Chao-Tsai Huang รองศาสตราจารย์ภาควิชาเคมีและวัสดุ วิศวกรรมศาสตร์, Tamkang University
เนื่องจากวัสดุพลาสติกเสริมไฟเบอร์ (FRP) มีคุณสมบัติที่ยอดเยี่ยม จึงถูกนำมาใช้ในอุตสาหกรรมอย่างแพร่หลายเนื่องจากเป็นหนึ่งในเทคโนโลยีน้ำหนักเบาที่สำคัญโดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับผลิตภัณฑ์ยานยนต์หรืออวกาศ อย่างไรก็ตามเนื่องจากโครงสร้างจุลภาคของไฟเบอร์ภายในเมทริกซ์พลาสติกมีความซับซ้อนมากจึงไม่สามารถมองเห็นและจัดการได้ง่าย ในความเป็นจริงความสัมพันธ์ระหว่างโครงสร้างจุลภาคและคุณสมบัติเชิงกลของผลิตภัณฑ์ยังห่างไกลจากความเข้าใจของเรา ดังนั้นในช่วงหลายปีที่ผ่านมาทีมงานของเราที่ Tamkang University (ที่ New Taipei City, ไต้หวัน) ได้พยายามที่จะเชื่อมโยงจากคุณสมบัติโครงสร้างจุลภาคของไฟเบอร์ไปจนถึงคุณสมบัติมหภาคสำหรับ FRP ในกระบวนการฉีดขึ้นรูปผ่านการจำลองเชิงตัวเลขโดยใช้ Moldex3D และการสังเกตการทดลอง
ผลการวิจัยพบว่าคุณสมบัติการรับแรงดึงของชิ้นงานฉีดขึ้นอยู่กับการกระจายตัวของไฟเบอร์ (FOD) เป็นหลัก เพื่อการยืนยันข้อสังเกตนี้ได้มีการดำเนินการสร้างการจำลองและการศึกษาเชิงทดลองซึ่งรวมถึงการคาดคะเนการเรียงตัวของไฟเบอร์โดยใช้ซอฟต์แวร์ CAE และการตรวจสอบโดยใช้ micro-CT ความสัมพันธ์บางประการระหว่างคุณลักษณะโครงสร้างจุลภาคของไฟเบอร์กับคุณสมบัติทางกายภาพของเทอร์โมพลาสติกเสริมแรงด้วยไฟเบอร์ (fiber-reinforced thermoplastic) ในกระบวนการฉีดขึ้นรูปสามารถตรวจสอบได้ โดยเราได้ออกแบบระบบฉีดขึ้นรูปโดยมีชิ้นงานสามชิ้นตามมาตรฐาน ASTM D638 ซึ่งแต่ละชิ้นงานมีการออกแบบเกทที่แตกต่างกันดังแสดงในรูปที่ 1 การออกแบบเกทที่แตกต่างกันสามารถเปลี่ยนพฤติกรรมการไหลและให้คุณสมบัติการกระจายตัวของไฟเบอร์ (fiber orientation distribution) ที่แตกต่างกัน เนื่องจากรูปทรงทางเรขาคณิตสามารถส่งผลกระทบต่อพฤติกรรมต่าง ๆ จึงมีการวิเคราะห์คุณลักษณะการหดตัวในบางตำแหน่งและพฤติกรรมการบิดงอของแบบจำลองทั้งหมดโดยละเอียดควบคู่กันไปโดยการจำลองและการทดลองของ Moldex3D (รูปที่ 2) ผลลัพธ์แสดงไว้ในตารางที่ 1 เห็นได้ชัดว่าการคาดการณ์เชิงตัวเลขและผลการทดลองมีความสอดคล้องกันมาก
รูปที่ 1 รูปทรงเรขาคณิตสามชิ้นตามมาตรฐาน ASTM D638
รูปที่ 2 การวัดการหดตัวจากมุมมองที่แตกต่างกัน
ตารางที่ 1 การเปรียบเทียบพฤติกรรมการหดของตัวอย่างชิ้นงานที่แตกต่างกันสามชิ้นสำหรับทั้งการจำลองและการทดลอง
