Moldex3D模流分析之麻省大学想找出取代自行车金属部件的替代材质

大纲

后变速器是自行车零组件中的结构组件(图一)。此组件通常是由两个金属零件组成，中间夹住链条。UMass Lowell团队提案使用制程及结构仿真以重新设计此组件，改用纤维强化树脂进行制造。其采用的方法为重新设计零件并针对射出成型进行优化，并将 CAE 结果作为正交性材料性质的输入，进行结构分析。制程仿真与结构 FEA 的组合能更进一步优化零件和模具设计。

图一 自行车后齿轮组装示意图

挑战

1、须优化纤维强化结构组件的零件和模具设计

2、将因纤维排向而引发的零件变形降到最低

3、控制制程参数以将翘曲优化并减少变形(图二)

图二 原始设计之翘曲分析：弹性系数

解决方案

UMass Lowell 团队运用 Moldex3D 研究零件设计、模具设计、纤维方向与结构性质之间的相关性。从加工处理和功能性的角度使用此软件，验证纤维含量与树脂的搭配。此方法证明将制程仿真与结构仿真合并，可有效用于重新设计塑料强化聚合物产品。

效益

1、根据原始设计（金属）验证结构特性，以有效重新设计产品

2、 透过FEA接口将制程相关材料的性质用于准确预测设计零件的机械性能

3、藉由最佳模具设计将纤维含量及排向优化

4、将加工处理与结构仿真搭配使用，便无须耗资制造模具和重建

案例研究

本研究目标为设计出纤维强化塑料的结构组件，以取代原先的金属材质。UMass团队用Moldex3D分析加工过程对正交材料特性的影响，希望透过纤维含量、产品设计和模具设计，来优化产品的可制造性；并结合Moldex3D及结构分析软件以验证设计。

为达到目标之结构特性，该团队提出三种不同设计方向:(1)浇口位置、(2)纤维含量和(3)制程参数(图三)。探讨三种不同的浇口位置和其他参数设计；并藉由纤维取向和结构特性之分析结果来定义最佳设计。

图三 浇口位置设计及实验设计元素

UMass Lowell团队透过Moldex3D进行纤维排向及弹性系数之优化，结果如下所示(图四、图五)。

图四 藉改变制程参数优化纤维排向

图五 藉改变制程参数优化弹性系数

此外并评估三种不同纤维含量的化合物，以调整产品的机械特性。首先开发出一结构模型，用以分析产品刚性。接着从Moldex3D输出正交材料模型，并输入至结构分析软件，再以力重比(force-to-weight ratio)来评估产品性能。结果显示设计变更后的产品，较原始设计有更高的力重比(图六)。

图六 结构分析结果

增加壁厚可提高产品刚性，而透过比较力重比，UMass团队发现3mm为最佳的产品厚度。此外纵向及交叉肋条也可大幅提高反作用力，比较无肋条、纵向肋条和交叉肋条三种设计，发现纵向肋条可使肋条沿线的纤维排向达到最高。高含纤量可以使塑件达到与铁件和铝件相当的刚性(图七~图十)。

图七 原始设计与肋条设变后的纤维排向比较

图八 原始设计与肋条设变后的弹性系数比较

图九 设变后的结构分析结果(肋条的影响)

图十 设变后的结构分析结果(含纤量的影响)

根据上述分析结果，UMass团队最后决定采用3mm肉厚、搭配纵向肋条及30%的含纤量。详细之优化设计与制程变更如图十、十一所示。

图十 透过Moldex3D决定的产品及制程设计

图十一 藉FEA接口功能得到的结构评估

结果

UMass团队利用Moldex3D和实验设计(DOE)工具，以极低的成本进行迭代设计的开发和比较。藉纤维排向模拟结果，优化纤维强化热塑性塑料的机械特性。此外藉Moldex3D翘曲分析，也可评估产品是否能够顺利组装，以避免后续昂贵的模具设计变更。Moldex3D的FEA接口功能则可利用制程相关的塑料特性，准确预测出产品性能；同时可输出正交材料模型，对于找出金属材质的替代方案及掌握非等向性材料特性，都有相当大的帮助。