前言
電腦斷層掃描（Computed Tomography, 簡稱 CT）正逐漸成為材料科學和材料開發領域的業界標準，特別是應用於纖維材料研究時，電腦斷層掃描可在不破壞樣本纖維特徵的前提下，多維度 / 多角度檢視材料纖維結構，並可結合原位實驗 (in-situ experiments)或數值模擬，進一步評估材料的物理特性。當前的主要挑戰在於如何在影像解析度與影像資料處理量之間取得折衷，以期獲得精確的纖維材料資訊。在這些統計數據中，本文裡將介紹材料影像處理分析軟體“Avizo”裡使用的三種在不同影像解析度下的分析方式，尤其著重材料中纖維分佈的排向追蹤討論，希冀提供適當的建議予不同的纖維材料分析運用。

方法介紹
在影像處理軟體 Avizo 裡，透過三種不同的方法，沿著影像的軸向，擷取預定的尺寸及選定的位置，來計算局部纖維排向：1.FFT，是基於傅立葉頻譜的主成分分析 [1]; 2. GRAD，則是基於局部梯度的分析 [2]。這兩種方法主要透過影像的紋理來計算纖維的局部排向，因此，即使在無法分辨單根纖維的低解析度影像數據，仍然能夠提供計算結果。而第三種方法“XFIBER”[3,4] 的演算基礎，主要是基於樣本圓柱的比對及其獨家的纖維追蹤演算法，可分離出每一根獨立的纖維，並計算每根纖維中心線，因此，所有纖維的參數，例如纖維數量、排向、長度、直徑與曲折度
等統計資料都可以透過 Avizo XFIBER 計算。以上提及的三種方法皆針對相同的局部影像數據進行分析，並計算生成張量，透過張量，來檢視局部體積中纖維排向。三種方法都會計算得到對稱張量，透過求解張量特徵值，分解出主要排向和分散排向的資訊。在 XFIBER 的方法中，因為每根獨立的纖維都已計算取得，纖維排向張量可精確地進行計算 [5]。其定義為每根纖維排向的單位向量之外部乘積，再乘上相應的纖維長度 (L) 加權：而 FFT 和 GRAD 則是從影像紋理來推算張量，從而使其運算的張量結果無法直接應用，因此三組數據較難直接進行比較。例如在 FFT 的計算，主要方向是對應於最小的高頻變化，因此求解特徵向量時，會對應於最低特徵值的特徵向量。相反的，GRAD 和 XFIBER，則是對應於最大特徵值的特徵向量。因此，本文是基於計算張量及主要排向的統計數據進行比較。

資料來源
產生影像數據
本文我們透過皮芯結構方式（skin-core structure），生成非重疊、直線的纖維影像，透過這組合成影像，比較三種方法在纖維定量分析的結果。合成影像中纖維的生成是使用 force-biased 演算法 [6]，計算過程會依序隨機的在選定的區域，依照自訂的位置、長度、排向和直徑插入纖維，之後演算法會再將有重疊的纖維進行旋轉和位移微調，纖維直徑也會在計算過程中略為縮小，確認演算可以正確收斂，我們就可以得到一組纖維占比約 10% 的合成影像。合成影像最後會再經過一些離散處理，包含插入高斯雜訊及模糊化
等，並確保纖維直徑符合 5 個體像素，最後再將其轉換為 512x512x512 的影像，如圖 1 所示。

玻璃纖維複合材料
此外，我們也將這些方法針對實際玻璃纖維增強聚合物 (GFRP) 的微電腦斷層影像進行分析，如圖 2 所示。此聚合物中的纖維為平均直徑為 10μm 的標準短玻璃纖維，在選定的 2x2x2 立方公厘區域纖維的占比為17％，聚合物的大小約為 2x2x2mm³。掃描解析度為1.5μm，該解析足以區分單個纖維。

分析結果
三維影像會依軸向切分為若干立方區域，並用本文中的三種方法計算局部纖維排向。兩組影像數據都具備Skin-core 相似的正交纖維。大部份切分區域的纖維其主要方向為 X 軸向或 Z 軸向，少部份區域是混合纖維，而這些混合纖維主要是沿 X 軸或是 Z 軸。兩組影像資料會利用影像原始最高解析進行局部纖維排向的比較分析，同時，為能測試三種演算法的穩定度，使用 Lanczos 調降解析 4 倍後以及調降解析 8 倍後的影像，也會進行相同的纖維排向分析。

合成影像數據
對 於 合 成 影 像， 我 們 使 用 上 述 與 XFIBER 相 同 的 方程式 (eq.1) 計算纖維參考張量作為比較的基準，與XFIBER 不同的是，該纖維是離散化運算之前的實際纖維數據，而 XFIBER 的運算則是針對生成的灰階影像，分離每根獨立的纖維後，再進行纖維張量計算。從整體分析數據，不同計算方式與纖維參考張量間有很高的統計關係，如圖 3 所示，幾乎是線性相關。除GRAD 方法中的對角線分量 A13 外，其餘決定係數 R2都非常高。從圖 3(d) 中，則可看出仍維持統計關係的趨勢，但對非對角分量的量測則會變得困難，且數據結果無法重複計算取得，不過因合成影像僅少數纖維的方向偏離兩個主要的方向，因此，我們無法在此進行結論。值得一提，儘管 XFIBER 方法在降低解析影像的分析結果，其纖維偵測的準確性明顯下滑，但在排向的測量統計數據顯示，仍有一定程度價值。

沿著層厚方向分層檢視數據，以獲得更精確的結果，在分層數據中，我們發現除了第 3 層及第 5 層外，其它層的纖維排向都是一致的，第 4 層和第 5 層纖維沿著 X 軸，第 1 層、第 2 層、第 7 層及第 8 層沿著 Z 軸，而第 3 層與第 6 層則包含混合 X 軸向與 Z 軸向的纖維，其中約有 2/3 纖維沿著 X 軸向，1/3 沿著 Z 軸向，影像可以參考圖 4(a)。

在相同排向層（除了第 3 層及第 6 層外），三種分析方法的平均角度誤差（真實纖維主要排向與計算排向的 夾 角 ） 都 非 常 低，XFIBER、FFT 和 GRAD 分 別 為0.35、0.48 和 1.26 度。另一方面，在混合排向層（第 3 層及第 6 層）中，基於紋理方法來計算纖維排向，已證明會有顯著的錯誤，而纖維追蹤的方法則依然非常精確。同時，在圖 4(b) 中，與基於紋理的量測方法的 GRAD，尤其是FFT 比較，XFIBER 在不同解析影像的分析結果還是明顯正確且穩定的。

玻璃纖維複合材料
我們也對玻璃纖維強化塑膠樣品進行了類似的研究分析，因無法預知纖維真實排向，我們使用 XFIBER 在最高解析影像的分析結果作為我們比較的參考，結果如圖 5 所示。與合成影像一樣，針對整體分析數據，不同方法的分析結果和參考張量有很強的相關性。張量的決定係數都非常高，在相同排向區，其主要排向角度誤差也在5 度以內，且在調降 8 倍解析後，其角度誤差仍然維持在 12 度內。

然而，在混合排向第 4 層和第 7 層，也就是纖維交錯的界面處，不同的方法就有顯著的差異，XFIBER 的方法估算的纖維排向在不同影像解析較為一致（主要與次要排向在調降 4 倍解析的角度差異小於 10 度），其它兩種方法纖維角度有較大的偏差（大約在 20 度或更大角度）。

結論
本文針對複合纖維材料微電腦斷層影像，以估算局部纖維排向及其統計數據的差異，做出 Avizo 內三種基於影像紋理量測及單根纖維追蹤分離技術的方法比較。運用這些方法，我們處理了皮芯玻璃纖維增強聚合物及另一組相似的人工合成纖維影像數據，由於人工合成纖維有已知的纖維材質訊息，遂可當作分析時參考的黃金標準。此外本文也探討各種方法在調降影像解析度的穩定性，提供參考資訊，因為在進行電腦斷層影像擷取時，究竟是要選擇較高的放大倍率來觀察較小的視野，還是選擇使用較低解析度但採集較大樣品區域常是很困難的決定。結果顯示無論在合成影像或真實影像，對張量估算纖維排向結果，在不同方法大致是一致的，在調降解析的影像分析結果，也相對合理。有趣的是，當影像解析達到纖維直徑時，纖維追蹤準確度與效能明顯下滑，但其用於分辨樣本排向的結果仍相當合理。

