淡江大學覺生紀念圖書館 (TKU Library)
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系統識別號 U0002-2407202017182400
中文論文名稱 科盛科技實習技術報告-應用數值分析及實務探索GMT與聚氨酯等輕量化材料製程機理之研究
英文論文名稱 The Practical Training Report at CoreTech System (Moldex3D) Co., Ltd. - Numerical simulation and experimental study on the process mechanism of lightweight materials such as GMT and Polyurethane foam.
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 化學工程與材料工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Chemical and Materials Engineering
學年度 108
學期 2
出版年 109
研究生中文姓名 李柏毅
研究生英文姓名 Po-Yi Lee
電子信箱 psp12345626@gmail.com
學號 607400248
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2020-06-30
論文頁數 134頁
口試委員 指導教授-黃招財
委員-王智偉
委員-林國賡
中文關鍵字 科盛科技(Moldex3D)  玻璃纖維氈(GMT)  壓縮製程  纖維-熔膠分離作用  黏彈特性  PU發泡  化學發泡 
英文關鍵字 CoreTech System (Moldex3D) Co., Ltd.,  Birefringence  Viscoelastic models  Photoelasticity  Squeeze flow  Compression molding  Glass mat thermoplastic/GMT 
學科別分類
中文摘要 本次以實習生身分進入科盛科技公司進行產業實習,透過一年的實習,讓我能更了解真實產業中的運作模式;另外,在實習過程中能將該產業一部份的相關內容當成碩士論文主題進行研究探討。科盛科技公司推出的Moldex3D模流分析軟體主要應用在射出成型的產業中,Moldex3D透過整合材料的黏度特性、機械性質、熱性質,…,等特性,並藉由數學模型計算來預測加工過程的結果。然而隨著工業發展,塑料加工業中開始研製新材料和新製程,因此科盛公司開始整合研發中心,以及建立數據庫,將Moldex3D逐漸運用到智慧製造發展工業4.0。而我在實習時是進入材料量測中心,量測中心主要是提供材料分析的報告、建立材料資料庫和新式材料的研究。
近年來,全球對於能源危機有極大的關注,而產業試著以輕量化來因應此問題,基於輕量化的需求上升,產業開始尋找高性能的塑料取代金屬來製造產品,由於塑料密度遠低於金屬,能有效達到降低產品重量的目的。因此本研究以纖維複材和多孔性材料進行分析與探究,然而這些材料通常含有複雜的機理,造成加工上的困難,也因此不易掌握其材料特性,為此我們有別以往的量測方式,嘗試以不同的量測手段來量測其材料的性質,其中分為兩大研究部份,第一部份為熱塑性玻璃纖維氈(GMT)在壓縮成型製程中纖維-熔膠分離與黏彈特性變化之研究,我們透過壓縮系統來研究GMT的纖維分離現象以及嘗試比較流變系統和壓縮系統的差異,結果顯示GMT在經過壓縮時會造成纖維與基材分離的現象,當壓縮速率愈快,分離現象也愈明顯。另外,我們利用純料比較壓縮流變系統與旋轉流變系統對於量測材料黏彈性之間的差異,透過旋轉流變儀取得材料黏度性質後,接著將結果導入Moldex3D R16的壓縮製程模組中,再將模擬結果和實驗進行對較,結果顯示兩者的結果趨勢相似。然而,我們所得模擬分析與實驗結果趨勢雖然一致,但絕對量值差異頗大,經溫控校正後發現壓縮系統的實際溫度與設定溫度具有一段落差,此部份應該是差異最主要來源。第二部份為應用數值模擬分析與實務驗證探索聚氨酯發泡內在機理以及成型條件對其影響之研究,現今許多高分子都能製造成發泡體,但在眾多高分子材料之中聚氨酯(Polyurethane,PU)一直是備受關注的類型之一,由於它具備廣泛的物理特性和優異的化學性質,使其應用相當廣泛。而聚胺酯發泡主要是透過水和異氰酸酯的反應所產生的二氧化碳所形成;同時異氰酸酯也與多元醇反應,產生聚合物,兩者相互搭配的情況下形成發泡體。然而,相關配方往往是材料商的機密,一般無法得知,故此類發泡機理很難掌握。因此本研究的重點先從探討不同模具溫度對於發泡過程的變化的影響起動,並以市場購得之原始材料作為標準,再針對實驗中個別參數予以變化,討論不同模溫對發泡結果的變化趨勢,以此作為應用上的參考;之後,藉由搭配Moldex3D R17的輔助來進行模擬分析發泡過程,探索不同實驗參數下對於交聯與發泡反應之間的關係,其中包括分析發泡結果的高度、核心溫度以及探討轉化率的關係。結果顯示,溫度是影響發泡的重要因素之一,而模具尺寸則影響甚微。另外,溫度的影響來自模溫以及反應時所造成的放熱,這些溫度會直接影響發泡系統的溫度,而當溫度愈高時,會造成發泡交聯轉化速率的提升以及會使發泡高度愈高。
英文摘要 I joined Moldex3D as an intern. The year's internship has made me realize the workplace's operation mode in better way. In this practical report, there are two major parts. For one thing, basic research result in my first year of Master program. For another thing, my practical training report in my second year of Master program. The inspiration for this study is related to lightweight technology. In recent years, the energy crisis has been a very attention issues by global world. People have tried to reduce this problem by lightweight technology. Based on the rising demand for light weight, the industry