臺灣博碩士論文加值系統

近年來因節能與環保的需求，輕量化已成為各國主要政策發展之一，尤其是利用纖維強化塑膠(Fiber Reinforce Thermoplastics, FRT)來取代部份金屬零組件，其具有高強度、重量輕之材料特性，使汽車重量能大大減輕。然而應用射出成型製備纖維強化塑膠時，由於新世代產品之幾何越變越複雜，加上材料本身特性與操作條件複合後，造就了熔膠在模穴中的流動行為變得難以掌握及預測，因而纖維如何透過其微結構之變化，進而達成巨觀之強化效果，至今仍未完全地明瞭。因此，本研究之目的為利用三種不同澆口型態的標準拉伸試片模型(定義為Model I, II, III)的射出成型系統，探索因為設計、材料差異及操作條件變化下，纖維微結構如何受到影響，並進而造成巨觀形狀之變異，其中Model I, II, III分別是側邊單點進澆、直接單點進澆、雙點進澆。具體執行方法是先採用Moldex3D進行之模擬分析，之後再進行實際之試模驗證與研究。CAE模擬分析結果顯示，由於系統幾何設計之效應，三個標準拉伸試片模型呈現非常不同之翹曲變形之行為，此時我們雖然預期纖維強化了塑料強度，但卻導致Model I 往下方翹曲並且往內彎；在此同時Model II 卻往上方翹曲，而Model III 變形相對不明顯。為探索此項差異之成因，我們深入觀察纖維排向分佈(Fiber Orientation Distribution, FOD)發現，由於熔膠進入不同產品幾何時之入口效應(Entrance Effect) 引發不對稱的流場，造成不對稱之纖維排向分佈所導致特殊之翹曲變形。另外針對纖維長度對產品翹曲品質之模擬分析，可以發現纖維長度越長，對翹曲變形的改善效果更佳的明顯。此等翹曲變形改善行為也利用實驗驗證，趨勢及量值皆吻合。再則，針對纖維長度對樣品拉伸強度的變化之研究，隨著添加的纖維長度增加，拉伸強度有顯著的提升，以Model I為例，從純PP拉伸強度約為20 N/mm2，至纖維長度為25 mm約為140 N/mm2，增強了7倍。但有經過幾何入口效應之影響，不同區域所呈現之拉伸強度有明顯之差異。

Due to its great potential and capability, the fiber reinforced thermoplastics (FRT) material and technology have been applied into industry recently. However, due to the microstructures of fiber inside plastic matrix are very complex, they are not easy to be visualized. The connection from microstructures to the final shrinkage/warpage is far from our understanding.
In this study, we have performed a benchmark with three standard specimens based on ASTM D638 where those specimens have different gate designs. Due to the geometrical effect, the warpage behaviors are quite different for those three specimens. Although we expect long fiber reinforced to enhance strength, it causes one specimen warped downward and bended inward, another warped upward, and the other slightly upward at the same time. The difference might be due to the interaction of the entrance effect of molten plastic with fiber content to cause high asymmetrical fiber orientation distribution (FOD). We further studied that the asymmetrical FOD is introduced by the entrance effect from the sprue entrance of the part to the gate of each standard specimen. This entrance effect will cause the variation of FOD and further influence the fiber distribution and the bundle phenomena. Moreover, the experimental study is also performed to validate the simulation results. From short shot testing to the warpage and bending measurement for each individual model, overall, the tendency for both numerical simulation and experimental results is in a reasonable agreement. However, some deviation still existed which needs for further study. Furthermore, in the fiber length effect study experimentally, the longer fiber reinforced the less warpage. Also, the elongation and strength of injected parts can be enhanced significantly as fiber length increased. For example, from pure PP to FRP with 25 mm fiber inside, the strength can be increased from 20 N/mm2 to 140 N/mm2 .