本文使用的纖維樣本結構，讓我們可以分析相同纖維排向區域，該區域的纖維全部具有相似的排列方向；及混合纖維排向區域，該區域的纖維互相交錯。在相同纖維排向的區域，儘管使用纖維追蹤的方法在較高解析的影像上有較精確的結果外，本文使用的方法基本上都還正確；然而在混合纖維區域，基於紋理特徵的演算法，其準確性就明顯降低，不過使用纖維追蹤的方式則依然正確，就算調降影像解析的分析結果，也有相同的現象。因此，在利用影像分析交錯或複雜方向分佈的纖維材料，例如編織纖維、模製複合材料或是更隨機分佈的纖維材料，就要留意分析的方法，以得到正確合理的分析結果。

参考文献
[1].Bigün et al. (1987). Optimal orientation detection of linear symmetry, in Proc. ICCV, pp. 433-438.
[2].Püspöki et al. (2016). Transforms and Operators for Directional Bioimage Analysis: A Sur vey. Advances in Anatomy,Embryology and Cell Biology, vol. 219(3): 69-93.
[3].Roseman (2003). Particle finding in electron micrographs using a fast local correlation algorithm. Ultramicroscopy, 94(3-4):225-236.
[4].Weber et al. (2012). Automated tracing of microtubules in electron tomograms of plastic embedded samples of caenorhabditis elegans embryos. Journal of Structural Biology, 178(2):129-138.
[5].Advani, Tucker (1987). The use of tensors to describe and predict fiber orientation in short fiber composites. Journal of Rheology, 31(8), 751.
[6].Bezrukov et al. (2006). Simulation and statistical analysis of random packings of ellipsoids. Particle & Particle Systems Characterization, 23(5), 388-398.

這篇文章 Avizo XFiber 纖維材料排向分析方法比較 最早出現於 CAE模具成型技術雜誌。

前言
汽車產業早期的零件大部分是金屬的，包括前後防撞版，只有內裝件是塑膠材料，後來因油價上漲，汽車設計者都朝能輕量化的目標前進，汽車輕量化（包括直升機和飛機）代表能省油，所以就有類似產品的推出。要能夠同時有金屬的強度，又有輕量化的特性，只能朝塑膠複合材料的方向走，而具備這種特性的複合材料中，首選材料是碳纖維複合材料，早期的碳纖維是用纖維布的方式，且塑料是熱固性材料，如：不飽和聚酯 (UP)，因 UP 流動性不好，UP 充填中還要抽真空，透過手積層作法，但是程序非常複雜需大量人力，無法用自動化的方式生產，以致產品昂貴。

最近幾年有用長纖維直接從射出機料管內和塑料混合射出，稱為長纖維強化熱塑性複合材料模壓成型技術 (Long Fiber Reinforced Thermoplastics Direct,LFT-D)，日本和德國射出機廠商都有在開發，另外一種輕量化的方式則是塑膠發泡，在今年三月第 37 期雜誌中作者有描述塑膠發泡的發展，要有高的減重比，可能要利用射出時的模仁後退方式，讓發泡空間變大，以提高減重比。

發泡射出技術
塑膠發泡可以運用於很多地方，大部分用於減震、絕熱場合，它又可克服產品翹曲變形，但是其強度在結構件場合可能不足，為了克服此問題，可加入一些增強型填充材，如微米級的玻纖，以及奈米級的奈米碳管、奈米蒙脫土、石墨烯等。加入這些填充材，增加成核介面，使氣泡數量變多，且氣泡變小，使發泡效率變好。

模仁後退技術 (Coreback)
一般塑膠發泡，可以減輕產品重量，最大的減重比約25wt% 左右，如想要有更高的減重比則可能要用到模仁後退 (Coreback) 技術，減重比可達到 50wt%，但是減重比愈大，產品沒什麼強度，所以取捨看設計者的判斷。圖 1 為山東大學趙國群老師團隊利用化學發泡和模仁後退的方式，所使用的模仁後退率有 1、3、5、7、9mm/s，當模仁後退率愈大，則減重比愈高，因為射出去的塑膠量是固定的，模仁後退愈多，減重比愈高。同樣的團隊又把模內反壓 (Gas counter pressure, GCP) 結合模仁後退技術（如圖 2），因此既可得到高減重比，又可以擁有優良的表面品質。

有反壓的場合，基本上模仁都要有密封圈，並且不能有頂針，有頂針就會漏氣，所以這個實驗中的模具在模仁後退介面也要加入密封圈，圖 3 為模仁後退的機構，利用錐形滑塊和油壓缸讓模仁前進後退，圖 4 則是此實驗的氣泡型態，從圖中可看見發泡材中間都是中空的，且氣泡往後退方向被拉長。日本京都大學Ohshima 教授團隊利用填充材和模仁後退技術來控制發泡型態 [3]。此外，中原大學陳夏宗教授的團隊也將模仁後退技術應用於鞋底的發泡材 (TPU)，其最高減重比可達到約 50wt%。

結語
要想使零件達到輕量化的主要方法就是選擇密度低的材料，當對產品有強度方面的要求時，通常會建議選擇輕金屬（如鋁合金）或塑膠碳纖維複材等剛性強的材料；若對零件的強度要求不高時，則可選擇塑膠複合材料。■

這篇文章 使產品達到輕量化目的之塑膠發泡成型技術 最早出現於 CAE模具成型技術雜誌。

前言
由冠馳股份有限公司所創立的國際知名泳鏡品牌「SAEKO」，自 2015 到 2020 年連續 6 年獲頒台灣精品獎，備受國際市場大眾的肯定，品牌行銷遍及全球五大洲、逾 52 個國家，其產品涵蓋了競速泳鏡、一般泳鏡、兒童泳鏡、戶外運動泳鏡，以及各式的游泳器材。除以「創新、研發、品質、技術創造」為他們的企業宗旨外，更是將顧客的滿意度作為其最高的服務指導原則。SAEKO 是怎麼從 1979 年的台灣專業泳鏡製造廠，演變成現今受到世界的游泳愛好者所關注的專業泳鏡品牌。

創業契機
創業初期，陳正祐董事長接手了父親的塑膠加工廠，夫妻倆共同經營，一開始員工只有 3 人，設備也都是半自動，所以上至管理、接單，下至生產製造，兩人都親自參與整個流程，並向現場師傅請益射出技術。一開始陳董事長主要的項目還是在做加工服務，後來之所以選擇投入泳鏡製造產業，最關鍵的契機在於手足間的情誼。由於當時陳董事長最小的弟弟做的是潛水鏡產品，偶爾會遇到製作泳鏡的需求，所以弟弟便要求合作廠商將泳鏡產品交予陳董事長加工，幾年之後因合作廠商不願開發新產品模具，於是他們便決定一起進行設計與創新。其中陳董事對於新產品的設計開發特別感興趣，從最初只有防水功能的泳鏡，在陳董事長的開發下，逐漸發展出一系列如：造型泳鏡、近視泳鏡及防霧鏡片，從專業的游泳選手到初學游泳的大人小孩，都可以在 SAEKO 找到屬於自己的一支泳鏡產品。

