麻省大学想找出取代自行车金属部件的替代材质

■科盛科技

客户简介

  • 客户:University of Massachusetts Lowell (UMass Lowell)
  • 国家:美国
  • 产业:教育
  • 解决方案:Moldex3D Studio、专家分析模块Expert、流动分析模块 Flow、保压分析模块 Pack、冷却分析模块 Cool、翘曲分析模块 Warp、纤维分析模块、FEA界面功能模块

由美国麻省大学厄洛尔分校(UMass Lowell)塑胶工程系所主持的塑胶工程项目(ESE),因在相关领域教学及研究上的杰出成就,获得许多外界的肯定和支持。

大纲

后变速器是自行车零组件中的结构组件(图1)。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模拟以重新设计此组件,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。制程模拟与结构FEA的组合能更进一步最佳化零件和模具设计。

图1:自行车后齿轮组装示意图

面临的挑战与应对

本次案例面临的主要挑战分别为「须优化纤维强化结构组件的零件和模具设计」、「将因纤维排向而引发的零件变形降到最低」,以及「控制制程参数以将翘曲最佳化并减少变形(图2)」。

图2:原始设计之翘曲分析──弹性系数

对于上述提到的挑战,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。此方法证明将制程模拟与结构模拟合并,可有效用于重新设计塑胶强化聚合物产品。带来的效益如下:

  • 根据原始设计(金属)验证结构特性,以有效重新设计产品;
  • 透过FEA界面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;
  • 藉由最佳模具设计将纤维含量及排向最佳化;
  • 将加工处理与结构模拟搭配使用,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胶的结构组件,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3)。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3:浇口位置设计及实验设计项目

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4、图5)。

图4:藉改变制程参数优化纤维排向
图5: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(表1)。

表1: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6~图9)。

图6:原始设计与肋条设变后的纤维排向比较
图7:原始设计与肋条设变后的弹性系数比较
图8:设变后的结构分析结果(肋条的影响)

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10、11所示。

图9:设变后的结构分析结果(含纤量的影响)
图10:透过Moldex3D决定的产品及制程设计
图11:藉FEA界面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胶的机械特性。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界面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,都有相当大的助益。

Share