began to look for high-performance plastics to replace metals to manufacture products. Since the density of plastics is much lower than metals, it can effectively achieve the purpose of reducing product weight. The overall objective of this study is focused on the fiber composite and porous materials and the related technologies. However, these materials usually contain complex mechanisms, which cause difficulties in processing. Therefore, it is quite difficult to grasp the characteristics of materials. Hence, we have tried to get the properties of materials with different measurement methods.
For better understanding, this report has been divided into two parts. The first part is “Study on the fiber-matrix separation phenomena of the glass mat thermoplastics (GMT) and its effect on viscoelasticity variation in compression molding”. We have applied the compression molding to study the fiber separation phenomenon of GMT. The results indicated that when GMT is compressed, the fiber-matrix separation phenomena happened. Moreover, when the pure PA material was applied, the difference on the viscoelasticity of the material using the compression rheological system and the rotational rheological system has been conducted. We obtained the material viscosity properties through a rotary rheometer, and then imported the properties into the Moldex3D R16 compression process module, and finally compared the simulation results with the compression experiment. The findings of the research have led to the conclusion that the simulation and compression experiments have the same trend. However, the results of the loading force of the two systems are quite different. The main difference is coming from the temperature control unit of the compression system.
Moreover, the second part of this report is “Numerical simulation and experimental study on the internal mechanism of the polyurethane foaming and the influence of the operation condition”. PU foam is a kind of chemical foaming, and its foaming is created by carbon dioxide generated by the reaction of water and isocyanate. To discover the mechanism of PU foaming, we have tried to study the material property changes during the foaming process. Specifically, we focused on the mold temperature effect on the foaming process. We applied the materials in the market, and then tried to test various parameters. Moreover, we have utilized Moldex3D R17 to conduct the relationship between crosslinking and foaming reaction under different experimental parameters in the foaming process, including the height of the foaming, the inner temperature of formed part and the conversion rate. The research conducted suggests that temperature is one of the most important factors affecting foaming process, while mold size has little effect. The influence of temperature comes from the mold temperature and the exotherm generated by the reaction.