從冠馳到 SAEKO 的成功品牌之路
除了幫弟弟代工，後來也將產品提供給二弟進行國內銷售，但因泳季的時間只有半年，董事長夫人遂想到也許可以朝外銷之路前進，於是冠馳透過刊登廣告進行宣傳，同時也開始積極參加國外相關展會活動，而SAEKO 這樣高品質價格實惠的產品，屢屢在各大展會造成人潮，吸引許多觀展者駐足詢問。第一次在歐洲參展時，也遇到了事業中的貴人——台北市體育用品商業同業公會 陳俊田理事長，在展會中十分地照顧他們，除了幫忙招攬生意，同時也提供許多寶貴的經驗，讓他們能夠精準抓住每位關鍵客戶。爾後，冠馳產品開始拓展到歐美日等國家，這樣的好口碑也讓世界知名品牌如 ADIDAS、迪士尼、MIZUNO等陸續找上冠馳進行設計、代工生產，為了符合這些知名大廠的訂單需求，他們也針對現有的廠房規模與設備進行擴建與更新，更是成為台灣第一間通過 ISO認證的泳鏡製造廠。目前公司的訂單在外銷方面佔較大的比例，與品牌商或是較大的通路商合作居多，除了歐美日等國家，也開拓了中南美洲、南非等市場，甚至成為南非市佔第一的品牌。近年來，除了外銷市場外，冠馳也積極將資源與心力投入在台灣市場，更透過開設泳班，掌握台灣在地客群的需求，近期也與Costco 合作銷售，希望讓更多台灣人知道 SAEKO 這個好品牌。

面對紅海競爭 強化自身優勢
在公司的運作上，陳董事長總是親自帶領團隊進行技術研發與產品設計。在泳鏡的開發方面，基本上是隨著眼鏡發展的路線，但在開發的製程上卻要比眼鏡難得多，因為眼鏡的鏡片是由專業人士製造的，只要將搭配的鏡框製作出來就好；但泳鏡不同，它的製程必須是以一體成型的。而除了產品研發外，舉泳鏡鏡片的打磨加工為例，雖然目前大多已是交由外包廠商處理，但他們也依然保有相關的技術，可見其對於技術掌握的重視。

然而近年隨著中國大陸經濟崛起，他們的廉價泳鏡加入市場競爭，使整個產業都受到一定的影響，面對這樣的情形，陳董事長認為雖然大陸產品的價格很便宜，但在精度上卻不夠；反觀台灣，我們的工業基礎很好，優良的產品精度是我們的一大優勢，於是陳董事長除了發展植入式模具，優化產品製程外，也將資源投資在公司的軟實力上，藉由員工人才的培訓、技術的創新與專利申請、導入 ERP 系統等方式不斷強化自身的優勢，以面對中國大陸的低價攻勢。

數位化轉型之路
因應大環境變動隨著新一輪工業革命的發展，面對信息技術和工業技術的革新浪潮，提出了工業 4.0 戰略。冠馳公司在這方面也做足了準備，運用 IoT 物聯網概念與先進演算法，⾃動化生產往智慧⼯廠的管理層⾯躍升。在這樣的概念之下，運⽤機器設備提升生產效率及良率、降低人⼒成本與錯誤率外，更進⼀步是透過資訊技術建 構虛擬平台，將生產過程中的⼯單、生產設備、產品、物料等實體要件轉化成可控制的數據，接著再轉化成可視化戰情管理中⼼，以達快速反應、快速處理的智慧產品、智慧流程、智慧製造之目標與實踐員浪費等阻礙因素。減少這些浪費，並進行改善活動，從最根本源頭去提升工廠管理。

突破現況對未來創造雙贏
冠馳公司在 39 年的時間中，研發團隊將研發工作視作常態，透過不斷積累人體工學與工業設計領域的專業知識，開創造出無數個台灣首創的產品，如台灣第一支自行研發的防霧泳鏡、第一支近視專用防霧泳鏡等極具代表性與開創性的跨時代產品。

結論
在 2020 年環境與產業極大變動之下對於未來挑戰仍艱鉅，市場只會愈來愈競爭，即使企業想朝既定目標邁進，同業未必會給想要的空間，只能更堅定自己公司的意志和紀律，這又形成另一個挑戰。陳李木桂董事長認為，唯有不斷創新、研發，堅持品質、技術，才能讓企業有不停進步的動力；而企業經營者也要有終身學習、與時俱進的態度，去面對多變的市場競爭與時代的變遷，企業才能永續經營。■

這篇文章 冠馳—堅持創新，開啟傳產新篇章 最早出現於 CAE模具成型技術雜誌。

前言
從上世紀 80 年代開始，隨著電容行業規模的不斷擴大，大中華電容產業獲得迅速發展，並吸引了各國許多領先企業的大量投資。經過 20 多年來不斷地探索和蓬勃發展，薄膜電容的技術日益成熟，尤其爲一些新興產品，如太陽能汽車、電動汽車、儲能焊機等領域帶來了全新的發展契機。全球領先的多元化化工企業沙特基礎工業公司(SABIC) 所推出的 ULTEMUTF120 薄膜被廣泛地應用於汽車、公共交通運輸、消費類電子產品、航空航太、DC-DC 轉換器、電動壓縮機、HID 照明、LED 照明和LCD 背光燈等衆多行業。

ULTEM UTF120 薄膜爲電容器應用提供有利條件
ULTEM UTF120 薄膜，具有優異的介電性能和絕緣性，能夠爲電容器的應用提供有利條件，同時在目標頻率下保持較低的熱量損失，且可適用於耐高溫電容，可以說，雖然它的「個頭不大」，但卻「身懷絕技」。該產品適用於製造質量小、外形小巧、能量密度高的電容器，使電容器可以在更長的時間內存儲大量電能，且不會在高溫條件下出現明顯的電流洩漏或損失。

這一款薄膜產品系列可提供不同的厚度，以幫助滿足客戶特定的電壓要求，產品屬性穩定，適用溫度廣泛，頻率範圍廣闊，具有包含容值穩定、絕緣阻抗高、高介電常數 (Dk)，以及低損耗因子 (Df) 等特性。

此 外，ULTEM UTF120 薄 膜 電 容 器 在 -40 ° C 到 150° C 的溫度範圍中不僅可以提高產品的可靠性，而且還能有效减少甚至消除對逆變器應用主動冷卻的需要。例如，PP 和 PET 薄膜電容器通常需要採用冷卻循環系統進行降溫操作，而透過這款薄膜產品可以最大限度地减少對冷卻循環系統的使用需求。在傳統產品中，冷卻循環系統的使用會占據閥帽下方較大的空間，而且會對設計靈活性產生一定的限制。

採用 ULTEM UTF120 薄膜的電容器可以應用於高達260° C（行業標準工作溫度）的回流焊接工藝流程中。另外，SABIC 薄膜產品還可以提供優異的金屬化蒸鍍、電容器捲繞和校平（壓制）等操作處理效果。這一產品可以在現有設備上進行加工處理，其操作可行性已在薄膜、箔片和金屬電極應用領域中得到驗證，涵蓋了平整、錐形和圖形化等多種金屬電極設計方案。

關鍵性能和優勢
•高達 200° C 的穩定高介電常數和低損耗因子
•高達 200° C 的高擊穿强度
•高溫尺寸和機械穩定性
•支持 260° C 回流焊工藝
•優秀的金屬黏合性（鋁、鋅、銅）
•固有的阻燃性
•支持標準膜厚 4、5、7 和 10μm（公差爲 +/-5%）
以及客戶定製膜厚
•設計和封裝的靈活性

沙特基礎工業公司 (SABIC)
APAC- Segment Specialist
Ms. Cathy Hai
E-mail：cathy.hai@sabic.com
Greater China- Business Development Manager
Ms. Elaine Wu
E-mail：elaine.wu@sabic.com
樂榮貿易公司
聯絡人：盧朝和 經理
E-mail：jessy.lu@h-glow.com.tw

