複合層板成形模擬與模具技術國際現況

前言
近年來在大多數工業與結構應用中，材料選用最主要的參數有強度、重量及成本。大多數的產品應用除了原先要求的結構強度性能外，更希望能有更輕密度更低的特性，尤其運輸業包含航太、汽車、船舶等。這關係到能源的損耗、以及乘客之安全性等。纖維金屬層壓板（Fiber metal laminate, FML）為一種混合式的複合材料結構，由金屬層與高強度纖維複材層相互包覆組合而成，金屬較常使用輕合金，如鋁、鎂或鈦等。FML具有的混合特性與傳統的純素材相比有更多優勢，例如高耐腐蝕性、高疲勞耐性、高強度重量比等。FML發展至今已將近40年，並隨著纖維材料的研發有更卓越的性能與應用範圍。
單一材料的模擬技術已經非常成熟，但對於多種複合材料疊層混合之板材的模擬技術仍不普及。本文針對FML的模擬與成形模具架構的國際現況進行說明及介紹。包含由有限元素分析之數值模型建立，分析其成形、破壞行為以及物理性接合時的變形問題，以及成形模具設計與製程條件之建議方案等。
FML拉伸測試資料數據庫建立與驗證
FML層板在彎曲的過程中，最主要的受力種類為界面的剪切力，通常以彎曲或橫向拉伸測試來進行FML層間的剪切力分析。M. Luke, 等人提出FML板料之成形應力對於彎曲半徑變化的敏感性低，而最主要影響成形應力的參數應為成形時的溫度曲線[1]。成形溫度對於介面之間的剪切力傳遞影響非常大，且對於金屬層的流動也同樣重要。高溫可幫助各層材料流動，成形性達到顯著的提升。為了建立FML沖壓的有限元素分析模擬模型，須先了解界面的剪切行為的過程及其影響的變量。L. Gilbert 等人提出FML層間界面的摩擦行為可以用流體動力學解釋[2]，而其彎曲使產生的剪切應力受到法向力與溫度的極大影響，且法向力越大，摩擦係數就會越低。M. Luke等人針對幾個溫度與不同應變速率進行拉伸測試[3]，以確認沖壓成形時層壓板材料的界面剪切特性，建立沖壓過程中界面接合力的成形數學模型，以整合到有限元素分析模型中，並與實際沖壓的FML板料的表面應變量測值進行比較。驗證模型的可靠性與準確度。圖 1為拉伸測試剪切應力之測試設備與架構說明。

圖1 層板剪切測試器與架構

不同溫度對於剪切應力的影響如圖2所示，可看出溫度差異使得應力應變曲線有明顯的落差，而在溫度160˚C時可看出明顯的最小初始黏滯力，並隨著應變增大而提升，130˚C的曲線更為明顯。這有可能是剪切應變時始聚合材料的結晶成核所造成的現象。

圖2 溫度對於應變應力曲線的影響

圖3為5 mm/min與100 mm/min兩個不同位移速率，即應變速率對剪切應力的影響，一般來說應變速率越大其對應的剪切應力就會越大，但有趣的是在較慢的位移速度後期反而有更大的剪切應力，這也與聚合物的成形有關，當應變導致結晶成核成長後，較慢的應變率有足夠時間成核成長，使得整體板料的剪切應力更高。

圖3 應變率對於應變應力曲線的影響

針對以上結果，使用Aramis進行FML板料的應變量測，並進行三維輪廓圖的建置，拍攝圖像如圖 4所示

圖4 AramisFML板應變量測結果輪廓圖

由剪切應力試驗中獲得之數據，利用SGI Altix Unix 平台的有限元素分析軟體Ls- dyna (971)，建立數據資料庫，通過建立單層板料的網格，並以接觸模型來模擬FML每一層之間的交互作用，同時使用各向異性、彈性、可塑性等模型來對層板進行建模，圖5為模擬結果圖5(a)與實際結果圖5(b)的比對，可看出同樣在低摩擦與高摩擦處有明顯的成形性差異，尤其在轉角部分可看出明顯起皺，這與模擬的結果相符。

(a)                                                                                         (b)
圖5 模擬結果與實際樣品外型比對   (a)為模擬  (b)為實際樣品