼槳轂和起降支承；（f）采油管道
國內對于連續纖維增強高性能熱塑性復合材料制件的結構設計與應用尚處于起步階段，高性能熱塑性復合材料的上游材料即高性能熱塑性預浸料的批量化生產尚屬空白，追趕國外高性能熱塑性復合材料設計和制造技術，積累國內熱塑性復合材料設計和制造經驗仍是當前研究的重要內容。
原文出處：
連續纖維增強高性能熱塑性樹脂基復合材料的制備與應用（點擊“題目”可鏈接全文）
肇 研，劉寒松
2020, 48(8): 49-61
doi:10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000209
展開 
由連續纖維增強熱塑性復合材料制成的SUV前端支架
來自特種化學品公司朗盛的Tepex dynalite連續纖維增強熱塑性復合材料板材，能夠被用于制造采用汽車輕量化設計的高度集成的更大型的結構部件，比如，梅賽德斯-奔馳GLE SUV 的前端支架，它包括兩個焊接的由聚丙烯基Tepex dynalite 104-RG600(3)/47%材料制成的復合材料半殼，截面尺寸大約是1.2 m長、0.35 m寬，兩個半殼在一副擁有兩個型腔的注塑模具中采用一種混合模塑工藝被制成，這涉及正在形成的訂制復合材料預切割，以及同時通過注塑成型而提供附加的功能。“這種高度集成的一次注射的生產工藝擁有非常高的成本效益，且成型周期短。由這兩個半殼制成的前端支架，重量比采用鋼板制成的同類設計輕約30%，同時提供了出色的碰撞性能和扭轉剛度。”朗盛高性能材料業務單元Tepex Automotive負責人 Henrik Plaggenborg解釋道。鳳凰改性環氧樹脂廠家https://m.hongyantu.com/goodlist/sz/48359.html
梅賽德斯-奔馳GLE SUV的前端支架包括由Tepex dynalite 104-RG600(3)/47%材料制成的兩個焊接的復合材料半殼，增強的玻璃纖維粗紗賦予了部件碳纖維一樣的運動外觀（圖片來自梅賽德斯-奔馳）
無需在引擎罩鎖扣周圍進行加強
該前端支架是由梅賽德斯-奔馳技術中心、朗盛和其他行業合作伙伴協同開發的產品，其空心的截面，連同復合材料的強度和剛性，為這一至關重要的安全部件提供了優良的碰撞性能。其良好的機械彈性，也通過“無需用鋼板來加強引擎罩鎖扣周圍區域”而得到了證明，而這種加強在純粹注塑成型的前端支架上是常見的。
高水平的功能集成
該前端支架擁有許多為發動機提供新鮮空氣的開口和管道，這些開口和管道是在混合成型工藝的注射成型階段被創建的，之后再對兩個半殼進行焊接。
展開 美國陸軍表征連續3D打印碳纖維增強熱塑性復合材料零件
研究人員在他們的研究中使用了Markforged的尼龍基熱塑性Onyx，以及涂有粘合劑材料的連續碳纖維絲束，以及3D打印的幾個試樣，以便更好地了解連續碳纖維對多少影響：
第1組：Onyx（平面內，尼龍/碳塑料）：ID＃1-1,1-2,1-3
第2組：0纖維（面內，對齊的碳纖維）:: ID＃2-1,2-2,2-3
第3組：90纖維（面內，垂直于碳纖維）：ID＃3-1,3-2,3-3
第4組：z方向（平面外，垂直于碳纖維）：ID＃4-1,4-2,4-3
為了使分析更容易，該團隊僅測試了具有單向纖維取向的樣品。第一組中的純Onyx樣品厚度為1.8 mm用作基線，而第2組的0°樣品在屋頂和地板上有兩個0.125 mm的Onyx層，側壁上有兩個Onyx層，其余部分填充碳纖維，“拉伸方向縱向拉伸，進行拉伸試驗”。“附加試樣3-1,3-2和3-3印有垂直于拉伸拉伸方向取向的纖維。這些標本在屋頂，地板和墻壁上的厚度與前一組標本相同，“研究人員解釋說。 “值得注意的是，對于這些樣品，由于纖維的取向垂直于拉伸方向，因此打印頭必須在測量部分內轉角，因此，測量部分內的纖維取向不是完全單向的。”