這篇文章 SABIC 攜 ULTEM ™ UTF120 薄膜精彩亮相，為電氣元件打造領先的耐高溫解决方案 最早出現於 CAE模具成型技術雜誌。

前言
根據聯合國的報告指出，預估在 2045 年全球將有超過 60 億人會集中在都市地區，形成大型化的都市生活圈，而大城市中所必備的多樣化需求，包括交通、醫療、居住、糧食、水等，都將成為不可或缺的服務及資源，但是人類在追求更優質生活的同時，相對也帶來了氣候變遷與環境汙染的生存危機，舉例來說，汽車帶來生活的行動便利性，造就了工業經濟鏈的成長，但同時也是能源消耗與污染物排放的主要問題來源。

面對這些重大議題，人們開始找尋解決的方式，藉由降低 CO2 的排放、重視自然資源的管理，以及資源的持續再利用等路徑，來達到永續環境的目標，而在這些解決方案中，材料扮演著關鍵的角色。為了因應汽車產業帶來的環境和能源短缺問題，各國均制訂嚴格法規來限制汽車的燃油消耗與溫室氣體排放，包括歐盟於 2021 年 CO2 排放量須降至 95g/km，美國 2025年須降至 97g/km，而相關研究結果顯示，汽車重量每減少 100Kg，可直接節省燃油約 0.3~0.5L/(100km)，以及 CO2 排放能減少約 8~11g/(100km)。因此，企業持續透過運用結構設計、輕質材料、綠色製程三種途徑來實現汽車的輕量化，進而有效降低整體產業對於環境的衝擊。

其中就材料的選擇上，鋼材的比重為 7.8，鋁合金約2.7，而熱塑性塑膠則在 0.9~1.6，玻纖強化複合材料的比重也低於 2.0，雖然在直接強度上不如碳纖維、金屬材料，但是從性能 / 價格 / 加工的比值來看，大幅使用比重及成本較低的熱塑性複合材料來取代部份金屬部件，已成為現階段產業發展輕量化的方向之一。

在熱塑性複合材料的配方組成中，常使用玻璃纖維作為樹脂的增強材料，藉以提高成型製品的機械性能或耐熱性，而一般傳統的技術工法，是使用押出機將玻纖絲束直接與樹脂基料熔融混合造粒，玻纖絲束在受到螺桿和料缸的摩擦剪切作用之下被切碎，所得到的是玻纖長度 <1mm 的補強樹脂料粒。這樣的材料在經過下一次的成型加工之後，玻纖又再一次被破碎，因此在終端製品中，大部份玻纖的保留長度其實遠低於有效的臨界長度，玻纖本身的增強效果並沒有被充分發揮出來，因此如何提高纖維的保留長度，將成為複合材料在終端應用的領域中，是否能再更上一級之關鍵所在。

輕量材料新選擇
長 纖 維 增 強 熱 塑 性 材 料（Long Fiber Reinforced Thermoplastics，簡稱 LFRT 或 LFT）是近幾年來發展迅速的一類高性能複合材料，係使用特殊的製程及設備，將連續的玻璃纖維以熔融樹脂充分浸潤包覆，膠條冷卻後再切成特定尺寸的長棍狀膠粒，單一膠粒的長度約為 10~15mm，其內所包覆玻纖的長度即與膠粒長度等長 (10~15mm)，由於 LFRT 內含的玻纖長度超過臨界長度 (Lc)，即能展現出玻纖原有剛強性能的優勢。

使用長玻纖增強材料射出成型的製成品中，玻纖的實質長度保持率高，所以纖維之間有足夠的長度能相互搭接，形成三維立體的 3D 網狀結構，交錯貫穿於基體樹脂內作為增強骨架（如圖 1 所示），與一般的熱塑補強材料相比較，LFRT 可以承受較大的應力和荷載，並有效吸收能量，進而使製成品具有高比強度、高剛性、高耐衝擊、高尺寸穩定性、耐溫、低翹曲、抗蠕變性、低熱膨脹係數等許多優點，相關性能比較如圖 2 所示。

針對 LFRT 的配方及性能評估，大東樹脂化學已進行許多相關測試與研究，例如以聚丙烯 50% 長玻纖增強材料為例，在不同玻纖長度下 (12mm、25mm) 的力學性能做比較，由實驗結果顯示，當內含玻纖長度愈長時，相對的耐衝擊性能也愈高（如表 1 所示），同樣的型態也可以從測試片的斷裂面觀察看到，樹脂內交錯的網狀玻纖形成緊密結構（如圖 3 所示），進而讓材料能夠承受更多的破壞應力，尤其當纖維長度達到 25mm 的型態時，即使試片已經斷裂，但藉由內部纖維在足夠的長度下，所形成彼此間的 3D 搭接效果，仍可讓試片外觀有維持部份的完整性。

從研究數據來看，LFRT 能夠大幅提升產品的力學安全性能，以比強度而言，則與金屬材料相當接近，加上 LFRT 可以用模具快速的成型，製作出複雜的形狀，而且材料能夠回收再使用，隨著全球各先進國家朝向環保、節能、輕量化的趨勢下，產業界掀起了「以塑代鋼」的潮流，LFRT 已成為替代金屬的輕量化新材料選擇之一。

加工關鍵與應用
長玻纖增強材料可用一般的射出成型機進行成型，但須避免使用剪切力高的螺桿和射嘴，以免導致纖維斷裂太多；模具方面則建議採用直接進膠設計，同樣減少纖維斷裂的程度，但最好是前期先藉由 CAE 模流分析軟體如 Moldex3D 系統（如圖 4 所示），找出最適化的流道與機構設計，以及預測纖維的配向型態，來設計出最佳的產品結構，如此才能確保發揮 LFRT 效能，並滿足客戶產品在安全和耐用上的需求。和金屬材料相比，長纖維增強熱塑性複合材料能有效減少製成品的重量、降低加工成本、縮短生產週期，可應用於大型結構部件或模組，如汽車儀表板支架、門板模組、工業扇葉、機電泵體等，在高性價比及輕量化的優勢下，未來的市場應用將愈來愈廣泛。■

這篇文章 輕量化材料新選擇： 長纖維增強熱塑性複合材料 (LFRT) 最早出現於 CAE模具成型技術雜誌。

前言
當塑膠成品在應用上發生破裂或破壞時，就材料力學的觀點而言，即表示該塑膠件在破壞區域上，其所承受之應力數值總合超過了材料本身的物性強度數值。因此要解決成品在使用上的破壞或破裂問題，就必須要從增加材料物性強度或減少成品應力值來著手。塑膠製品承受的應力作用通常可依應力來源區分為「外部應力」及「內部應力」兩種，「外部應力」是成品在使用時所遭受之外力作用，此部分將視產品應用場合而定（例如塑件使用上遭受碰撞、荷重、嵌合等），通常是無法控制其程度，一般產品設計者會依照常態之外部應力值，乘上一安全係數值來設計產品的結構強度。而內部應力通常是成品在加工成型過程中所產生而留存在塑件成品內部（稱為塑件的殘留應力或成型應力）。所以要有效解決塑膠成品的破壞問題，唯有降低應力作用或提高材料強度兩種方法。

然而對於塑膠成型加工業者而言，如何使用較適當之加工條件，來防止材料強度降低及避免在加工時產生過大殘留內部應力則是現場加工人員最重要的議題。殘留應力就是指在塑膠成型過程中，因加工條件造成分子結構不是處在其最低能量的最穩定狀態下，分子鏈可能是受到流動定向影響或是受到周圍分子鏈之冷卻拘束，而呈現不穩定之高能態狀況。所以一旦有外界能量再度給予此受應力作用的分子鏈具備有足夠的動能，則此分子將極易釋放出應力而達到其最穩定的最低能階組態。塑膠成品中的殘留應力通常難以透過肉眼進行觀察，往往是在進行成品後加工製程時發生了問題或是在使用時產生了破壞，才會被發現，所以塑膠加工成型業者如何在成型階段或是在加工生產線上，藉由成品之觀測來迅速獲得殘留應力的分布資訊，是目前加工上相當重要的技術。

