Nowy model anizotropii płynięcia polimerów wzmacnianych włóknami w Moldex3D

Kompozyty termoplastyczne wzmocnione włóknami (Fiber-reinforced Thermoplastics FRT) mają szerokie zastosowanie w przemyśle motoryzacyjnym oraz lotniczym. Elementy kompozytowe mają mniejszą masę, co znaczne zmniejsza ciężar komponentów i pozwala na duże oszczędności paliwa. 

Materiały FRT są przetwarzane za pomocą dwóch zautomatyzowanych metod: formowania wtryskowego oraz metody prasowania. 

Orientacja włókien w materiałach FRT wywołuje przepływ anizotropowy, który zależy w znacznym stopniu od orientacji początkowej tych włókien. 

W przypadku prasowania mat z włóknem szklanym (Glass-mat Thermoplastic GMT) obserwujemy wyraźny kierunek odkształcenia i wydłużenia próbki w kształcie krążka do kształtu elipsy w kierunku przeciwnym do orientacji włókien (ryc. 1).

W przypadku procesu wtrysku, czoło przepływu materiału bez włókna jest jednolite, i utrzymuje regularny kształt podczas wypełniania gniazda formy (A) (ryc. 2). Natomiast w przypadku materiałów wzmacnianych zarówno krótkimi jak i długimi włóknami obserwujemy nieregularny wzór wypełniania. Przy wysokiej zawartości włókien czoło materiału przesuwa się szybciej przy ścianach bocznych (B) (ryc. 2). 

Nowy model lepkości IISO (informed-isotropic viscosity IISO) powstał dzięki współpracy badawczej Purdue-Moldex3D. Model ten opracowany przez doktora Favaloro oraz profesora Pipes (Composites Manufacturing and Simulation Center, Purdue University w USA) został zaimplementowany w oprogramowaniu Moldex3D. 

Szczegóły tego nowego modelu lepkości (IISO) zostały opatentowane w Stanach Zjednoczonych [3, 4] oraz opublikowane w czasopismach naukowych [5, 6].Po implementacji modelu IISO ważne jest sprawdzenie poprawności symulacji w Moldex3D zarówno dla procesu wtrysku jak i metody prasowania. 

Dla symulacji prasowania w Moldex3D początkowy rozkład orientacji włókien w ładunku jest jednokierunkowy w osi X (ryc. 3). Użyty materiał to polipropylen (200°C) o dwudziestopięcioprocentowej zawartości długich włókien szklanych (współczynnik L/D = 360). Ostateczny uzyskany kształt jest wyraźną elipsą rozciągniętą w kierunku przeciwnym do orientacji włókien (ryc. 4). 

Na wynikach symulacji wtrysku dla poliamidu 66 o pięćdziesięcioprocentowej zawartości krótkich włókien szklanych (współczynnik L/D = 20) wyraźnie widać iż czoło materiału przesuwa się szybciej wzdłuż ścian bocznych (ryc. 5).

Symulowanie anizotropii przepływu wywołanej orientacją włókien stanowi wyzwanie nawet dla najnowocześniejszych oprogramowań CFD. Dlatego też zastosowanie modelu IISO ma decydujące znaczenie dla poprawności wyników symulacji. Nowy moduł z zaimplementowanym modelem IISO: Enhanced Fiber jest dostępny w obecnej wersji Moldex3D 2020. 

Aby uzyskać więcej informacji o nowym module Enhanced Fiber prosimy o kontakt pod adresem: moldex3d@moldex3d.com

Literatura:
[1] Favaloro AJ, Sommer DE, Denos BR, Pipes RB. Simulation of prepreg platelet compression molding: Method and orientation validation. J Rheol 2018; 62 1443.
[2] Truckenmüller F, Fritz H-G. Injection molding of long fiber-reinforced thermoplastics: A comparison of extruded and pultruded materials with direct addition of roving strands. Polym Eng Sci 1991; 31 1316-1329.
[3] Favaloro AJ, Pipes RB, Tseng H-C. Molding system for preparing fiber-reinforced thermoplastic composite article. US Patent No. 1020918; 2019.
[4] Tseng H-C, Chang R-Y, Hsu C-H. Molding system for preparing fiber-reinforced thermoplastic composite article. US Patent No. 1020921; 2019.
[5] Favaloro AJ, Tseng H-C, Pipes RB. A new anisotropic viscous constitutive model for composites molding simulation. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing 2018; 115 112-122.
[6] Tseng H-C, Favaloro AJ. The use of informed isotropic constitutive equation to simulate anisotropic rheological behaviors in fiber suspensions. J Rheol 2019; 63(2) 263.