第4組樣品垂直3D打印，并測試纖維增強層之間的粘合性評估。然后，研究人員對Onyx樣品進行了熱重分析（TGA）和傅里葉變換紅外（FTIR）分析，以便更好地了解材料的熱特性;還進行了拉伸試驗，直到樣品完全失效。“當將0碳纖維增強樣品與純on瑪瑙樣品進行比較時，機械性能增加了幾個數量級，”研究人員解釋說。 “例如，平均屈服強度，拉伸強度和彈性模量分別增加20倍，15倍和240倍。當比較纖維增強樣品與Onyx材料的機械性能時，機械性能的顯著改善與傳統的層壓復合材料一致，其中單向樣品的強度和剛度比均質環氧墊高幾個數量級。
（來源：中國3D打印網）
展開 科思創推出名為”Maezio“的連續纖維增強熱塑性復合材料
科思創宣稱：他們最近推出了一款品牌名為Maezio的連續纖維增強熱塑性復合材料，這是一種在輕量化和靈活性上均優于金屬的材料。
我在四月份的博客上曾經寫過：“對于世界上最大的電器制造商來說，將目光放在連續纖維熱塑性塑料上是一個明智的選擇。”這篇博客討論了以CFRTP為原料生產的高端空調的發展，這個項目是由材料供應商科思創和世界上最大的電器制造商海爾共同推進的。目前，科思創已經將這種材料注冊“Maezio”，這種材料是由含有聚碳酸酯（PC）、熱塑性聚氨酯（TPU）或其他熱塑性樹脂的碳纖維或玻璃纖維組成的。該公司在德國馬爾克特比巴爾特的生產現場進行單向強化磁帶和板材的制造。
CFRTP材料是由德國的科思創生產的
圖片來源:科思創
CFRTP項目的聯合首席執行官David Hartmann表示：“這個品牌賦予了我們一個明確有力的身份，使我們得以不斷提高在熱塑性復合材料方面的專業程度。我們相信，這種新材料能夠提供輕量的結構，一定的強度以及更大的規模來為新一代產品創造價值。”
科思創展示的各種成品都令人印象深刻。該公司的媒體頁面展示有一段視頻，視頻內容是來自供應鏈的多個參與者的采訪，他們都表示這種材料極具美感和設計靈活性，同時還能突破傳統金屬和塑料一直存在的重量和厚度問題。
該公司品牌名為“Maezio”的CFRTP材料具有強度高、輕量化和美觀的特點，能夠生產出無數的產品，給設計師的創造性設計帶來機會。
圖片來源：科思創
多市場大規模生產
該公司聲稱，成本效益和靈活制造工藝的缺乏給先進復合材料的廣泛傳播帶來了極大的阻礙。該公司在其媒體新聞稿中指出，復合材料也很難集成到大容量的產品中，而Maezio正在逐漸改變這一點：
這些創新材料可以有效提升全球范圍內的資源保護力度和能源效率。
展開 Moldex3D模流分析之利用Digimat來建立纖維強化塑料
簡介
本文將教導使用者如何利用Digimat來建立纖維強化塑料的材料模型。解釋多尺度建模背后的概念，并說明如何操作 Moldex3D Digimat-MS 。
摘要 (Overview)
本文的目的是利用 Moldex3D Digimat-MS 與結構分析軟件，進行一產品受外力下的應力與變形的分析。此產品是彈塑性的玻璃纖維復合材料。 我們會藉由Digimat-MS來說明從Digimat到結構分析軟件的整個分析流程。本文中所示范的流程，包括如何選取所需要的材料性質，以及如何將模流分析中所得到的纖維排向，映像到結構分析模型。在 Digimat 中，材料性質可從 實驗數據、材料供貨商 或 Digimat-MX 中建立取得。在本文中，我們將從 Digimat-MX 中獲得材料性質。
Digimat-MS 的分析，可以由 3 個簡單的步驟來達成：
1.設定結構分析模型。
2.從 Digimat 中，建立結構分析所需的材料性質。
3.由 Moldex3D 取得射出成型制程的纖維排向。