在一般塑膠射出成型加工過程中，由成品厚度方向來觀察，可以發現成品可依分子鏈之微觀結構差異，來區分不同之區域，如圖 1 所示。其中 A 層是固化層，B 層是流動高剪切層，C 層是高溫熔膠流動層；A 層為塑膠充填時緊貼兩側模壁，瞬間冷卻固化的高分子鏈定向層，此部分會因為射出成型之噴泉流場效應(Fountain Flow)，而使分子鏈排向方向與流動方向相反，而 B 層是塑膠充填時緊靠 A 層固化層的高剪切區域所形成的分子鏈定向層，由於與 A 層具有最大之速度差，所以會形成最大的剪切流動應力效果，塑膠充填結束時本區定向層尚未完全凝固，而外層之 A 層固化定向層有絕熱效果，使 B 層熱散失不至過快，另外由於高剪切作用會產生剪切加熱作用，所以本區也是在產品厚度方向上溫度有可能是最高的區域。而 C 層因熔膠高溫及有足夠時間來進行冷卻，分子鏈有足夠時間進行分子鏈排向的鬆弛作用，所以最終高分子鏈的定向行為會因為分子鏈鬆弛而消除，是故 C 層區域的高分子鏈彼此之間較無剪切作用現象，若產品厚度有變化，則主要會影響 C 層厚度，若是薄件成品則 C層的厚度將會變小。圖 2 是沿厚度方向分子定向效果分佈情況的示意圖。

除了在成品厚度方向上下表面有一薄層固化層外，大部分區域是屬於熔膠流動層，而這區域主要的內部應力形成是由於不均勻的冷卻造成，塑膠件厚度方向的冷卻作用是由與模壁接觸之成品表面開始向成品內部延伸，所以中心層是最慢冷卻的區域。所以當塑膠成品成型後，開始進行冷卻階段時，在某一特定位置上之分子鏈會受到其較外部端已冷卻收縮之分子鏈牽引，所以會感受到先前已冷卻收縮之分子鏈的拉伸應力。所以嚴格來看，在成品厚度方向靠近上下表面的區域，分子鏈是處在壓縮應力狀況，而內部區域是處於拉伸應力狀況。圖 3 是射出成品厚度方向應力分佈情況示意圖。

殘留應力的影響
塑膠成型過程所產生的殘留應力，除了會影響成品在使用上的強度外，尤其在某些二次後加工製程上（例如噴塗、電鍍等）都會容易造成產品不良現象發生。殘留應力對塑膠成品的影響常見的有下列幾種：首先是成品的外觀尺寸變形及翹曲問題，由於剪切流動造成分子鏈的排向或是由於成品幾何造成流動的定向效果，在成品脫模時容易因應力鬆弛而造成尺寸發生變形，另外由於成品尺寸的不對稱性或在成品厚度方向冷卻收縮的不平衡性，所形成的熱應力都將造成成品在脫模後發生翹曲變形現象。此現象對於尺寸精密度有要求或有組裝搭接嵌扣性需求之塑膠射出成品，將會有尺寸配合度的問題發生。再則塑膠件在使用上比例最高的破壞型式，當屬環境應力破壞 (Environment Stress Cracking,ESC) ──例如太陽 UV 光照射破壞、老化破壞、氣候性乾溼冷熱循環破壞等等，對此塑膠殘留應力也會造成環境應力破壞的加速。其他像塑膠件的蠕變性破壞、疲勞性破壞等，都會因為殘留應力存在而加速加快其破壞產生。

另外，塑膠件在成型過程中所產生的殘留應力，容易因為獲得外界能量或驅動力（例如受熱、照光、吸濕等）來誘發應力鬆弛效果，所以在塑膠成型業中最常用來消除塑膠內部殘留應力之方法，即是退火（或回火、annealing），將塑膠成品放入烘箱中或給予所需熱量，使定向分子鏈獲得能量而能再次重新調整分子鏈組態或相互重排以達到最低能量之穩定結構，而應力鬆弛的驅動力除了熱能外，如機械能、光能、化學能（溶劑作用）都可以達到同樣效果，然而在應力鬆弛的同時，也要考量成品尺寸變形之嚴重性。一般殘留內部應力常常會導致成品在使用上或二次加工上發生問題，例如表面接著、表面電鍍或表面塗裝等工法，都會因為成品表面高度分子定向的高應力情況，而產生介面的不相容性。另外如接觸到溶劑、化學品等也會造成在應力區域的加速劣化。

應力偏光檢測之理論基礎
光的產生是藉由電荷振動所釋放之輻射波，光束同時具有粒子及波動之特性，所以光波可在真空中傳遞，是屬於電磁波之一種。然而由於光可以向四面八方照射，所以若以自然光來做一些如干射、繞射等分光光譜觀測時，將會因為各方向光波的互相干擾而無法辨識。因此為方便於光譜觀測及便於以簡單數學方程式來表示，所以一般常用單方向之光波來作為觀測光源，而所謂單方向光源則是利用將白光光源，通過一單方向之光學偏光片，使其通過之光波都固定在一特定方向上。我們可以簡單拿兩片光學偏光片依前後放置在一白光光源前，當白光通過第一片偏光片時已成一單方向光波，若旋轉第二片偏光片觀察時，將會發現當兩片偏光片成平行時，可見到白光通過；但若兩片成垂直時，則呈黑暗無光線通過。

在有殘留應力存在的塑膠材料中，在特定平面上可將應力分成兩個主軸應力，此不均勻之應力將使材料產生兩個不同的折射率。因此光要通過此材料時，沿二個主軸應力方向振動的光波彼此有不同的速率，穿出材料時，則會有相對速度差產生。而此相位差將正比於平面上的兩個主軸應力之差值。所謂應力光學定律是指當一透明塑膠材料受應力時，其折射率會隨著所受應力變化而改變，當物體的應力狀態和光交互作用，則可藉由光彈條紋來推知物體的應力狀態。光彈性量測應力的方法其主要優點在於可瞭解外力作用瞬間或成型定型後，測試品整體的應力場分佈，可實際用於產品 QC 檢測上。

透明塑膠材料遭受應力時將產生雙折射現象，當光線穿透具雙折射率的材料時，光在材料內進行的速度也會不同。當偏極光進入有應力作用之雙折射材料時，光線會分為較快速及較慢速兩光束，其速度差相對距離則稱為相位差或光程差或遲延 (retardation,R)。在單色光的光彈條紋中（明暗條紋），粗線的地方代表該點之主應力方向與ｘ軸（或ｙ軸）平行。因此兩道光之相位差為整數波長，因而造成光場之明暗條紋，光場之條紋可以肉眼觀察，條紋越密集的地方，表示應力愈大，亦即是應力集中的地方，也是材料較容易發生破壞時最先開始之處，圖 4 是應力偏光儀量測觀察應力之原理，而圖 5 是應力偏光觀測裝置。

應力偏光儀觀測透明塑膠件的殘留應力
對於光電產業常使用的透明性塑膠材料而言，目前最簡易可用來觀察材料內部殘留應力之方法，就是使用穿透式應力偏光儀，來觀測光線通過透明塑膠件後，所呈現之明暗干涉條紋（使用單波長光源）或七彩條紋（使用白光光源），如圖 6 所示。此方法是一種非破壞性的定性觀測方法，主要是利用塑膠受應力作用下之光彈特性，來觀測材料的雙折射率變化情形。此由 Brewster 的光彈性定律理論中可知，對於受應力作用而產生應變之高分子材料，其在空間中對光線的折射率將會有方向性的不同，換言之，也就是說塑膠材料在不同方向所受之應力分量不同，其在這些方向所表現之折射率也會不同，而其折射率之差異會與所受之應力程度成正比。當射出模溫接近或超過塑膠之 Tg 溫度時，可有效消除雙折射現象，此即是由於流動所誘發之分子定向現象，可藉由使用較高模溫使分子有足夠動能及足夠時間來鬆弛分子應力。藉由將透明試片置於兩片正交之偏光板間，可觀察到較無散射之彩色光環，有較多區域呈現黑暗顏色，代表分子結構較無殘留應力存在。

