科盛科技材料量測中心 部門經理 王智偉

為提高產品品質，產業界投入許多心力製造更輕量、更堅固及高效能的產品。過去十年以來，由於纖維強化塑膠(FRP)的高機械強度和輕量化特性，使其被廣泛運用於製造3C、汽車、造船、航太和風力發電產品。樹脂轉注成型(RTM)則是目前最具前瞻性的新興技術。RTM屬液體複合材料成型的一種，適合用於生產幾何複雜的大型塑件，並能滿足高機械強度、嚴格的尺寸公差及外觀等要求，因此被產業廣泛運用。此外，RTM也是最具效率和經濟性的製程之一，原因包括：設備不昂貴、閉模製程、射壓低、容易控制機械特性、可結合金屬嵌件及附件、可用於生產複雜的大型塑件，以及低勞力成本等。

然而RTM產業中仍面臨一些挑戰，例如：由於產品中纖維體積較大的區域對模流行為影響極巨，導致樹脂流動行為不容易被準確預測。因此RTM現場作業人員仍無法精確掌握這些影響，也無法在灌注製程結束前觀察和驗證塑件是否已浸潤飽合。若產品尚未達到100%浸潤，將產生乾斑或氣孔等缺陷，如此一來產品就必須丟棄，直到成功製造出沒有乾斑的RTM產品為止。

若使用此試誤方法來製造大型結構的RTM產品(例如事業級渦輪葉片)，成本相當昂貴。透過有效的CAE模擬技術，即可預測複雜結構的RTM產品流動行為。目前市場上對RTM產品的需求及潛在客戶皆相當龐大，包括纖維材料製造商、模具製造商等，然而可模擬RTM的分析軟體仍相當稀少。纖維布的滲透率是影響RTM CAE模擬品質的關鍵參數之一；而滲透率代表多孔介質(例如纖維布)的特性，也是流體或氣體可滲入介質能力的指標；高滲透率即但表流體可快速通過介質。若使用傳統的量測方法，例如真空輔助樹脂轉注成型(VARTM)，需要將真空袋將打開的模具密封，以製造出一真空環境，此過程不但費時費工且容易產生人為錯誤。

有鑑於此，Moldex3D導入了EASYPERM(圖一)，以提升複合材料的量測能力。EASYPERM曾在2015年獲得JEC創新獎(JEC Invention Award)，是用以量測纖維布滲透特性的儀器，可透過壓力感測器測量出產品不同布位的局部壓力，並描繪出內部平面及外部平面的滲透率。纖維布滲透率是透過均衡流動率及局部壓力並應用達西定律計算而得。本研究中，我們模擬油在滲透率量測過程中非均衡階段的充填行為，以驗證模擬工具的可靠度。在此階段，系統尚未達到均衡狀態，且局部壓力有時會增加。

圖一 (a)EASYPERM；(b)注塑模具；(c)數據採集及分析介面

透過壓力感測器(圖二)不只可觀察到局部壓力隨著時間的變化，且能掌握流動波前抵達的時間。當流動波前到達感測點時，局部壓力就會從零開始增加。接下來進行交叉驗證，我們在Moldex3D RTM模組中複製了一個EASYPERM模穴，並在模擬時使用與實驗相同的注塑設定。此驗證案例針對模擬和實驗結果中的波前到達時間和壓力增加趨勢進行比較。圖三(a)顯示模擬的流動波前與實驗結果非常相似，可見Moldex3D RTM求解器有很高的精確度(圖四、表一)。

圖二 壓力感測點在模穴內部平面幾何中的位置(△為原本位置上的壓力感測點，○則是在平面內其他部位的壓力感測點)

圖三 根據實際注塑條件進行的模擬設定：(a)進澆點及壓力感測位置；(b)流動波前時間

圖四 EASYPERM實驗數據與模擬結果比較，二者相當接近，皆顯示當流動波前到達感測節點時，壓力從零開始增加。

在RTM模擬中，材料特性如纖維布滲透率，對模擬準確度會產生很大的影響。傳統VARTM量測的滲透率數據準確度和可靠度皆只能仰賴實驗室人員的操作，為了改善此問題，Moldex3D特地擴大了材料量測能量，導入EASYPERM，滿足產業對於複合材料的模擬需求。