目錄
致謝 I
中文摘要 II
英文摘要 III
目錄 V
圖目錄 IX
表目錄 XV
符號說明 XVI
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 文獻回顧 3
1.2.1 纖維強化塑膠 3
1.2.2 CAE模擬分析與纖維強化塑膠之關係 6
1.2.3 產品翹曲品質與強度 7
1.2.4 文獻總結 8
1.3 研究動機與目的 10
1.4 論文架構 12
第二章 射出成型纖維複合材料之微結構特性及產品巨觀之翹曲變形 14
2.1 塑膠射出成型製程簡介 15
2.2 高分子材料介紹 18
2.2.1 聚丙烯(Polypropylene) 19
2.2.2 纖維強化塑膠 20
2.3 纖維強化結構之機理介紹 23
2.3.1 纖維排向 23
2.3.2 纖維長度 24
2.3.3 纖維濃度 26
第三章 研究方法與流程 27
3.1 研究方法與流程 27
3.2 數值模擬分析與系統資訊 29
3.2.1 基本理論 29
3.2.1.1 連續方程式(Continuity Equation) 29
3.2.1.2 動量方程式(Momentum Equation) 29
3.2.1.3 能量方程式(Energy Equation) 30
3.2.1.4 本質黏度方程式 31
3.2.1.5 纖維排向模型 32
3.2.1.6 纖維長度斷裂模型 35
3.2.1.7 纖維濃度模型 36
3.2.2 產品幾何模型與模具設計 37
3.2.3 網格模型建立 39
3.2.4 材料選擇 45
3.2.5 加工參數設定 49
3.2.6 量測位置之目的與選定 51
3.2.7 數值模擬分析所使用之硬體 54
3.2.8 數值模擬分析所使用之軟體 54
3.2.9 模擬分析專案建立 54
3.3 實驗研究與相關資訊 56
3.3.1 實際射出成型之流程 56
3.3.2 射出成型系統與相關設備 58
3.3.3 射出成型成品巨觀翹曲變形量測方法 63
3.3.4 射出成型成品巨觀強度量測方法 67
3.3.5 射出成型成品纖維長度量測方法 67
3.3.6 射出成型成品微觀品質量測方法 68
第四章 結果與討論 71
4.1 理論模擬分析 71
4.1.1 巨觀翹曲變形 71
4.1.2 微觀結構 79
4.1.3 巨觀翹曲與微觀結構之關係 85
4.1.4 不同操作參數對巨觀翹曲變形之影響 86
4.1.5 入口效應 90
4.2 實驗驗證與研究 93
4.2.1 充填短射結果之比對 93
4.2.2 不同試片收縮翹曲模擬與實驗比對 96
4.2.3 纖維長度 103
4.2.4 拉伸試驗 107
4.2.5 光學方式檢視纖維微結構 113
第五章 結論 120
第六章 未來研究方向之建議 122
第七章 參考文獻 123
第八章 附錄 128
8.1 微觀結構之纖維濃度 128
8.2 單一因子之纖維排向 132
作者簡歷 142
 
圖目錄
圖 1.2 1 噴泉效應示意圖[14] 5
圖 1.2 2 模擬平板之纖維排向 5
圖 1.2 3 纖維排向之五層結構 6
圖 2.1 1 射出成型製程循環圖[39] 17
圖 2.2 1 熱塑性高分子之分子鏈 19
圖 2.2 2 熱固性高分子之分子鏈 19
圖 2.2 3 聚丙烯結構示意圖 20
圖 2.2 4 含玻璃纖維之塑料流動方向與強度之關係[43] 22
圖 2.3 1 模穴內之厚度方向纖維排向示意圖[47] 24
圖 2.3 2 纖維長度對品質的影響[48] 25
圖 3.1 1 本研究之流程圖 28
圖 3.2 1 單根纖維在空間中的方向[51] 32
圖 3.2 2 幾何模型尺寸大小(單位：mm) 38
圖 3.2 3 拉伸試片尺寸大小(單位：mm) 38
圖 3.2 4 冷卻水管配製圖 39
圖 3.2 5 模座配製圖(單位：mm) 39
圖 3.2 6 網格類型種類[52] 40
圖 3.2 7 Tetra網格解剖[52] 40
圖 3.2 8 網格層數差異之溫度分佈結果[53] 41
圖 3.2 9 不同網格尺寸之進澆口壓力曲線圖 43
圖 3.2 10 整體模穴及流道實體網格圖 44
圖 3.2 11 模穴系統網格品質圖 45
圖 3.2 12 純PP ST868M 材料黏度對剪切率之關係圖 46
圖 3.2 13 純PP ST868M 材料比容對溫度在不同壓力之關係圖 47
圖 3.2 14 純PP ST868M 材料比熱對溫度之關係圖 47
