車輛中心 環能與車電工程處 毛慶平

碳纖維複合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer, CFRP）因具有質量輕、強度高、剛性高、設計自由度高及耐腐蝕等優點，近年來日益受到航空、船舶、建築、車輛、儲能、運動器材等產業的青睞，在全球的需求量也持續增加。根據Global Market Insights市場研究機構之報告顯示，全球碳纖維複材市場的產值於2021年已達到約184 億美元之規模，預估至2030年全球市場將以年複合成長率（Compound Annual Growth Rate, CAGR） 6%的幅度成長至大約309億美元，如圖1所示。其中，車輛領域因電動車發展之輕量化需求，其增長約6.5%。

圖1、2022-2030年全球碳纖維複材市場之趨勢預估

資料來源：www.gminsights.com

然而，針對纖維複合材料之成型製造工法，其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。其中，RTM成型技術具有尺寸精度高、成本低、產品質量好等優點，近年來已廣泛被業界所應用。RTM成型主要是在已設計好的模具中預先放入經疊層計算、剪裁或預成型之加強材（如碳纖維或玻璃纖維），並以低黏度樹脂注入於閉合模具中，進而使其在模具中流動且浸潤加強材，而後再固化成型的一種製程手法，如圖2所示。過去國內業者在進行纖維複材產品RTM成型製程時，往往是透過老師傅的經驗進行製程參數設定，並藉由多次的試誤（Trial & Error）調整後方能找出較適合的成型製程條件，其對於開發時間及成本都是不小的負擔。有鑑於此，倘若在產品設計開發初期即導入RTM成型模擬分析技術，預期將可減少業者不少製程試誤的時間與成本，進而增加產品競爭力。

圖2、纖維複合材料樹脂轉注成型示意圖

資料來源：nal.res.in

在RTM成型模擬分析過程中，必須透過達西定律（Darcy’s Law）來定義各參數間的關係後方可進行。因此，在模擬分析前須先針對樹脂及纖維布等相關特性參數進行量測。而在諸多特性參數中，又以纖維布滲透率的量測是相對複雜且困難的，其主要因每當纖維布之條件改變（如材料種類、疊層數等不同），滲透率則會隨之改變而須重測。然而，滲透率在RTM模擬分析中又扮演著十分關鍵的角色，故大量纖維布滲透率測試經費之投入，往往會造成業者沉重的負擔。

圖3、纖維布滲透率量測示意圖

有鑑於此，車輛中心（ARTC）過去與國內學研機構合作，針對纖維布試片利用三維X光電腦斷層掃描技術（X-ray Computed Tomography, XCT）進行纖維影像掃描，再針對影像掃描得到之纖維直徑、纖維密度、每股纖維寬度及間距等參數進行設定，並以GeoDict軟體進行單片纖維布之數值模型建立。而後，再將前述建立完成之單片纖維布，依據產品實際之疊層數做堆疊與壓縮，使試片數值模型與實際試片厚度相近，如圖4所示。最後，再將流體之黏度、密度、流量、出口壓力等參數設定完成後，即可利用GeoDict進行纖維布試片之滲透率模擬分析，如圖5所示。藉由纖維布滲透率模擬分析技術，業者可隨時調整疊層材料、疊層數量等設計參數，即可快速地掌握纖維布滲透率之特性，進而節省開發上的成本。

(a)單片纖維試片                                                                     (b)四片纖維試片堆疊

圖4、纖維試片之數值模型圖

圖5、纖維布試片滲透率模擬分析之流速分佈圖

以水上摩托車船底殼RTM成型為例，研發工程師可利用前述模擬分析所獲得之纖維布滲透率，再針對船底殼各部位之纖維排向、樹脂注口位置、逃氣口位置等參數進行設定後，即可模擬分析樹脂在充填過程的流動波前狀態（如圖6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，亦可對樹脂充填後所產生之翹曲變形現象，透過模擬分析充分掌握，如圖7所示。

圖6、水上摩托車船底殼RTM成型模擬之流動波前圖

圖7、水上摩托車船底殼RTM成型模擬之翹曲變形圖

車輛中心藉由與工研院智機中心之經濟部科技專案的合作，已完成複材纖維布之滲透率模擬分析與RTM成型模擬技術建立，日後可對於國內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。