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碳纖維複材零組件結構設計及製造成型CAE分析技術
  • 發布年度:2021
  • 主要類別:CAE技術
  • 次要類別:電子報
  • 車輛中心 環能與車電工程處  毛慶平

    碳纖維(Carbon Fiber, CF)具有質量輕、高強度等優點,且常被添加於各式基材(Matrix)上,作為補強材(Reinforcement)之運用,進而形成具有優異綜合性能之碳纖維複合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer, CFRP)。近年來,因應國際間節能減碳之趨勢,碳纖維在工業界之運用逐年成長,依據歐洲高性能纖維複合材料研究機構CCeV之研究指出,碳纖維複材之需求量從2010年起,每年約有12.24%的成長(如圖1所示),預估在2023年將達到19.7萬噸。

    圖1. 2010-2023年碳纖維全球需求發展
    資料來源:CCeV

    隨著全球汽車銷量的逐步成長,在2017年全球汽車銷售總量已達9,680萬輛高峰。然而,隨著全球汽車總量的增長,相對的整體燃油需求及排放也隨之增加,以致油耗的議題也隨之備受重視。以美國最新法規為例,至2025年平均燃油經濟性標準必須達到54.5英里/加侖,遠超過目前35.5英里/加侖的要求。有鑑於此,碳纖維複材已陸續被國際車廠考慮應用於車輛零組件中。

    碳纖維複材屬非等向性材料(Anisotropic Material),其力學行為較為複雜,與一般等向性金屬材料不同,故在車輛零組件設計開發階段,導入電腦模擬工程分析技術,進而評估其結構力學特性確有其必要性。以汽車引擎蓋內板(Hood Inner)為例,研發工程師可針對其所設計之引擎蓋內板外形進行材料參數、疊層方式及厚度…等設定後,再依將探討之結構受力工況進行邊界條件與負載條件設定,進而模擬分析引擎蓋內板結構各疊層之應力分佈,如圖2所示。

    圖2. 引擎蓋內板應力分佈示意圖(第一層)

    爾後,可再針對各疊層之應力分佈計算結果,進一步對纖維張力 (Tensile Fiber Mode)、纖維壓力 (Compressive Fiber Mode)、基材張力 (Tensile Matrix Mode)、基材壓力 (Compressive Matrix Mode)…等破壞模式評估其破壞可能性,如圖3所示。倘若模擬分析過程發現其結構強度有不足之情況,將可適時地針對碳纖維複材疊層進行改善設計,以期達到產品設計目標。

    圖3. 引擎蓋內板結構破壞判定示意圖(基材壓力破壞)

    在碳纖維複材產品之結構設計完成後,則將進行成型製造。一般來說,車用碳纖維複材產品的成型製造工法,大致可分為熱壓成型(Thermoforming)、樹脂轉注成型(Resin Transfer Molding, RTM)及壓力釜成型(Autoclave)三大類。然而,過去國內業者往往是透過經驗進行製程參數設定,並藉由多次的試誤(Trial & Error)調整後方能找出適合之成型製程條件,其對於產品之開發時間及成本皆是不小的負擔。

    有鑑於此,倘若產品設計開發初期即導入碳纖維複材成型製程模擬分析技術,預期將可避免因製程條件不佳而造成產品不良率較高的情況發生。以引擎蓋內板RTM成型為例,研發工程師可針對纖維排向、材料參數、樹脂注口位置、逃氣口位置…等進行設定後,進而模擬分析樹脂在充填過程的流動波前狀態(如圖4所示),以進而評估樹脂是否可於充填過程中有效地流動並完成灌注。此外,亦可對於樹脂充填後所產生之縫合線(或包封)現象,透過模擬分析掌握,如圖5所示。

    圖4. RTM成型模擬之流動波前圖

    圖5. RTM成型模擬之縫合線位置示意圖

    車輛中心(ARTC)藉由與工研院智機中心之經濟部科技專案的合作,已完成碳纖維複材之結構強度與製造成型模擬分析技術建立,日後可對於國內碳纖維複材產品業者提供技術輔導與產業服務。倘若需要進一步瞭解相關內容細節,歡迎洽詢車輛中心/環能與車電工程處/工程分析中心/毛慶平資深專員。電話:04-7811222分機3310 / E-mail:maocp@artc.org.tw。

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