ยิ่งไปกว่านั้นผลกระทบของการเสริมแรงด้วยไฟเบอร์ต่อสมบัติเชิงกลของชิ้นงานฉีดแสดงไว้ในรูปที่ 3 สำหรับ PP บริสุทธิ์ทั้งสามรุ่นมีความต้านทานแรงดึงใกล้เคียงกันซึ่งอยู่ที่ประมาณ 20 N / mm2 อย่างไรก็ตามเมื่อใช้วัสดุพลาสติกเสริมแรงด้วยไฟเบอร์ (FRP) ความต้านทานแรงดึงได้รับการปรับปรุงอย่างมีนัยสำคัญ ตัวอย่างเช่นสำหรับชิ้นงาน Model I เมื่อนำไฟเบอร์สั้นมาใช้ ความต้านทานแรงดึงจะเพิ่มขึ้นจาก 20 N / mm2 เป็น 140 N / mm2 คุณสมบัติที่คล้ายกันนี้สามารถสังเกตได้สำหรับชิ้นงาน Model II ซึ่งความต้านทานแรงดึงเพิ่มขึ้นจาก 20 N / mm2 เป็น 120 N / mm2 ความต้านทานแรงดึงของ Model III เพิ่มขึ้นจาก 20 N / mm2 เป็น 40 N / mm2 (PP) ซึ่งไม่ชัดเจนเนื่องจากการฉีดสองด้านจะทำให้เกิดรอยเชื่อม
เหตุใดความแข็งแรงของ Model I (การใช้เกทชนิด Side Gate) จึงสูงกว่า Model II (Sprue Gate) เนื่องจากการออกแบบเกทแบบพิเศษส่งผลให้เกิดพฤติกรรมการไหลแบบไม่สมมาตร (เวกเตอร์ความเร็วแบบอสมมาตร) ทำให้การการกระจายตัวของไฟเบอร์ไม่สมมาตรใน Model I ความไม่สมมาตรของการกระจายตัวของไฟเบอร์นี้จะช่วยเพิ่มความต้านทานแรงดึงและคุณสมบัติเชิงกลที่ดีขึ้น โดยรวมแล้วการคาดคะเนการจำลองมีความสอดคล้องอย่างมากกับการทดลอง
รูปที่ 3 การเปรียบเทียบความต้านทานแรงดึงระหว่าง PP บริสุทธิ์และพลาสติกเสริมแรงด้วยไฟเบอร์ (FRP) สำหรับชิ้นงานที่แตกต่างกันสามชิ้น
ต่อไปเราพยายามค้นหาความสัมพันธ์ระหว่างคุณสมบัติทางกายภาพของชิ้นงานฉีดและคุณสมบัติการเรียงตัวของไฟเบอร์ โดยเราต้องการทราบว่าการคาดคะเนการเรียงตัวของไฟเบอร์ผ่านการวิเคราะห์ของ Moldex3D นั้นแม่นยำเพียงใด ก่อนหน้านี้ในกรณีที่ไม่มีการวิเคราะห์ความสัมพันธ์ระหว่างการไหลและไฟเบอร์ (Flow-fiber coupling) แนวโน้มของรูปแบบการเรียงตัวของไฟเบอร์สำหรับทั้งการคาดการณ์เชิงตัวเลขและการทดลองสอดคล้องกันดี ตัวอย่างบางกรณีระบุไว้ในรูปที่ 4 สำหรับรายละเอียดเพิ่มเติมโปรดดูบทความของเรา “การเรียงตัวของไฟเบอร์ที่ได้รับผลกระทบจากการไหลและอิทธิพลต่อการบิดงอและสมบัติเชิงกลในชิ้นส่วนฉีดพลาสติกเสริมไฟเบอร์ (FRP)” หรือ “Flow-induced Orientations of Fibers and Their Influences on Warpage and Mechanical Property in Injection Fiber Reinforced Plastic (FRP) Parts ที่ตีพิมพ์ใน International Journal of Precision Engineering and Manufacturing-Green Technology (2020/06/30, DOI: 10.1007 / s40684-020-00226-2)”
รูปที่ 4 พฤติกรรมการเรียงตัวของไฟเบอร์ผ่านการคาดการณ์เชิงตัวเลข (โดยไม่มีการวิเคราะห์ความสัมพันธ์ระหว่างการไหลและไฟเบอร์) และการทดลองสำหรับ Model I: (a) ที่ตำแหน่งใกล้เกท (Near Gate Region), (b) ที่ส่วนท้ายของการเติมเต็ม (End of Filling Region)