論文目次 目錄
中文摘要 III
目錄 VII
圖目錄 IX
表目錄 XIV
第一章 、科盛科技與其能量介紹 1
1.1 前言 1
1.2 公司介紹 1
1.3 實習部門簡介-材料量測中心 2
1.3.1 材料量測 3
1.3.2 量測前處理 3
1.3.3 材料量測介紹 11
第二章 基礎研究訓練-熱塑性玻璃纖維氈(GMT)在壓縮成型製程中纖維-熔膠分離與黏彈特性變化之研究 22
2.1 前言 22
2.2 文獻回顧 23
2.2.1 壓縮成型量測系統 23
2.2.2 壓縮流動中的滑動效應 25
2.2.3 界面黏性滑動 26
2.2.4 GMT材料簡介 26
2.2.5 基本理論與數學模型 29
2.3 實驗方法與流程 31
2.3.1 實驗方法 32
2.3.2 實驗設備 40
2.3.3 實驗材料 44
2.4 結果與討論 47
2.4.1 GMT壓縮之纖維-基材分離結果 47
2.4.2 PA壓縮測試結果 51
2.4.3 旋轉流變實驗 55
2.4.4 壓縮製程CAE模擬分析結果與壓縮實驗之比較 57
2.5 結論 63
2.6 未來研究方向與建議 64
第三章 、實務實習與研究訓練-應用數值模擬分析與實務驗證探索聚氨酯發泡內在機理以及成型條件對其影響之研究 65
3.1 前言 65
3.2 文獻回顧與原理介紹 66
3.2.1 聚氨酯發展史 66
3.2.2 聚氨酯發泡機制 67
3.2.3 聚氨酯發泡模擬系統 69
3.2.4 組成配方之介紹 70
3.2.5 文獻回顧總結 75
3.3 實驗方法與流程 75
3.3.1 實驗方法 76
3.3.2 實驗設備 88
3.3.3 實驗材料 94
3.4 結果與討論 96
3.4.1 模具尺寸效應對聚氨酯發泡影響實驗用聚氨酯 96
3.4.2 聚氨酯模擬研究-材料量測實驗 100
3.4.3 聚氨酯模擬研究-數據擬合與CAE模擬結果 108
3.4.4 聚氨酯模擬研究-實驗量測 113
3.4.5 聚氨酯模擬研究-CAE模擬與實驗研究分析結果比較與探討 116
3.4.6 熱分析模擬實驗 118
3.5 結論 126
3.6 未來研究方向與建議 127
第四章 、實習心得與建議 128
第五章 、參考文獻 129
作者簡介 134


圖目錄
圖 1.3.1 熱塑性試料 4
圖 1.3.2 熱塑性塑料平板 4
圖 1.3.3 EMC試料 5
圖 1.3.4 EMC壓錠成的旋轉流變儀試片 5
圖 1.3.5 SMC試料 6
圖 1.3.6 Epoxy試料 6
圖 1.3.7 碟式螺杆微成型射出機 7
圖 1.3.8 MCR試片模具及DMA試片模具 8
圖 1.3.9 旋轉流變儀試片及DMA試片 8
圖 1.3.10 CNC微型銑床 9
圖 1.3.11 Flow方向(中)與Cross-Flow方向(下)的切割試片 9
圖 1.3.12 DAKE熱壓機 10
圖 1.3.13 EMC/SMC熱壓模具 10
圖 1.3.14 剪切稀化流體示意圖 12
圖 1.3.15 毛細管流變儀 13
圖 1.3.16 MCR 502 機台 13
圖 1.3.17 高分子流體(左)與牛頓流體(右)的管口流動現象 15
圖 1.3.18 旋轉流變儀之動態振盪示意圖 15
圖 1.3.19 PP 動態振盪實驗數據損失模數(圓形)以及動態模數(正方形) 16
圖 1.3.20 DMA設備圖 16
圖 1.3.21 TMA儀器 18
圖 1.3.22 萬用拉力試驗機 18
圖 1.3.23 ASTM 拉伸試片 19
圖 1.3.24 ABS拉伸應力應變圖(速率1 mm/min) 19
圖 1.3.25 紅外線校正感應器 20
圖 1.3.26 DSC儀器 21
圖 1.3.27 DSC內部設計圖 21
圖 2.2.1 固定面積壓縮系統示意圖 24
圖 2.2.2 定體積壓縮系統示意圖 24
圖 2.2.3 層積法示意圖 27
圖 2.2.4 乾式成網法示意圖 28