圖 3.2 15 純PP ST868M 材料熱傳導係數對溫度之關係圖 48
圖 3.2 16 比對三種不同含纖PP材料黏度對剪切速率之關係圖 48
圖 3.2 17 巨觀翹曲變形之觀測位置 52
圖 3.2 18 匯出翹曲變形後(X1)之數值方法 53
圖 3.2 19 纖維微觀變化之觀測位置 53
圖 3.2 20 本研究進行模擬分析之流程 55
圖 3.3 1 射出實驗流程圖 57
圖 3.3 2 外掛式微射出系統主要結構(專利號碼：I 258419) 59
圖 3.3 3 三柱式長纖複合材料射出機示意圖[54] 59
圖 3.3 4 射出成型機 CLF-180TXL 60
圖 3.3 5 實驗用模具 62
圖 3.3 6 (a)公模仁 (b)母模仁 62
圖 3.3 7 模具設計圖 (a)母模面 (b)公模面 63
圖 3.3 8 整個射出產品內三種不同拉伸試片之收縮翹曲量測位置 64
圖 3.3 9 量測收縮示範圖 64
圖 3.3 10 將四種材料之產品於量測位置做記號 65
圖 3.3 11 量測整個產品翹曲之示意圖 66
圖 3.3 12 電子式游標尺 66
圖 3.3 13 萬能拉力機 67
圖 3.3 14 高溫燒結爐 68
圖 3.3 15 鍍金機 69
圖 3.3 16 掃描式電子顯微鏡(TESCAN Vega II) 70
圖 4.1 1 幾何系統之收縮行為預測 72
圖 4.1 2 從Side view (1) 觀察之Model I下翹 72
圖 4.1 3 從Side view (2) 觀察之Model II上翹 73
圖 4.1 4 Model I收縮與翹曲行為 73
圖 4.1 5 Model II收縮與翹曲行為 73
圖 4.1 6 Model III收縮與翹曲行為 74
圖 4.1 7 整體試片四邊之翹曲量值模擬結果 76
圖 4.1 8 Model II短邊之P16量測節點 77
圖 4.1 9 三種材料模擬分析之翹曲量值 79
圖 4.1 10 Model I, II, III：靠近澆口處之纖維排向分析：(a) Node A, (b) Node B, (c) Node C. 82
圖 4.1 11 Model I, II, III：試片幾何中心處之纖維排向分析：(a) Node D, (b) Node E, (c) Node F 83
圖 4.1 12 Model I, II, III：試片流動末端之纖維排向分析：(a) Node G, (b) Node H, (c) Node I 84
圖 4.1 13 三種進澆方式Model在進澆口處及流動末端處纖維排向比較 86
圖 4.1 14 單一參數設變之翹曲比較圖 89
圖 4.1 15 Model I 入口效應 (紅圈處) 90
圖 4.1 16 Model I之纖維排向模擬結果 (核心層處) 91
圖 4.1 17 Model I,II在試片中心處之纖維排向 92
圖 4.2 1 15%充填之模擬波前流動及螺桿行程15 mm之實射圖 94
圖 4.2 2 22%充填之模擬波前流動及螺桿行程25 mm之實射圖 94
圖 4.2 3 50%充填之模擬波前流動及螺桿行程60 mm之實射圖 94
圖 4.2 4 65%充填之模擬波前流動及螺桿行程75 mm之實射圖 95
圖 4.2 5 75%充填之模擬波前流動及螺桿行程90 mm之實射圖 95
圖 4.2 6 100%充填之模擬波前流動及螺桿行程117 mm之實射圖 95
圖 4.2 7 實射產品幾何與尺寸(單位：mm) 96
圖 4.2 8 實際完成之產品(正視圖) 97
圖 4.2 9 實際完成之產品(上視圖) 97
圖 4.2 10 實際完成之產品(右視圖) 97
圖 4.2 11 整體試片四邊之翹曲量值模擬分析與實驗結果比較 100
圖 4.2 12 PP+30% GF (3 mm)實驗產品之整體翹曲 101
圖 4.2 13 實際射出產品之Model II上翹示意圖 101
圖 4.2 14 四種材料之四邊翹曲變形實驗結果比較 103
圖 4.2 15 纖維長度為25 mm裁切後試片 104
圖 4.2 16 燒結前試片秤重量 104
圖 4.2 17 燒結後之試片 105
圖 4.2 18 量測纖維長度之方法 105
圖 4.2 19 四種材料在原始設計之下不同Model的拉伸強度比較 109
圖 4.2 20 四種材料之拉伸應力與變形量之關係圖 109