แม้ว่าผลลัพธ์ก่อนหน้านี้ของการเรียงตัวของไฟเบอร์โดยการคาดการณ์เชิงตัวเลขจะมีแนวโน้มที่ดีเมื่อเทียบกับการทดลอง แต่ก็ยังมีความแตกต่างอยู่บ้าง โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อพิจารณาการเรียงตัวที่ตำแหน่ง A11 และ A22 แสดงค่าไม่เท่ากันทั้งในการคาดการณ์เชิงตัวเลขและการทดลอง เรามักจะสงสัยว่าอะไรคือสาเหตุสำคัญที่ทำให้เกิดการเบี่ยงเบนนี้ Dr. Anthony Favaloro1 et al. [1] จากมหาวิทยาลัย Purdue ได้เสนอแบบจำลองความหนืด IISO เพื่ออธิบายการเปลี่ยนแปลงความหนืดอันเนื่องมาจากผลความสัมพันธ์ระหว่างการไหลและไฟเบอร์เมื่อเร็ว ๆ นี้ ต่อมา Dr.Huan-Chang Tseng จาก Moldex3D และ Dr. Anthony Favaloro1 [2] ได้ปรับเปลี่ยนแบบจำลองความหนืดของ IISO เป็นแบบจำลอง IISO ที่แก้ไขแล้วและนำโมเดลใหม่นี้ไปใช้ในซอฟต์แวร์ Moldex3D หลังจากนั้นเราใช้แบบจำลอง IISO ที่ปรับปรุงใหม่นี้เพื่อศึกษาผลกระทบของความสัมพันธ์ระหว่างการไหลและไฟเบอร์ ต่อรูปแบบการเรียงตัวของไฟเบอร์ในระหว่างการฉีดขึ้นรูป ผลลัพธ์บางส่วนถูกนำเสนอในรูปที่ 5 เห็นได้ชัดว่าเมื่อมีการวิเคราะห์ความสัมพันธ์ระหว่างการไหลและไฟเบอร์ ค่าการเรียงตัวของตำแหน่ง A11 และ A22 ใกล้เคียงกันมากขึ้นสำหรับทั้งการคาดการณ์เชิงตัวเลขและการทดลอง โดยเฉพาะตัวอย่าง ASTM D638 ทั้งสามชิ้นนั้นมีข้อมูลการไหลและคุณสมบัติการเรียงตัวของไฟเบอร์ที่แตกต่างกัน แต่การคาดการณ์เชิงตัวเลขสามารถจับคุณสมบัติการเรียงตัวที่แตกต่างกันได้อย่างแม่นยำในเวลาเดียวกัน (รูปที่ 5)
รูปที่ 5 พฤติกรรมการเรียงตัวของไฟเบอร์โดยการคาดการณ์เชิงตัวเลขโดยใช้ Moldex3D และการทดลองโดยไม่วิเคราะห์วิเคราะห์ความสัมพันธ์ระหว่างการไหลและไฟเบอร์มี: (a) Model I ที่ EFR, (b) Model II ที่ EFR
สรุปได้ว่าแบบจำลอง IISO ใหม่ของ Moldex3D สามารถช่วยให้เราคาดการณ์การเรียงตัวของไฟเบอร์ชที่ซับซ้อนได้อย่างแม่นยำแม้ในระบบเรขาคณิตที่ซับซ้อน หากคุณสนใจผลการวิจัยโปรดดูบทความที่ตีพิมพ์ปัจจุบันของเราที่ Polymers 2020, 12, 2274; doi: 10.3390 / polym12102274.
การเข้าถึงมีดังต่อไปนี้:
ผ่านเว็บไซต์ HTML: https://www.mdpi.com/2073-4360/12/10/2274/htm
ไฟล์ PDF: https://www.mdpi.com/2073-4360/12/10/2274/pdf
หมายเหตุ： Anthony Favaloro: Research Scientist at Purdue University, West Lafayette, Indiana, United States
อ้างอิง
- 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.