塑膠是由長度很長之高分子鏈所組成，所以就微觀角度而言，在分子鏈平行與垂直方向所表現之物性並不一致，此就是高分子鏈的異方向特性 (anisotropic)，然而就整體高分子材料而言，因分子鏈間相互糾結成一團狀結構，所以單一分子鏈之異方向特性將不易被察覺；然而若因塑膠材料在加工時所形成之應力，將造成分子鏈之高度定向作用，則塑膠材料之異方向性將會顯現，利用材料內部應力產生之雙折射率，可用來觀察入射光因前進速度之差異所產生之相位差干涉條紋，藉此來反推內部應力之分佈情形。

圖 7 至圖 9 是一些透明塑膠成品之應力偏光觀測照片。圖 7 是 PC 材料射出平板成品，退火前後之應力偏光觀測。而圖 8 與圖 9 是多種透明性塑膠材料之圓片成品，在有無經過偏光照射時之應力分佈觀察情況，由此可明顯得知不同塑膠對成型應力之敏感性。

結論
所以應力偏光觀測透明塑膠殘留應力技術是一項相當簡易之定性觀測方法，可使成型加工業者在生產線上迅速獲得應力分布的資訊，也可迅速調整成型加工參數的設定，減少成品的殘留應力與減少產生破壞之可能性。■

這篇文章 透明塑膠光學產品的殘留應力定性分析 最早出現於 CAE模具成型技術雜誌。

輕量化材料的需求
近 20 年來由於能源價格高漲以及地球暖化，產業界一直致力於研發更輕、更堅固與更高效的產品。纖維增強塑料 (FRP) 由於其卓越的機械性能和輕質特性而被廣泛用於 3C 產品、汽車、造船、航空航天和風電等各種應用。FRP 並不是一種新的材料，但因其材料性質的改善，大大的提升了它的性能範圍：例如複材所使用基質材料的改進使其能夠承受更惡劣的環境、某些 polyimides 聚酰亞胺的使用溫度範圍可達 260-300° C[2]。同樣，補強材料類型和構造的變化也產生了改進的強度和加工特性。FRP 的增強材料包括短 /長纖維、纖維氈、定向織物和編織結構，這使它們可以適應不同的工藝。

樹脂灌注轉注成型 (RTM) 是極具潛力的的成型技術，屬於液態複合材料成型 (LCM) 工藝之一。RTM 工藝可用於製造需要較高的機械性能之大型及複雜的產品，此技術也可達到較高的尺寸公差需求和較高的表面光潔度，因此具有非常廣泛之應用。此外，由於 RTM製程特色，例如部分產品不需極昂貴的工藝設備，適用閉模工藝，具有低填充壓力，產品擁有出色的機械性能，也可以與金屬嵌件結合，可製造大型和與複雜的零件 [3-5]。

RTM 產業面臨的挑戰
RTM 產業仍然面臨不少挑戰，例如局部較高的纖維體積會極大地改變模具的填充行為，因此很難準確地預測樹脂的流動。RTM 操作人員無法準確預測這些影響，也無法在關閉注射過程之前透過目視的方式來驗證零件是否已達到完全飽和。如果零件不是 100％浸漬的，會引入諸如乾斑或空隙之類的缺陷，並且必須丟棄該零件並更改注射幾何形狀，直到消除所有乾斑為止。若將這種反複試驗的方法應用於大型結構及公用事業級渦輪機葉片的樹脂傳遞模塑中，其成本將是昂貴的。然而，通過成功地模擬 RTM 流動，可以預測複雜結構中的流動特性並消除跟踪誤差方法 [6-7]。

EASYPERM 導入與滲透率的量測
樹脂在纖維布流動之難易度，稱之為滲透率，是纖維布的材料本質，主宰了 RTM 灌注過程中流體充填纖維布時的流動特性，也是在 RTM 模擬裡非常關鍵的材料參數，數值的可靠度影響了模擬的精準度。有鑑於此，科盛科技採購了 ESI 複材集團所開發之專業滲透率量測儀器 EASYPERM，該設備於 2015 年獲得了JEC 發明獎，該儀器通過壓力傳感器測量不同位置的局部壓力進而計算滲透率，儀器可透過快速更換不同模具 ( 圖 1a、1b)，分別取得平面方向與厚度方向之滲透率。EASYPERM 也可藉由精準控制纖維布的厚度得到不同孔隙率之實驗條件，提供不同製程條件下所需之材料參數。

EASYPERM 與模擬之間的比對驗證
藉由 EZP，我們針對不同纖維布展開一系列與 CAE 模擬比對的實驗。實驗方面，纖維布的滲透性是通過使用平衡的流量和局部壓力來表徵，再帶入 Darcy’sLaw 獲得滲透率之值。取得滲透率的實驗值後，我們利用 Moldex3D 模擬滲透率測量過程中非平衡階段的灌注行為，以取得模擬工具的適用性與準確性。在此充填階段，系統尚未達到平衡狀態，局部壓力會隨著增加，藉由壓力傳感器，我們不僅可得到局部壓力隨時間的變化，還可得到波前到達的時間，過程中壓力的變化圖提供模擬與實驗比對寶貴的資訊。在實驗過程，當流動波前到達感測節點時，局部壓力從零開始增加，因此在模擬驗證案例裡，比較模擬結果和實驗結果之間的到達時間和局部壓力增加趨勢。
藉由 EZP 的壓力傳感器（圖 2），我們不僅可以得到波前到達感測節點的時間，也取得局部壓力隨時間的變化。當流動波前抵達感測節點時，局部壓力從零開始增加，我們在驗證案例比較了模擬的流動波前（圖3）和實驗結果之間的到達時間和局部壓力增加趨勢（圖 4 與表 1），兩者極為接近，也驗證了軟體的精準度。

結語
在 RTM 模擬裡，材料特性如纖維布的滲透率會影響到模擬的可靠度，因此極為重要，但採取 VARTM 方式的滲透率的量測，量測的效率及可靠度都會因人而異。有鑑於此，在這研究案，我們利用了 EZP 量測了纖維布的滲透率，並且驗證了軟體的精準度。■

這篇文章 淺談 EZP 量測滲透率與 RTM 模擬最適化之關係 最早出現於 CAE模具成型技術雜誌。

前言
塑膠產品在生活中的應用非常廣泛，不論是在減震、絕熱，或是克服產品翹曲變形等應用方面都可以見到發泡材料的蹤影。塑膠發泡依照發泡劑不同主要可分為化學發泡與物理發泡，化學發泡主要依靠化學反應產生氣體；而物理發泡則是藉由改變環境的溫度與壓力，使材料發生相變化並發泡成型。隨著發泡製程的演進，發泡產品越來越深入探討產品材料性質的應用，微結構成為發泡產品的一項重要的指標。然而，若要得到良好的微結構，必須投入非常多的成本與時間，這與現代提倡的工業 4.0 背道而馳。因此，許多工業紛紛投入智慧製造，CAE 應用也逐漸在塑膠發泡工業界萌芽。

科盛科技股份有限公司成立於 1995 年，主要從事模流分析軟體 Moldex3D 開發及銷售，目前為全世界最大獨立模流分析軟體供應商。成立的宗旨在於開發應用於塑膠射出成型產業的模流分析軟體系統，以協助塑膠業界快速開發產品，降低產品與模具開發成本。其中，Moldex3D 亦提供發泡成型模擬技術，如微細發泡及聚氨酯 PU 化學發泡製程，適用具複雜幾何之產品生產，被廣泛用於汽車、電子產品、建築、戶外產品等多種應用領域，這些解決方案在業界也非常成功，客戶包括 Toyota、Omron、聯合利華 (Unilever)、Daimler (Mercedes-Benz)…等世界知名大廠，今日科盛科技將為各位介紹如何應用 CAE 技術理解複雜的發泡製程，並分析製程對於微觀結構影響。