圖 2.2.5 濕式成網法示意圖 28
圖 2.2.6 針刺法示意圖 29
圖 2.3.1 流程圖 31
圖 2.3.2 PA試片膨脹圖 32
圖 2.3.3 壓縮過程示意圖 33
圖 2.3.4 TGA取點位置 34
圖 2.3.5 網格設計圖 36
圖 2.3.6 預填料設定示意圖 37
圖 2.3.7 剪切稀化黏度曲線 39
圖 2.3.8 壓縮系統 40
圖 2.3.9 壓縮模具 41
圖 2.3.10 環境烘箱 41
圖 2.3.11 TGA儀器圖 42
圖 2.3.12 旋轉流變儀 43
圖 2.3.13 齒狀上板 44
圖 2.3.14 GMT原始板材 44
圖 2.3.15 GMT之TGA結果(組別1) 45
圖 2.3.16 燒結後之GMT材料表徵 46
圖 2.3.17 純PA之塑料粒 46
圖 2.3.18 直徑25 mm之實驗試片 (左: GMT 右:PA) 46
圖 2.4.1 GMT壓縮測試結果 47
圖 2.4.2 連續纖維GMT壓縮過程之外觀 48
圖 2.4.3 試片圓心處不同壓縮距離下纖維濃度變化 50
圖 2.4.4 試片圓周處不同壓縮距離下纖維濃度變化 50
圖 2.4.5 純料PA在壓縮速率0.05 mm/s時不同溫度下壓縮位移對壓縮力變化之比較 51
圖 2.4.6 純料PA在壓縮速率0.1 mm/s時不同溫度下壓縮位移對壓縮力變化之比較 52
圖 2.4.7 純料PA在壓縮速率0.5 mm/s時不同溫度下壓縮位移對壓縮力變化之比較 52
圖 2.4.8 純料PA在280℃時不同壓縮速率下壓縮位移對壓縮力變化之比較 53
圖 2.4.9 純料PA在290℃時不同壓縮速率下壓縮位移對壓縮力變化之比較 53
圖 2.4.10 純料PA在300℃時不同壓縮速率下壓縮位移對壓縮力變化之比較 54
圖 2.4.11 純料PA旋轉流變測試之結果 55
圖 2.4.12 PA黏度擬合圖 56
圖 2.4.13 純料PA在280℃時不同壓縮速率下壓縮位移對壓縮力變化之模擬結果 58
圖 2.4.14 純料PA在290℃時不同壓縮速率下壓縮位移對壓縮力變化之模擬結果 58
圖 2.4.15 純料PA在300℃時不同壓縮速率下壓縮位移對壓縮力變化之模擬結果 59
圖 2.4.16 280℃壓縮速率模擬和實驗之間的比較 59
圖 2.4.17 290℃壓縮速率模擬和實驗之間的比較 60
圖 2.4.18 300℃壓縮速率模擬和實驗之間的比較 60
圖 2.4.19 300℃實驗與280℃模擬之比較圖 61
圖 2.4.20 溫度感測器放置圖 61
圖 3.2.1 常見脂肪族異氰酸酯結構 71
圖 3.2.2 常見芳香族異氰酸酯結構 71
圖 3.2.3 常見聚醚型多元醇結構 72
圖 3.2.4 常見聚酯型多元醇結構 72
圖 3.3.1 研究流程圖 76
圖 3.3.2 紙模具外觀(左:125 mm/右:60 mm) 77
圖 3.3.3 模擬幾何設計 83
圖 3.3.4 節點/網格節點是示意圖 84
圖 3.3.5 試劑之取料方式 85
圖 3.3.6 發泡鑑定系統圖 89
圖 3.3.7 FOAMAT 285 元件示意圖 89
圖 3.3.8 電子天秤圖 90
圖 3.3.9 超聲波風扇傳感器 LR4 90
圖 3.3.10 CMD(固化監測設備)傳感器安裝在FPM壓板的頂部 91
圖 3.3.11 FOAMAT 285測試容器 91
圖 3.3.12 流變儀MCR-502 92
圖 3.3.13 DSC儀器圖 93
圖 3.4.1 125 mm組的FOAMAT結果圖 97
圖 3.4.2 60 mm組的FOAMAT結果圖 97
圖 3.4.3 不同模具高度歷程曲線 99
圖 3.4.4 不同模具溫度歷程曲線 99
圖 3.4.5 多元醇試劑黏度 101
圖 3.4.6 異氰酸酯試劑黏度 101
圖 3.4.7 Grunberg-Nissan回歸圖 102
