Moldex3D模流分析之结合Moldex3D和ANSYS验证玻纤对聚乳酸产品结构的影响

大纲

虽然轻量化已是当前塑料产品的制造趋势，但兼顾刚度及强度仍是必要的需求。以可降解材料而言，除减少制造过程中的碳排放外，添加纤维更可帮助强化产品结构。本案例中台科大团队选择可降解塑料聚乳酸(Poly Lactic Acid, PLA)塑料复材来进行模拟，探讨纤维配向对产品翘曲和应力的影响。

挑战

• 须了解纤维对于产品强度的影响

• 目前对于PLA较无标准测试及模拟分析方法

解决方案

利用Moldex3D Advanced以及纤维配向模块打造网格模型(图一)、进行收敛测试(图二)并完成射出成型模拟。

图一 以Moldex3D建立网格模型

图二 元素收敛测试

效益

• 发现长纤维的抗拉伸强度、翘曲变形都优于短纤

• Moldex3D和ANSYS的结合可为PLA材料提供完整的模拟解决方案

• 可由模拟结果得知添加纤维可以提高产品强度

案例研究

本案例为PLA产品样本之研究。PLA材料因抗冲击性差、耐热性差及结晶速率慢，因此希望藉由添加玻纤以补强上述缺点。首先透过实验验证Moldex3D的模拟准确度，得知仿真的流动特征结果与实际情形相当符合(图三)。接下来以Moldex3D分别预测添加短纤和长纤、以及塑料混炼对于抗翘曲的影响。最后再藉由ANSYS结构分析软件辅助验证Moldex3D数值准确性。

图三 Moldex3D对凹痕的模拟结果，与实验结果一致

虽已知添加纤维可增强PLA产品的结构，但何种混炼比率的材料才能达到最佳的强度，仍是未知。台科大团队发现Moldex3D能够精准预测纤维配向，模拟结果也可透过Moldex3D FEA接口功能模块输出到ANSYS进行结构分析。

将玻璃纤维添加至纯PLA中，可提高产品强度。仿真结果也显示，比起短纤，长纤更能有效改善变形(图四)。

图四 长纤降低变形的效果较短纤佳

当玻纤添加越多时，翘曲变形量就会降低。本案例中，玻纤浓度为25%时产品变形量至低(图五)。

图五 不同玻纤比率的翘曲变形结果

接下来用ANSYS来验证Moldex3D的翘曲和应力分析，二者的结果非常相近(图六)。

图六 Moldex3D和ANSYS的模拟结果验证

结果

从Moldex3D的使用经验中可获知，在不同变量下，纤维对产品的影响都能够有效预测。透过Moldex3D FEA接口功能模块，用户能够输出纤维配向结果至ANSYS进行结构分析，获得更精准的结构分析结果，是非常强大且可靠的工具。本案例的研究，将能帮助加速PLA复材在行动装置外壳的应用。