材料微結構：微細發泡技術
塑膠微細發泡射出製程 (MuCell®) 是將超臨界流體 (N2或 CO2) 注入射出機料管中，透過螺桿將超臨界流體與熔膠混煉成均勻單相流體，而勻相混合物在射出過程中因瞬間釋壓造成熱力學不平衡，使得熔膠中的超臨界流體透過相變化產生數以百萬計的微小氣泡，經模具冷卻固化得到具有微米泡孔結構之成品。此一製程省去傳統射出製程的保壓階段，進而節省製程週期時間，同時解決傳統射出產品不均勻收縮與翹曲變形等問題，使產品尺寸精度大幅提升。此外，產品因使用氣體做為發泡媒介，因此產品兼具製程環保、輕量化、塑膠可回收等優點。

對於微細發泡製程而言，預測微細發泡產品的表面品質與泡孔尺寸是該製程的一個重要的分析指標。一般而言，微細發泡可以透過反壓與動態模溫控制技術來控制產品內部的氣泡大小，然而發泡所涉及的動力學非常複雜，一般的經驗公式難以進行預測，而使用較無效率的試誤法雖然可以達成產品開發之目的，但這樣的做法不僅消耗大量的成本，也讓發泡產品失去了製造週期時間較短的優勢。

科盛科技研發團隊利用 Moldex3D 成功預測於特定反壓與動態模溫控制下，發泡產品微結構之變化，並於 PPS 的期刊 [1] 上詳細的說明與探討。基於理論模型之仿真技術可以大大降低試誤法的次數，提升產品開發速度與減少產品開發之成本，發揮微細發泡的優勢。如圖 1 利用動態模溫控制氣泡成核的數量，進而降低產品表面氣泡的產生；而圖 2 說明當反壓越大，則越可以有效控制氣泡尺寸，避免噴泉流將氣泡從產品內部帶出表面，因此產生較小的氣泡尺寸。

技術再精進：抽芯製程
微細發泡技術廣泛應用於汽車、消費性電子產品，以及其他產業上，產品不但不會減弱機械特性，還可增強抗衝擊性。然而此技術會讓發泡產品的表面粗糙，為克服此障礙而發展出「抽芯技術」。早期這個技術是用來改善微細發泡產品的表面品質，然而隨著技術演進，現在這個技術已可用來降低微細發泡件的密度，大幅增加微細發泡成型的可應用性。此外，抽芯製程也可應用在破孔結構件的成型，滿足產品的特殊需求，如高滲透性、逆滲透、噪音吸收或防震等。

抽芯技術與一般微細發泡射出最大的不同，在於該製 程 在 充 填 階 段 完 成 後 有 一 段 延 遲 過 程 (dwelling stage)，這段過程同時保壓與降溫，使氣泡再溶解與降到適合發泡的溫度，如此在抽芯過程便能得到較好的發泡品質。主要經歷過程如下：1. 將熔膠充填至模具內；2. 進入延遲過程使氣泡再溶解回熔膠，此過程是為了得到均勻的泡孔結構做準備；3. 透過機構鬆退釋放模內壓力，使熔膠氣泡成核並成長，最後再進行冷卻脫模。

上述成型問題不僅是關乎如何控制溫度或壓力等成型參數，也和延遲時間、抽芯速度、抽芯距離等密切相關。為解決上述問題，Moldex3D 研發團隊於 2015 年FOAMS®Conference[2] 探討抽芯製程對於抽芯距離不同之結果差異，如圖 3 與圖 4 中所示，抽芯距離和發泡結構有密切關係，通常產品表面會有未發泡的皮層，產品中心的芯層泡孔尺寸會比表面大，越大的抽芯距離會產生越大的氣泡尺寸，而越大的泡孔則伴隨較少的氣泡密度，相關結果也在表 1 中得到驗證。

車用輕量化：聚氨酯發泡
化學發泡成型 (Chemical Foaming Molding, CFM) 是一種藉由化學反應產生氣體而填滿模穴的成型工藝；聚氨酯 (polyurethane, PU) 發泡成型則為化學發泡成型中最常見的一種。聚氨酯發泡體具可撓性與高彈性，可應用於汽車工業如儀表板、方向盤、座椅；冷凍工業如冰箱的隔熱層、保溫夾層；製鞋工業如鞋底，以及醫療工業如病床床墊、手模等。聚氨酯發泡製程中最大的挑戰在於如何用最適量的材料充飽模穴，如果注入的原料過少，加上發泡量不足或固化速率過快，就會造成短射；而若注入的原料過多，雖能充飽模穴，但後續的發泡行為就會產生大量廢料。科盛科技研發團隊於 2019 ANTEC [3] 文章上說明如何利用Moldex3D PU 化學發泡模組模擬聚氨酯在模穴中的固化動力學 (Curing Kinetics) 和發泡動力學 (FoamingKinetic) 計算，並且預測充填和發泡階段的動態行為，進而改善產品設計。為得到正確的驗證資料，團隊使用 FOAMAT® 的泡沫鑑定系統，藉由改變系統溫度來觀察發泡的行為，如圖 5 中所示，模擬的發泡高度與實際成品的高度相對誤差在 5% 以內，而重量相對誤差更是在 2% 以內。

而圖 6 則是一個方向盤流動波前結果。首先，因受重力影響，聚氨酯樹脂將沿模穴底部填充，當填充物的體積達到模穴的 35％時，聚氨酯化學反應加速並釋放出 CO2氣體，且由於固化反應，聚氨酯黏度將會增加，同時，放熱反應使模內的溫度提升。因此，在相對較高的溫度條件下，越來越多的 CO2 氣體釋放到聚氨酯樹脂中，聚氨酯將持續膨脹，直到最後完全充飽模穴。圖 7 中顯示的是發泡聚氨酯的密度分佈，同時產品密度也提供了發泡過程中膨脹效應的相關資訊。當發泡轉化率較高時，將會產生更多的 CO2 氣體，進而產生更大體積的發泡聚氨酯，最終達到產品的輕量化。

結語
雖然發泡材料在生活中處處可見，然而這些產品本身的製備是非常困難的，多樣的成型參數影響產品的材料性質，如表面平整度、產品密度，甚至是微觀的泡孔尺寸等，這些變數都難以用試誤法重現，而利用CAE 分析技術則可以使產品開發更加智慧化，並且縮短製程週期。未來科盛科技的研發團隊也會持續提升CAE 仿真能力，讓模擬不只是用來驗證，甚至可以使用 CAE 技術進行創新的產品與模具開發設計，成為現代工業製造的好幫手。■

參考資料
[1].Tai-Yi Shiu et al., “Foaming Morpholog y Control of Microcellular Injection Molded Parts with Gas CounterPressure and Dynamic Mold Temperature Control”, 29th Conf. Polym. Process. Soc. (2014)
[2].Li-Yang Chang et al., “Foaming Morphology of Coreback Foam Injection Molded Parts: Simulation and Experimental Validation”, SPE FOAMS Conference (2015)
[3].C-W. Wang et al., “Optimizing Process Condition of PU Chemical Foaming: Validation of Material Properties for Numerical Simulation”, SPE ANTEC Tech. Papers (2019)
[4].CoreTech System (Moldex3D) Co., Ltd.,「德國卡塞爾大學以模擬方法驗證發泡射出之局部抽芯技術」(https://www.moldex3d.com/ch/blog/customer_success/university-of-kassels-useof-simulation-to-validate-foam-injection-molding-with-localcore-back/)

這篇文章 應用 CAE 剖析發泡成型技術之微觀特性 最早出現於 CAE模具成型技術雜誌。

前言
近年來利用纖維強化塑膠，提昇機械強度，又因相對重量輕，故成為產業輕量化之主力之一。然而，纖維在大量製程中，部份重要物性很容易損傷，例如採用射出成型方式製作產品，纖維的長度卻非常容易斷裂，導致許多預期之機械特性無法達成 [1-3]。為了克服纖維容易斷裂的問題，許多學者專家建議製程改採用玻璃纖維氈（glass fiber mat thermoplastics，文中以 GMT 代稱）結合壓縮成型製程 (compression molding)，由於壓縮製程提供較舒緩之程序，實務上將比較不易造成纖維斷裂的問題，然而應用壓縮成型製程仍會遭遇許多問題，其中包括：短射、流動不平衡、產品裂痕、翹曲變形、纖維與塑膠分離等問題 [4]。為能改善此等問題，一般在產業界大概都利用嘗試 -錯誤 – 嘗試法進行問題的排除，但效果一般都不太好。

