由於成本考量，業(yè)界大多應(yīng)用真空輔助樹脂轉(zhuǎn)注成型(Vacuum Resin Transfer Molding, VARTM)製程製造風(fēng)力葉片。VARTM是將樹脂以真空抽氣方式降低模穴內(nèi)壓力，利用模具內(nèi)與外界大氣壓力之壓力差，將樹脂注入至鋪設(shè)於單面模具上的纖維布，生產(chǎn)出纖維含有率達(dá)六成以上複合材料產(chǎn)品，是效率高且不失品質(zhì)的製程。
由於VARTM製程週期長，會選擇黏度低、反應(yīng)非常緩慢的樹脂材料，以確保樹脂在充填階段時不會因為反應(yīng)硬化而無法繼續(xù)充填。充填階段樹脂黏度同時受到溫度、剪切率、轉(zhuǎn)化率(即樹脂熟化反應(yīng)程度的百分比)影響，當(dāng)轉(zhuǎn)化率上升使黏度提高至可脫模程度時，就定義為熟化完全。
若樹脂尚未完全熟化便脫模，會造成產(chǎn)品發(fā)生非預(yù)期的變形。為解決此難題，須先透過材料量測精確掌握熟化反應(yīng)與化學(xué)流變特性，再利用Moldex3D的非恆溫真實三維模擬技術(shù)，預(yù)測不同熱固性樹脂材料性質(zhì)的差異對製程的影響。以下是以碳纖維葉片外蒙皮案例，應(yīng)用非恆溫真實三維模擬技術(shù)，探討不同樹脂在充填、熟化階段時流動性質(zhì)和熟化程度的差異。
首先以材料量測精確的掌握材料的熟化反應(yīng)與化學(xué)流變特性，再以Moldex3D材料精靈比較A、B兩種樹脂於25℃和75℃下4小時內(nèi)轉(zhuǎn)化率和黏度變化趨勢，如圖一和圖二。樹脂量測結(jié)果可看到B樹脂在相同反應(yīng)時間下轉(zhuǎn)化率和黏度都較A樹脂低。
| 圖一 : A、B樹脂於25℃、75℃下轉(zhuǎn)化率變化 |
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本案例使用的模型為1kW風(fēng)機(jī)葉片單面模具，實驗疊層佈置與建立模型如圖三、圖四所示。當(dāng)充填達(dá)99.8%時進(jìn)入熟化階段，此時為了使樹脂在高溫快速硬化反應(yīng)以更早達(dá)到脫模條件，所以將模溫設(shè)定從充填階段的25℃提升至75℃(圖五)。
分析結(jié)果利用圖四之感測節(jié)點輸出外蒙皮加工過程的參數(shù)分布，分別觀察A、B樹脂在各階段轉(zhuǎn)化率、黏度和所費時間，如表一所示。結(jié)果顯示A樹脂雖然黏度高、充填久，但熟化時間較短；B樹脂易充填，熟化時間卻較長。兩種樹脂總加工時間分別為2.5小時和2小時，雖然相近，但充填和熟化時間卻差異甚大；B樹脂會因為黏度低且易充填的特性，加工性優(yōu)於A樹脂。由此顯示，在設(shè)計加工前先了解材料特性，勢必可減少試誤時間。
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A樹脂 |
B樹脂 |
充填前 |
轉(zhuǎn)化率 |
0% |
0% |
黏度 |
710cps |
154cps |
充填階段 |
時間 |
1hr 27min |
17min |
轉(zhuǎn)化率 |
~11.5% |
0% |
黏度 |
1300 cps |
154cps |
熟化階段 |
時間 |
1hr |
1hr 44min |
轉(zhuǎn)化率 |
75.00% |
81.40% |
黏度 |
Completely Cured |
Completely Cured |
（1.3×109 cps） |
（2.5×108 cps） |
總製程時間（充填+熟化） |
時間 |
2hr 27min |
2hr 1min |
@表一：A、B樹脂於各階段之轉(zhuǎn)化率、黏度和時間
現(xiàn)場製造時一般不易掌握正確的熟化時間，尤其當(dāng)增加模溫時反應(yīng)速率差異甚大，材料特性就更難掌握。藉由Moldex3D材料精靈掌握不同樹脂的材料特性，以及Moldex3D流動分析來預(yù)測充填階段的樹脂流動行為與熟化階段的樹脂熟化反應(yīng)，利用電腦試模程序找出最適合的模溫與適當(dāng)?shù)募庸?shù)，作為實際充填設(shè)計的參考依據(jù)，能精確分析並比較製程設(shè)計。
