- 客戶：台灣科技大學
- 地區：台灣
- 產業：教育
- 解決方案：Moldex3D Advanced / 纖維配向模組 / FEA介面功能模組
台灣科技大學，前身為台灣工業技術學院，自民國八十六年改名為台灣科技大學，是台灣第一所技職體系大學院校，亦為台灣最頂尖的科技大學。目前設有工程、電資、管理、設計、人文社會、精誠榮譽及智慧財產學等七個學院。台科大建校之目的為因應台灣經濟與工業迅速發展之需求，以培養高級工程技術及管理人才為目標，同時建立完整之技術職業教育體系。該校曾入選教育部的「發展國際一流大學及頂尖研究中心計劃」。(資料來源: www-e.ntust.edu.tw )
大綱
雖然輕量化已是當前塑膠產品的製造趨勢，但兼顧剛度及強度仍是必要的需求。以可降解材料而言，除減少製造過程中的碳排放外，添加纖維更可幫助強化產品結構。本案例中台科大團隊選擇可降解塑料聚乳酸(Poly Lactic Acid, PLA)塑膠複材來進行模擬，探討纖維配向對產品翹曲和應力的影響。
挑戰
- 須了解纖維對於產品強度的影響
- 目前對於PLA較無標準測試及模擬分析方法
解決方案
利用Moldex3D Advanced以及纖維配向模組打造網格模型(圖一)、進行收斂測試(圖二)並完成射出成型模擬。
圖一 以Moldex3D建立網格模型
圖二 元素收斂測試
效益
- 發現長纖維的抗拉伸強度、翹曲變形都優於短纖
- Moldex3D和ANSYS的結合可為PLA材料提供完整的模擬解決方案
- 可由模擬結果得知添加纖維可以提高產品強度
案例研究
本案例為PLA產品樣本之研究。PLA材料因抗衝擊性差、耐熱性差及結晶速率慢，因此希望藉由添加玻纖以補強上述缺點。首先透過實驗驗證Moldex3D的模擬準確度，得知模擬的流動特徵結果與實際情形相當符合(圖三)。接下來以Moldex3D分別預測添加短纖和長纖、以及塑料混煉對於抗翹曲的影響。最後再藉由ANSYS結構分析軟體輔助驗證Moldex3D數值準確性。
圖三 Moldex3D對凹痕的模擬結果，與實驗結果一致
雖已知添加纖維可增強PLA產品的結構，但何種混煉比率的材料才能達到最佳的強度，仍是未知。台科大團隊發現Moldex3D能夠精準預測纖維配向，模擬結果也可透過Moldex3D FEA介面功能模組輸出到ANSYS進行結構分析。
將玻璃纖維添加至純PLA中，可提高產品強度。模擬結果也顯示，比起短纖，長纖更能有效改善變形(圖四)。
圖四 長纖降低變形的效果較短纖佳
當玻纖添加越多時，翹曲變形量就會降低。本案例中，玻纖濃度為25%時產品變形量最低(圖五)。
圖五 不同玻纖比率的翹曲變形結果
接下來用ANSYS來驗證Moldex3D的翹曲和應力分析，二者的結果非常相近(圖六)。
圖六 Moldex3D和ANSYS的模擬結果驗證
結果
從Moldex3D的使用經驗中可獲知，在不同變數下，纖維對產品的影響都能夠有效預測。透過Moldex3D FEA介面功能模組，使用者能夠輸出纖維配向結果至ANSYS進行結構分析，獲得更精準的結構分析結果，是非常強大且可靠的工具。本案例的研究，將能幫助加速PLA複材在行動裝置外殼的應用。