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複材殼件成形製程與模具技術介紹

刊登日期：2020/12/01

摘要

異質複材具輕量化、高性能(耐用/強度)、可加工等特性，近年在運輸(航太/汽車/自行車)、消費性電子產品、通訊、機械設備、熱管理等產業需求大增。全球複材材料市場將由2017年4.4億美元成長至2026年12.9億美元；其中，以金屬為主的複材材料，預期2022年產值將達4.4億美元，而產量將由2012年1,900公噸成長至2022年3,400公噸。異質複材其組成可含非金屬及金屬層，相互面結合成為板、殼件，其非金屬層可為熱固或熱塑複材，相較於熱固複材為非循環再用材料，熱塑複材具備可回收再利用，預浸材料無需冷藏，加温後成形性佳等優點，其本身之熱塑性樹脂加熱軟化，常溫固化，為可逆物理反應。複材板材可經由熱成形製程產出所需曲面特徵之殼件，具有可塑性成形及量產的潛力。本文將介紹金屬中心新近發展之複材材料加熱製板、殼件熱成形製程與模具技術研究成果，以提供相關業界之參考。

Abstract

Heterogeneous composite materials have the characteristics of light weight, high performance in durability and strength, and process ability. In recent years, the demand for transportation, consumer electronics, communications, mechanical equipment, thermal management and other industries has greatly increased. The global composition market will grow from USD 440 million in 2017 to 1.29 billion in 2026. Among them, metal-based composition are expected to have an output value of USD 440 million in 2022, and output will grow from 1,900 metric tons in 2012 to 3,400 metric tons in 2022. The heterogeneous composition can contain non-metallic and metal layers, which are combined with each other to form a blank and shell structure. The non-metallic layer can be a thermosetting or thermoplastic composition, which is non-recyclable compared to a thermosetting one. Thermoplastic composite material has the advantages of recyclability and good formability after heating. The required curved features of composite blank can be produced through the thermoforming process, which is suit for plastic forming and mass production. This article will introduce the composite blank and shell thermoforming process and die technology recently developed by MIRDC to provide the reference for the industries.

前言
纖維金屬層板(FML)是由金屬與纖維材料相疊而成的一種異質複材與結構技術(Composite Materials and Structures)，具有優異的抗疲勞、抗衝擊、耐火、隔熱等特性，且具輕量化，FML目前較為人所知的商品名為GLARE，由鋁合金+玻璃纖維+環氧塑脂組成。其中，從不同纖維種類發展較快，如鋁合金夾芳綸纖維(業界熟悉名為克維拉)，或碳纖維。另外，可以從金屬種類發展，如鈦合金基FML、鎂合金基FML或鋼基FML。
全球異質複材市場將由2017年4.4億美元成長至2026年12.9億美元(CAGR14.5 %)；其中，以金屬為主的異質複材，預期2022年產值將達4.4億美元，而產量將由2012年1,900公噸成長至2022年3,400公噸(CAGR9.4 %)，美國航太市場材料預估至2025年將以異質複材為大宗，佔比40 %[1]。
異質複材具有高性能、耐用性好、強度佳及可加工等特性，近年在運輸(航太/汽車/自行車)、消費性電子產品、通訊、機械設備、熱管理等產業需求大增，目前全球趨勢中，已由單一材料逐漸往多材料應用，以滿足產業變動需求，最佳的整體結構可由異質複材組成。
例如位於歐洲之Open Hybrid Labfactory(OHLF)機構，有將異質複材應用於輕型結構和電動汽車產業，透過纖維複材、發泡鋁及鋁合金多種材料的混合，結合散熱功能與防碰撞等機械功能，發展電動汽車部件，應用例有電動汽車多功能電池盒。GKN-Fokker公司有開發Fiber-Metal Laminates(FMLs) 之GLARE商品名材料，如圖1所示，應用於A380客機外艙的纖維金屬層板。
在消費性電子產品方面，其裝置殼件之材質有採用金屬如鋁、不銹鋼或鎂合金...等；非金屬如玻纖複材、碳纖複材、玻璃或陶瓷...等，近年來網通行動裝置因通訊頻寬要求愈大，從3G、目前的4G到之後的5G通訊，其訊號的波長愈來愈短，如一昧採用金屬材質的單一殼件，會使天線訊號易被金屬殼件給嚴重遮蔽掉，造成訊號接收不良，目前有採用非金屬之樹脂、玻纖複材、玻璃或陶瓷來作其外殼件，雖然可避免訊號遮蔽不良，但玻璃及陶瓷有散熱及變形易碎的品質問題，且外觀沒有市場所認定金屬高值化的質感，因此可預期異質複材能結合各類材質的優良特性，有機會解決上述目前所面臨到的課題。
異質複材可包含金屬及非金屬層，其相互面結合成為板、殼件，其非金屬層可為熱固或熱塑複材，相較於熱固複材為非循環再用材料，熱塑複材具備可回收再利用，預浸材料無需冷藏，固化後加温成形性佳等優點，其本身之熱塑性樹脂加熱軟化，常溫固化，為可逆物理反應。
纖維金屬層板(FML)之殼件產品目前一般的生產作法是先將金屬薄板個別作成形彎曲後，再以熱固性樹脂之碳(玻璃)纖維以夾冶具作層與層之間互相貼合，送進加熱爐裡經加熱烘烤以不可逆之化學過程經長時間逐漸固化成品，此作法工序繁鎖且費時，較難大量生產，一般用於少量小眾、高單價如航太方面的應用。
在學術界之實驗室研究進展方面，文獻[2]提到有針對3層FML (上、下層SUS316L、中間層為PP-PE)，厚度為2 mm，進行圓杯及方杯之室溫成形性試作研究，探討壓料力對成形性影響，內容有提到在進行方杯成形時產生破裂。
另一篇文獻[3]針對3層FML (上、下層Al 1200-O、中間層為玻璃纖維材質)，厚度為2 mm、3 mm，進行圓杯之熱成形性試作研究，探討壓料力、溫度對成形性影響，內容有提到在常溫發生破裂，加熱至150 ℃時可順利成形。
因此纖維金屬層板可經由熱成形製程產出所需曲面特徵之殼件，具有可塑性成形及量產的潛力。國內3C網通殼件業者未來要兼顧輕薄、通信訊號佳、不易摔壞、高值化金屬質感及高散熱率...等需求，纖維金屬層板將是較佳選項之一。本文將介紹金屬中心新近發展之異質複材加熱製板、殼件熱成形製程技術研究成果，以提供相關業界之參考。