圖 3.4.8 聚氨酯反應黏度隨時間變化圖 103
圖 3.4.9 聚氨酯熱含量 104
圖 3.4.10 不同模溫之FOAMAT 285介電值歷程曲線 105
圖 3.4.11 不同模溫之FOAMAT 285發泡高度歷程曲線 106
圖 3.4.12 不同模溫之交聯反應轉化率 106
圖 3.4.13 不同模溫之發泡反應轉化率 107
圖 3.4.14 不同模溫下之聚氨酯黏度擬合結果 109
圖 3.4.15 不同模溫下之交聯動力擬合結果 110
圖 3.4.16 不同模溫下之發泡動力擬合結果 111
圖 3.4.17 不同模溫下CAE模擬之發泡體溫度歷程曲線 112
圖 3.4.18 不同模溫下CAE模擬之發泡高度歷程曲線 112
圖 3.4.19 不同模溫之FOAMAT 285 發泡成品(a:23℃;b:30℃;c:40℃) 114
圖 3.4.20 FOAMAT 285發泡溫度歷程曲線 115
圖 3.4.21 不同模溫之實驗與模擬發泡高度比較 117
圖 3.4.22 不同模溫之實驗與模擬之發泡體溫度比較 117
圖 3.4.23 熱理論分析材料之熱含量 118
圖 3.4.24 熱理論分析材料之介電值 119
圖 3.4.25 熱理論分析材料之交聯轉化率 119
圖 3.4.26 熱理論分析材料之溫度歷程曲線 120
圖 3.4.27 熱理論分析材料之高度歷程曲線 120
圖 3.4.28 DSC量測交聯反應放熱量 121
圖 3.4.29 實驗與模擬不同ΔH之聚氨酯體溫度比較 123
圖 3.4.30 實驗與模擬不同ΔH之聚氨酯高度比較 124
圖 3.4.31 實驗與模擬對照圖 125


表目錄
表 2.3.1 實驗操作表 33
表 2.3.2 TGA實驗之操作條件 34
表 2.3.3 旋轉流變儀實驗操作條件 35
表 2.3.4 模擬分析所建立之網格資訊 36
表 2.3.5 CAE模擬分析之操作條件 37
表 2.3.6 GMT原始板材之纖維含量結果 45
表 2.4.1 壓縮速率0.5 mm/min不同壓縮程度之試片量測結果 48
表 2.4.2 壓縮速率1.0 mm/min不同壓縮程度之試片量測結果 49
表 2.4.3 黏度參數表 56
表 2.4.4 環境烘箱溫度校正表 62
表 3.2.1 三級胺類催化劑 74
表 3.2.2 有機錫類催化劑 74
表 3.3.1 模具尺寸效應之操作條件 77
表 3.3.2 應用MCR-502進行單劑黏度測試之操作條件 78
表 3.3.3 應用MCR-502進行聚氨酯黏度測試之操作條件 78
表 3.3.4 應用FOAMAT 285 進行發泡動力特性量測之操作條件 79
表 3.3.5 應用DSC量測Cp特性之操作條件 79
表 3.3.6 模擬系統之幾何及網格參數表 83
表 3.3.7 模擬系統之各項操作條件 83
表 3.3.8 應用DSC量測材料之反應放熱量操作條件 86
表 3.3.9 反應機理模擬能量解析 87
表 3.3.10 聚氨酯反應熱理論分析之模擬操作參數 87
表 3.3.11 材料廠商建議之操作條件表 95
表 3.4.1 125 mm組於FOAMAT 285之實驗結果 98
表 3.4.2 60 mm組於FOAMAT 285之實驗結果 98
表 3.4.3 聚氨酯混合溶液黏度計算值 102
表 3.4.4 黏度模型參數表(Cross Castro Macosko Model) 109
表 3.4.5 交聯動力模型擬合參數(Combined Model) 110
表 3.4.6 發泡動力模型擬合參數(Modified Combined Model) 111
表 3.4.7 FOAMAT 285實驗結果值 114
表 3.4.8 ΔH之解析值以及修正說明 122
表 3.4.9 模擬最終溫度、高度與密度表 124

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