圖 4.2 21 拉伸後試片示意圖 110
圖 4.2 22 Model I試片前端中心處撒點位置(右邊紅圈處) 111
圖 4.2 23 Model II試片前端中心處撒點位置(紅圈處) 111
圖 4.2 24 12 mm及25 mm在不同model 之拉伸破斷面 114
圖 4.2 25 雙邊進澆之熔膠匯集示意圖 115
圖 4.2 26 試片拉伸後之破斷面 116
圖 4.2 27 SEM量測之觀察位置定義 116
圖 4.2 28 Model I之破斷面於位置A之SEM圖 (50X) 117
圖 4.2 29 Model II之破斷面於位置B和C之SEM圖 (50X) 117
圖 4.2 30 Model I之破斷面於位置C2之SEM圖 (130X) 118
圖 4.2 31 Model II之破斷面於位置C3之SEM圖 (75X) 118
圖 4.2 32 Model III之破斷面於位置A之SEM圖 (50X) 119
圖 4.2 33 Model III之破斷面於位置B之SEM圖 (50X) 119
圖 8.1 1 Model I, II, III：靠近澆口處之纖維排向分析：(a) Node A, (b) Node B, (c) Node C 129
圖 8.1 2 Model I, II, III：試片幾何中心處之纖維排向分析：(a) Node D, (b) Node E, (c) Node F 130
圖 8.1 3 Model I, II, III：試片流動末端之纖維排向分析：(a) Node G, (b) Node H, (c) Node I 131
圖 8.2 1 Model I改變射速之纖維排向比較 132
圖 8.2 2 Model I改變料溫之纖維排向比較 133
圖 8.2 3 Model I改變模溫之纖維排向比較 133
圖 8.2 4 Model II改變射速之纖維排向比較 134
圖 8.2 5 Model II改變料溫纖維排向比較 134
圖 8.2 6 Model II改變模溫纖維排向比較 135
圖 8.2 7 Model III改變射速纖維排向比較 135
圖 8.2 8 Model III改變料溫纖維排向比較 136
圖 8.2 9 Model III改變模溫纖維排向比較 136
圖 8.2 10 射速30%在不同model下之纖維排向比較 137
圖 8.2 11 射速60%在不同model下之纖維排向比較 137
圖 8.2 12 射速90%在不同model下之纖維排向比較 138
圖 8.2 13 料溫240°C在不同model下之纖維排向比較 138
圖 8.2 14 料溫260°C在不同model下之纖維排向比較 139
圖 8.2 15 料溫280°C在不同model下之纖維排向比較 139
圖 8.2 16 模溫25°C在不同model下之纖維排向比較 140
圖 8.2 17 模溫50°C在不同model下之纖維排向比較 140
圖 8.2 18 模溫80°C在不同model下之纖維排向比較 141

表目錄
表 3-1不同網格尺寸進行模擬分析相關資訊 42
表 3-2本研究模擬分析專案使用之網格相關資訊 43
表 3-3本研究所使用四種材料之型號與纖維含量 46
表 3-4原始設計之加工參數設定表(模擬) 50
表 3-5單一參數設定表(模擬) 50
表 3-6 固定不變之參數表 51
表 3-7射出成型機規格 60
表 3-8實驗研究執行之射出成型操作參數設定 61
表 3-9掃描式電子顯微鏡規格 69
表 4-1單個拉伸試片之模擬量測結果(單位：mm) 74
表 4-2兩點參考點之翹曲差值比較(單位：mm) 89
表 4-3種不同拉伸試片之收縮翹曲模擬與實驗比對(單位：mm) 99
表 4-4 PP+50% GF (12 mm)之纖維含量實驗 106
表 4-5 PP+50% GF (25 mm)之纖維含量實驗 106
表 4-6 PP+50% GF (12 mm)之纖維長度實驗 107
表 4-7 PP+50% GF (25 mm)之纖維長度實驗 107
表 4-8熔膠一進入Model I表皮層及核心層處之速度 112
表 4-9熔膠一進入Model II表皮層及核心層處之速度 112
表 4-10 Model I及Model II在核心層之速度與纖維排向比較 112

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