必要的資料
使用 Digimat-MS 之前，必須要有下列的數據：
?模流分析的網格信息與纖維排向的張量分布
?此案例的有限元素模型，且已經設定靜力或動力分析方法，等向性材料性質，以及邊界條件。
什么是Digimat-MS
Digimat-MS 是一個非常強大的整合軟件，能夠消除不同物理場問題，在模擬分析過程中的阻礙。例如，將模流分析的結果傳遞給結構分析模型，讓用戶再進行顯式或隱式的結構分析。簡言之， Digimat-MS 在導入射出成型制程所引起的材料的微觀效應后，使得多尺度材料與結構分析，成為一種具有整合性、精確且有效率的方法。
展開 Moldex3D模流分析之熱固性材料與熱塑性材料的區別
熱固性材料
熱固性材料與熱塑性材料最大的區別是在熱環境之下的固化現象，熱固性材料在受熱后無法再加工。也因此成型期間的融膠流動也隨之改變。材料供貨商總希望優化其設計，并在黏度及固化程度間找到適當的平衡點，這對可加工性以及產品周期有著相當大的影響。針對熱固材料，Moldex3D透過分析塑料流動的行為(包含黏度變化及固化時間)，提供材料供貨商更高效率的解決方案來優化其配方并節約成本。此外，透過材料的特征來量化如固化所引發的體積收縮，并且此技術可以應用在改變化學制劑、仿真、產品設計以及各種成型條件上。
展開 Moldex3D模流分析之Erteco利用Moldex3D驗證碳纖維膠帶助于強化塑料船只螺槳轂結構
大綱
本案例中，Erteco必須找出并解決船只螺旋槳內部的玻纖塑料輪轂組件碎裂原因。螺槳轂在船只負重過重的情況下，螺旋槳葉片旋轉時就容易發生碎裂問題，影響產品的整體質量和性能。
挑戰
縫合線造成結構脆弱，產品發生碎裂若以金屬軸環加強脆弱區域，成本相當高
解決方案
透過Moldex3D判別發生組件斷裂的原因，并透過模擬分析驗證新的可行方案
效益
優化制程條件
采用ETT (Ems Tape Technology )增強碳纖維膠帶，發現可與高分子聚合物完美結合
解決輪轂最薄處嚴重的縫合線問題和破裂問題
以ETT加強輪轂結構后，成功省下可觀的成本
案例研究
本項目目標為尋找另一更具成本效益的方式，來解決螺旋槳葉片和輪轂連接處在負重過重時容易碎裂的問題(圖一)。制造商Propulse原本是以人工方式將塑件放入機器中，再以金屬軸環固定以加強結構(圖二)。
圖一 Propulse的螺旋槳模型分解圖，圖中圓圈處為本案例研究的部件。(Propulse AB, 2015)
圖二 本案例原本以金屬軸環來加強結構
進行第一次的仿真分析，從流動特征中發現會產生嚴重的縫合線，且位置與螺旋槳葉片旋轉時為輪轂帶來急劇加速度而產生巨大負重的區域相符合。該區域又是對象最薄處，因此縫合線的產生會嚴重削弱產品強度。
為改善此問題，Erteco決定改采聚酰胺纖維及碳纖維的合成膠帶 Ems Tape Technology (ETT)來取代原本的方式，并以Moldex3D驗證此新技術。模擬過程中透過感應節點來監測射出成型過程中的溫度和壓力行為。進行第一次射出測試后，發現膠帶與高分子聚合物無法完美結合。因此Erteco進行兩種不同制程條件的模擬，包括原始設定(圖三)以及提高模溫和料溫的設定(圖四)。
展開 Moldex3D模流分析材料性質與模型之黏彈模型 (僅適用于熱塑性材質)
由于不同的模型各自有不同的理論基礎，相對來說giesekus模型和ptt模型的分析結果可以找到更多的研究材料做對照。
?復合模型(Multi-mode)
復合顧名思義是將單一的模型用迭加方式結合起來，這使得松弛時間和黏度信息有更大的適用范圍。不同松弛時間的模型可以讓各個主要反應在各自不同的頻率下表現出來，而Moldex3D支持多個模型的迭加。
復合模型的示意圖
