淡江大學化學工程與材料工程系 副教授 黃招財
近年來產學界在利用長纖維塑膠複合材料(Long fiber reinforced plastics, LFRP)應用於產品輕量化之研究，仍然非常盛行。然而，對於此複合材料內的纖維微結構(包括：纖維排向、纖維長度、纖維濃度)在射出成型製程中如何變化，以及這些微結構對射出成品如何定量地影響，目前仍未全盤了解與掌握。因此過去五年多來，淡江大學化材系團隊特別著眼於纖維微結構特徵(microstructure features)與產品巨觀物理特性(physical properties)之研究，希望能找出具體的關聯性。
針對長纖維─塑膠複合材料之微結構，主要透過Moldex3D進行深入的學理探索，也應用微電腦斷層掃瞄(micro-computerized tomography, micro-CT)及影像處理分析(後續稱為影像分析實驗結果)進行實際成品之微結構特徵驗證。另一方面，我們也針對射出成品進行機械特性之拉伸實驗測試，初步已經能理解及量化流動如何影響纖維微結構特徵，進而影響產品之翹曲變形，並且進一步影響射出成品之機械特性。具體而言，我們利用一個複合型幾何做為研究系統，其內部同時含有三種不同進澆型式之 ASTM D638 標準試片，如圖一所示。首先利用Moldex3D軟體，從幾個不同視角(如圖二所示)觀察翹曲變形，再進行實驗，之後將模擬分析與實驗數據整合，如表一所示。從結果得知，分析預測與實驗結果非常吻合。
圖一 研究之幾何系統: 內含有三種不同進澆型式之 ASTM D638 之標準試片
圖二 從不同視角去觀察產品翹曲變形
表一 利用模擬分析與實驗數據產品翹曲變形量值比較
再者，為了解不同纖維長度對射出成品之機械性質的影響，我們對三種試片透過萬能拉力機進行拉伸強度之探索，結果如圖三所示。從中可發現，同一種試片的拉伸強度特性將隨著纖維長度增加而增強。以Model I為例，純PP的射出成品，強度約為 20 N/mm2；當改用長纖維材料後，其強度提升到約 140 N/mm2，可見纖維長度之增加，可有效提昇射出成品之拉伸強度。同樣地，從Model II也可發現類似趨勢，其強度由 20 N/mm2(純PP材料)提升到 120 N/mm2(長纖維材料)。至於Model III則因為利用雙邊入料會產生縫合線，所以強度提升較不明顯，僅從 20 N/mm2提升到約 40 N/mm2。
若進一步比較Model I及 Model II之間的強度差異，則發現使用含纖維複合材料時，Model I的強度都大於Model II，例如：在中纖維材料下，Model I與Model II的強度比為 118 N/mm2比上 105 N/mm2；改為長纖維複合材料時，Model I與Model II的強度比則是 140 N/mm2比上 120 N/mm2。推測此現象發生的原因，可能是側邊入料所造成的入口效應，帶來了較強的纖維排向效應所導致。整體而言，巨觀物理特性之模擬分析預測，與實驗結果高度相符。
圖三 三種試片不同材料之拉伸強度之比較
接下來我們深入探討前述巨觀物理特性所對應之微觀纖維排向特性，經模擬分析與實驗觀察比較(圖四)，可發現整體纖維排向趨勢預測相當一致。此部份更詳細之內容與描述，請參考我們已經發表於 International Journal of Precision Engineering and Manufacturing-Green Technology (2020/06/30, DOI: 10.1007/s40684-020-00226-2)的論文” Flow-induced Orientations of Fibers and Their Influences on Warpage and Mechanical Property in Injection Fiber Reinforced Plastic (FRP) Parts”。
圖四 Model I 標準試片之纖維排向模擬分析與實驗觀察之表徵：(a)靠近澆口區域(near gate region, NGR)；(b)充填結束區域(end of filling region, EFR)
然而，近期我們針對先前完成的纖維排向模擬分析結果(沒有考慮流動─纖維耦合作用)與影像分析實驗結果仔細比較，發現雖然A11及A22纖維排向整體變化趨勢還算吻合，不過變化量值仍有差異(如圖四所示)。為何仍此部份仍存有一定差異，是我們一直在思索的問題。剛好近期美國普渡大學的Dr. Anthony Favaloro1 et al. [1] 提出 IISO 黏度模型，來推估高分子熔膠流動與纖維互相做用影響下的黏度變化；之後再由科盛科技曾煥錩博士與 Favaloro1 [2] 將此IISO model 修正為 Revised IISO model並導入Moldex3D軟體。我們應用此新世代IISO 黏度模型，加入考量流動與纖維耦合作用，發現模擬分析之A11及A22纖維排向與影像分析實驗結果相當接近，特別是透過單次實驗所產生三個不同流場之ASTM D638標準試片系統(如圖一系統)，探討其流動與纖維耦合作用如何影響纖維排向，結果如圖五所示。其中圖五(a) 為Model I 標準試片之纖維排向模擬分析與實驗觀察之比較，從結果得知，當考量流動與纖維耦合作用時，在靠近流動末端 垂直流動之纖維排向(A22)將明顯主導。另外，針對同一實驗並在不同區域之Model II 標準試片之纖維排向模擬分析與實驗觀察之比較，從結果也得到驗證，如圖五(b)所示。
圖五 當考慮及不考慮流動與纖維耦合作用時，纖維排向模擬分析結果與實驗觀察結果之比較: (a) Model I at EFR(充填結束區域)；(b) Model II at EFR(充填結束區域)
整體而言，此次透過應用Moldex3D纖維排向模組，加上針對流動與纖維耦合作用之考量，在一體成型複雜幾何系統內，纖維排向差異性極大的A11及A22都能準確地被預測，此等結果令人非常振奮，也非常高興能分享給產學界的朋友們。另外，如果對詳細結果有興趣，請參照我們的近期投稿於Polymers 2020, 12, 2274; doi:10.3390/polym12102274之文章，相關連結如下：
HTML Version: https://www.mdpi.com/2073-4360/12/10/2274/htm
PDF Version: https://www.mdpi.com/2073-4360/12/10/2274/pdf
Note 1: Anthony Favaloro: Research Scientist at Purdue University, West Lafayette, Indiana, United States
參考文獻
- Favaloro, A.J.; Tseng, H.C.; Pipes, R.B. A new anisotropic viscous constitutive model or composite molding simulation. Compos. Part A 2018, 115, 112–122.
- Tseng, H.C.; Favaloro, A.J. The use of informed isotropic constitutive equation to simulate anisotropic rheological behaviors in fiber suspensions. J. Rheol. 2019, 63, 263–274.