連續(xù)纖維複合材料提供產(chǎn)品優(yōu)越的強(qiáng)度性能，其利用不同編織布的疊層設(shè)計(jì)達(dá)到產(chǎn)品強(qiáng)度的可設(shè)計(jì)性，並保有質(zhì)量輕的特性。近年來(lái)，隨著產(chǎn)品減重的需求日異增高，業(yè)界開(kāi)始結(jié)合不同成型方式於連續(xù)纖維複合材料上，將預(yù)熱壓成型的纖維預(yù)浸布(Prepreg)作為嵌入件，並在預(yù)浸布上進(jìn)行二次射出加工，此方式可將功能性結(jié)構(gòu)附加到產(chǎn)品上，更進(jìn)一步提高產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強(qiáng)化，並達(dá)到減重需求(圖一)。
這樣的複合成型製程稱(chēng)為兩階段包覆成型(two steps over molding)，通常包含兩部分(圖二)：纖維預(yù)浸布鋪覆程序(Draping process)及二次加工成型。纖維預(yù)浸布的成型方式是將乾式纖維布預(yù)先浸潤(rùn)在室溫的樹(shù)脂中，再進(jìn)行低溫冷凍。接著利用機(jī)器手臂移動(dòng)片狀的固態(tài)預(yù)浸布放置在模具中，進(jìn)行鋪覆程序。
鋪覆程序是主要目的是賦予疊層纖維布產(chǎn)品外型，疊層好的纖維預(yù)浸布會(huì)照射紅外線加熱軟化，進(jìn)行壓縮成型後待成品固化，接著再進(jìn)行塑料射出灌注。成型後的產(chǎn)品包含連續(xù)性纖維預(yù)浸材及後射出的功能件部位，而如何有效預(yù)測(cè)結(jié)合兩者成型的產(chǎn)品特性行為是一項(xiàng)重要課題。
| 圖二 : 兩階段包覆成型(Source : Kauss Maffei, FiberForm lightweight parts The perfect combination of thermoforming and injection moldingmbination of thermoforming and injection molding) |
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Moldex3D在R14版本整合了LS-DYNA分析連續(xù)性纖維鋪覆程序變形的能力：將鋪覆變形後的纖維布排向考慮到Moldex3D中，模擬預(yù)測(cè)包覆成型產(chǎn)品在進(jìn)行二次加工時(shí)複合材料產(chǎn)品翹曲變形的情形。其中LS-DYNA主要進(jìn)行連續(xù)性纖維壓縮成型的變形行為分析；Moldex3D則接續(xù)LS-DYNA計(jì)算完成的預(yù)浸料固體變形，讀入幾何外型和連續(xù)性纖維排向分布結(jié)果，作為嵌件的幾何和材料特性參數(shù)。在流動(dòng)計(jì)算分析時(shí)考慮嵌件屬性的預(yù)浸布外型為邊界條件，而在翹曲計(jì)算時(shí)考慮嵌件為連續(xù)性複合材料，進(jìn)行多材質(zhì)的翹曲變形預(yù)測(cè)分析(圖三)。
| 圖三 : Moldex3D整合LS-DYNA進(jìn)行兩階段包覆成型分析 |
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圖四為Moldex3D研究案例。在連續(xù)纖維預(yù)浸材上方進(jìn)行塑膠結(jié)構(gòu)件的二次加工，Moldex3D分析射出、保壓程序並進(jìn)行翹曲計(jì)算，並考慮非連續(xù)纖維的排向結(jié)果。
Moldex3D的多材質(zhì)分析功能，將單軸纖維預(yù)浸材料排向進(jìn)行三個(gè)方向的測(cè)試分析，產(chǎn)生強(qiáng)度在產(chǎn)品方向上的差異。結(jié)果得到Z軸位移在纖維排向45度時(shí)變形最大；纖維排向0度、90度時(shí)Z軸位移的變形較小，其中又以90度排向的最理想(圖五)。
| 圖五 : 不同連續(xù)纖維預(yù)浸材鋪設(shè)方向?qū)Ξa(chǎn)品翹曲量值預(yù)測(cè) |
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Moldex3D的射出流動(dòng)分析會(huì)考慮非連續(xù)纖維的排向影響，並分離出塑料及纖維排向的影響。在此例中，塑料造成的收縮影響較大，造成產(chǎn)品產(chǎn)生Y方向較大的收縮；90度排向的連續(xù)纖維預(yù)浸材的方向則可以彌補(bǔ)此收縮量的影響，因此達(dá)到產(chǎn)品變形最小收縮量值的需求。
| 圖六 : Moldex3D預(yù)測(cè)射出塑膠結(jié)構(gòu)件的產(chǎn)品變形 |
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由本案例可了解兩階段包覆成型中，連續(xù)纖維預(yù)浸材的排向與射出成型的非等向性短纖維，都會(huì)影響產(chǎn)品的翹曲量值，並發(fā)現(xiàn)不同纖維排向主導(dǎo)了大部分的產(chǎn)品翹曲量值和趨勢(shì)。由此可見(jiàn)，Moldex3D模流分析後對(duì)兩階段包覆成型製程的流程規(guī)畫(huà)、翹曲預(yù)測(cè)可提供顯著助益，進(jìn)而達(dá)到縮短上市時(shí)程、降低成本的功效。
