金屬纖維複材板之薄殼成形模具開發

作者:

李宥樂、莊志宇、陳彥儒、黃彥霖

刊登日期:2021/11/30

摘要:金屬纖維複材板利用兩種材料製造而成,克服單獨使用兩種材料的缺點。金屬纖維複材板具輕量化、高性能(耐用/強度)、可加工等特性,近年在消費性電子產品、運輸(航太/汽車/自行車)、通訊、機械設備、熱管理等產業產生許多應用。近年來因5G通訊加入行動手持裝置,輕量化以及磁遮蔽成為開發技術門檻,並且國際上循環議題也成為重要指標之一,因此利用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,將其應用至埋有5G天線之行動手持裝置之中,本文將介紹金屬中心發展之金屬熱塑複材薄殼熱成形製程分析與模具技術研究成果。
Abstract:Fiber metal laminate(FML) sheet is made by two kinds of materials, which overcomes the disadvantage of using two kinds of materials alone. FML has the characteristics of light weight, high performance (durability/strength) and processability. In recent years, the applications in consumer electronics, transportation (aerospace/automotive/bicycle), communications, mechanical equipment, thermal management, and other industries have greatly increased. Due to the rapid growth of 5G communications in mobile handheld devices, light weight and magnetic shielding have become a trend. Recyclability has also become the catalyst in pushing this trend forward . Thermoplastic composition has the advantages in recyclability and formability when heated. Besides, pre-preg doesn’t need to keep refrigerated. It is very suitable to be used in mobile handheld devices with embedded 5G antennas. This article introduces the development of thin-shell forming for fiber metal laminate done by MIRDC.
關鍵詞:熱塑複材、纖維金屬層板、成形
Keywords:Fiber reinforced thermoplastic composites, Fiber metal laminate(FML), Forming

前言
金屬纖維複材板(FML)是由金屬與纖維材料相疊而成的一種異質複材與結構(Composite Materials and Structures),具有優異的抗衝擊、抗疲勞、隔熱、耐火等特性,且具輕量化,在消費性電子產品方面,其裝置殼件採用之材質金屬方面如鋁、鎂合金或不鏽鋼...等;非金屬方面如玻纖複材、碳纖複材、玻璃或陶瓷...等,金屬纖維複材板(FML)從2013年開始產業化發展,目前在國際間逐漸被運輸工具產業所重視。國內目前尚無發展FML相關技術。近年來網通行動裝置因通訊頻寬要求愈大,從以往3G、到近年來的4G到目前逐漸發展的5G通訊,其訊號波長愈來愈短,如依照過往設計採用金屬材質的單一殼件,會使天線訊號將被金屬殼件嚴重遮蔽,造成裝置訊號接收不良,目前解決方法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導致接收不良,但玻璃及陶瓷外觀沒有市場所認定金屬高值化的質感,且有散熱及變形易碎的品質問題,因此可預期異質複材能結合各類材質的優良特性,有機會解決上述使用單一材料造成的困境[1]。
金屬纖維複材板(Fiber Metal Laminate,FML)之薄殼殼件目前普遍的生產方式是先將薄金屬板材先進行成形,再以夾冶具將熱固性樹脂之碳(玻璃)纖維進行層與層之間的互相貼合,最後送進加熱爐中加熱烘烤經長時間逐漸固化成形,此作法為不可逆之化學反應且工序繁鎖費時,難以大量生產,一般用於少量小眾、高單價如航太方面的應用。
2012年有學者提出[2]針對3層疊層之FML (上、下層為SUS316L、中間層為PP-PE),疊層厚度2 mm,在室溫下進行方杯、圓杯之成形性試作研究,分析壓料力對成形性的影響,並發現在進行方杯成形時產生板料破裂。
2015年有學者提出[3]針對3層疊層FML (上、下層為Al 1200-O、中間層為玻璃纖維材質),疊層厚度2 mm、3 mm,進行圓杯之熱成形之成形性試作研究,探討溫度、壓料力對成形性的影響,發現在常溫發生破裂,高溫時(150 ℃)可順利成形。另外有用Abaqus軟體套入常溫拉伸數據作模擬分析以預測成形實際比對。
2015年[4]學者運用LS-DYNA以及2021年[5]學者運用Abaqus、LS-DYNA及PAM-Form模擬分析軟體帶入恆溫拉伸材料數據,針對疊層板複合材料與鋁箔薄板之成形工法試驗做模擬分析,進行預測比對,並提到FML成形常見缺陷及模擬分析對應現象,如圖1所示。

圖1 FML成形常見缺陷及模擬成形現象對應


經由以上文獻可得知金屬纖維複材板(FML)可藉由熱成形製程產出所需曲面特徵之薄殼殼件,並具可塑性成形以及量產的潛力。國內3C網通殼件業者未來要兼顧通信訊號佳、輕薄、不易損壞、高值化金屬質感及高散熱率...等需求,金屬纖維複材板(FML)將會是較佳選項之一。
金屬纖維複材板薄殼熱成形分析
此次預計開發FML薄殼殼件熱成形是將FML-4層板(上、下兩層厚度均為0.3mm之AA5052、中間兩層厚度均為0.2 mm之玻纖複材、總厚度1.0 mm)經加熱達到軟化複材層之熱塑樹脂後,進行熱成形。
1.熱成形模擬模型建立分析
此次熱成形模擬模型如圖2所示,FML板料置於支撐板上,後進行近似恒溫(約180 ℃)之沖壓成形,其中沖頭將板料下推成形,壓料環及支撐板提供防止板料發生皺褶扭曲之支撐力及背壓。

圖2 熱成形模擬模型示意


除了母模die相對FML板料之摩擦系數設為0.2以提升必要之潤滑性,其餘均設為0.4以作較保守之估算[6]。其FML板料之材料特質經過拉伸試驗後得出AA1100最大伸長率≦2 %、AA5052最大伸長率≦8 %、預浸布最大伸長率≦1 %。
2. 熱成形製程參數規劃模擬分析
熱成形模擬之主要製程參數則為下料形狀(導角形、多邊形)、入模圓角R、母模高度H如圖3表示,其下料形狀取1/4對稱,以節省模擬分析所需之電腦計算時間。

圖3 熱成形模擬主要製程參數圖示

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