【資料圖】

為提高產(chǎn)品質(zhì)量，產(chǎn)業(yè)界投入許多心力制造更輕量、更堅固及高效能的產(chǎn)品。過去十年以來，由于纖維強化塑料(FRP)的高機械強度和輕量化特性，使其被廣泛運用于制造3C、汽車、造船、航天和風力發(fā)電產(chǎn)品。樹脂轉(zhuǎn)注成型(RTM)則是目前最具前瞻性的新興技術。RTM屬液體復合材料成型的一種，適合用于生產(chǎn)幾何復雜的大型塑件，并能滿足高機械強度、嚴格的尺寸公差及外觀等要求，因此被產(chǎn)業(yè)廣泛運用。此外，RTM也是最具效率和經(jīng)濟性的制程之一，原因包括：設備不昂貴、閉模制程、射壓低、容易控制機械特性、可結合金屬嵌件及附件、可用于生產(chǎn)復雜的大型塑件，以及低勞力成本等。

然而RTM產(chǎn)業(yè)中仍面臨一些挑戰(zhàn)，例如：由于產(chǎn)品中纖維體積較大的區(qū)域?qū)δＡ餍袨橛绊憳O巨，導致樹脂流動行為不容易被準確預測。因此RTM現(xiàn)場作業(yè)人員仍無法精確掌握這些影響，也無法在灌注制程結束前觀察和驗證塑件是否已浸潤飽合。若產(chǎn)品尚未達到100%浸潤，將產(chǎn)生干斑或氣孔等缺陷，如此一來產(chǎn)品就必須丟棄，直到成功制造出沒有干斑的RTM產(chǎn)品為止。

若使用此試誤方法來制造大型結構的RTM產(chǎn)品(例如事業(yè)級渦輪葉片)，成本相當昂貴。透過有效的CAE仿真技術，即可預測復雜結構的RTM產(chǎn)品流動行為。目前市場上對RTM產(chǎn)品的需求及潛在客戶皆相當龐大，包括纖維材料制造商、模具制造商等，然而可仿真RTM的分析軟件仍相當稀少。纖維布的滲透率是影響RTM CAE仿真質(zhì)量的關鍵參數(shù)之一；而滲透率代表多孔介質(zhì)(例如纖維布)的特性，也是流體或氣體可滲入介質(zhì)能力的指標；高滲透率即但表流體可快速通過介質(zhì)。若使用傳統(tǒng)的量測方法，例如真空輔助樹脂轉(zhuǎn)注成型(VARTM)，需要將真空袋將打開的模具密封，以制造出一真空環(huán)境，此過程不但費時費工且容易產(chǎn)生人為錯誤。

有鑒于此，moldex3d材料科學研究中心導入了EASYPERM(圖一)，以提升復合材料的量測能力。EASYPERM曾在2015年獲得JEC創(chuàng)新獎(JEC Invention Award)，是用以量測纖維布滲透特性的儀器，可透過壓力傳感器測量出產(chǎn)品不同布位的局部壓力，并描繪出內(nèi)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并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(tǒng)尚未達到均衡狀態(tài)，且局部壓力有時會增加。

圖一 (a)EASYPERM；(b)注塑模具；(c)數(shù)據(jù)采集及分析接口

透過壓力傳感器(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模塊中復制了一個EASYPERM模穴，并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)顯示仿真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(nèi)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(nèi)其他部位的壓力感測點)

圖三 根據(jù)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(shù)據(jù)與仿真結果比較，二者相當接近，皆顯示當流動波前到達感測節(jié)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(chǎn)生很大的影響。傳統(tǒng)VARTM量測的滲透率數(shù)據(jù)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(chǎn)業(yè)對于復合材料的模擬需求。