為此，近年來產業界逐漸都利用電腦輔助工程 (CAE)技術之協助，以便能較有系統且快速找到問題的原因，進而解決問題。針對一般射出成型系統，CAE 技術已日益成熟，但是對於 GMT 材料所組成之壓縮成型系統而言，CAE 技術仍未成熟。其中主要問題之一為 GMT 之材料流變特性（特別是黏彈性之特性）尚未被完整地量測。更明確而言，通常高分子材料流變特性主要利用毛細管流變儀進行量測，但對於 GMT材料而言，毛細管流變儀量測方式卻遭遇許多問題，例如：針對高纖維含量之 GMT 材料很容易造成材料阻礙導致量測困難與失真。另一方面，如果採用平板流變儀，則常會遇到纖維與熔膠分離問題與挑戰。因此目前仍困難重重。

為此許多文獻建議可以改採壓縮成型系統進行壓縮流動之預測，Kotiskos 等人 [5] 使用 Instron 進行 GMT材料之壓縮流動研究，他們發現壓縮力與壓縮間距呈現指數型變化。Dweib and Bradaigh[6-8] 利用壓縮流動，並嘗試尋找適當的數學模式探討此等變化行為，他們發現壓縮流動呈現 Power-law 變化之行為。再則，Tornqvist 等人 [9] 嘗試在恆溫狀態下，研究 GMT材料之壓縮行為的最適化條件。不論如何，壓縮成型系統與其內涵，至今仍未完善。故在本文中，我們主要目的是希望透過實驗研究與模擬分析方式，逐漸了解 GMT 材料在歷經壓縮程序後，其材料黏彈性如何變化。為此，我們已經設計一個應用 Instron 建立之測試平台與實驗方法，適當地截取材料受壓縮後顯示之壓縮力歷程特性。接著我們將整合應用文獻所提供之數學模型 [5-12]，推估出材料之黏彈特性因子，再進一步整合該等因子到 Moldex3D 軟體中，並進行一系列模擬分析與實驗驗證。透過此等作法，我們將深入研究 GMT 材料之纖維微結構在壓縮成型製程中如何變化，與如何進一步影響材料巨觀之流動行為。

相關系統資訊與實驗設備說明
本文所執行之壓縮製程之概念可以利用圖 1 所示。所使用之 GMT 材料主要從材料供應商提供之片材剪切成 25mm 直徑之圓形樣品，其厚度為 2mm，如圖 2所示。此材料主要是由 polyamide(PA) 樹脂與連續纖維氈所構成。為了解其內在纖維微結構，我們將部份樣品送至 TGA 進行熱分析，其纖維含量如圖 3(a) 所示，在還未進行壓縮實驗前，樣品之纖維含量約為60wt%。另外針對真實的壓縮系統之建構，如圖 3 所示。我們主要利用萬能拉力機改成壓縮系統，其中最大壓力為 10kN；再則，因應材料在壓縮製程中需要適當地預熱並控溫，此部份我們應用一組控溫箱來進行溫度控制；而壓縮模具則是由兩個直徑 50mm 之上下模具所組成。另外，原始設計之操作條件如表 1 所示，其料溫為 290~300oC，壓縮速度為 1.0mm/min到 0.1mm/min，樣品起初之直徑為 25mm，壓縮區間從厚度 2mm 到 1mm。

結果與討論
首先我們進行一系列之壓縮實驗，並進一步預估相對應之材料黏彈參數。期間我們先假設壓縮系統內GMT 材料樣品表面為非流動邊界 (no-slip boundary condition)。如同前述，壓縮前 GMT 材料樣品先裁切
成 25mm 之圓型試片，再針對壓縮前後圓型試片之幾何體型變化進行研究，就以基本測試而言，理論上如果從 2mm 厚壓縮至 1mm 厚時，材料試片之直徑將擴大為 35mm；然而實際實驗卻發現真正之直徑變為38mm，如圖 4 所示。從圖中仔細觀察我們可以發現，GMT 材料經過壓縮後，其變形主要在圓的直徑方向，但與理論值比較，實際變形大了 3mm，此部份推測可能是纖維與熔膠之間作用力變化所導致，甚至可能是纖維 – 熔膠分離作用所引起，此部份將於本文後半段進行討論。

另外，在壓縮程序執行中，我們將記錄壓縮力對壓縮間距變化（樣品厚度變化）。例如：在圖 5 中，我們控制材料溫度為 290℃，採用 3 種不同壓縮速度之程序所呈現的壓縮力對壓縮間距變化之結果。其中可以觀察到壓縮力將隨壓縮間距之變化，呈現指數般增長；另外，壓縮速度越快，壓縮力呈現指數般增長也越快。

在完成一系列壓縮力對壓縮間距變化之實驗後，我們可以進一步轉化成壓縮力對壓縮速度變化之關係，並進行線性迴歸。以我們進行之原始設計而言，經數據分析處理後，我們可以獲取材料之重要黏彈參數，包 括 Power-law 指 數 (m=0.6205)， 以 及 流 變 參 數(k=1.3618×106)。得到此等參數後，我們再將此等參數進一步整合至 Moldex3D 軟體中，並模擬預測壓縮製程之變化情況。

在經歷實驗並獲取相關之壓縮流變特性後，我們進一步將此等壓縮流變特性輸入 Moldex3D 軟體中，並整合其他參數（其中包括比容對壓力與溫度之關係 (PVT)、熱含量 (Cp)、熱傳導係數 (K)、其他機械性質），再進行壓縮製程的模擬預測。此處，壓縮製程模擬分析之幾何模型與實驗相同，其概念如圖 1 所示。針對壓縮製程之模擬，我們先定義一個壓縮區為直徑 50mm，高度 1.2mm 之區域（此處我們特別在樣品表面多保留 0.2mm 區域做為壓縮模擬之緩衝圖 3：壓縮系統之建立，(a) 加熱溫控系統；(b) 整體系統 表 1：原始設計之操作條件區），最後壓縮停止為厚度 1.0mm。再則，壓縮製程模擬之操作參數與實驗一樣，如表 1 所示。接著利用Moldex3D 進行壓縮製程模擬，壓縮力變化情況如圖6 所示，此結果顯示壓縮力與壓縮間距變化之關係。當我們進一步將模擬結果與實驗比對，我們發現至少在兩個區域發生明顯差異。

首先在圖 6 的區域 (a) 部份，模擬結果遠大於實驗結果，此部份我們推測是因實際 GMT 材料預熱後會產生非常明顯的體積膨脹現象（體積膨脹約 50%），當我們利用壓縮模具作動時，上模板逐漸接觸鬆散的GMT 材料時，壓縮力變化是緩慢上升；然而模擬分析的情況則是瞬間接觸紮實的 GMT 材料，壓縮力變化是瞬間陡升。另外，針對固定之壓縮速度時，當壓縮間距越小時（比如 1.0mm/min），壓縮力上升越快；此現象與實驗觀察到的結果一致，而且此等現象在不同壓縮速度時，也可以觀察到。

再則，從圖 6 的區域 (b) 部份，模擬結果遠小於實驗結果，此部份我們推測是因實際 GMT 材料在此階段時，纖維與熔膠間產生作用力變化，特別是產生纖維 -熔膠分離作用。當壓縮製程執行時，可移動之上模板開始擠壓材料，形成將材料往徑向變化之壓縮流動；當壓縮間距越來越小，壓縮力持續擠壓纖維 – 熔膠往外移動，由於熔膠不像纖維會造成聚集較容易移動，因此壓縮製程在壓縮間距越來越小時，熔膠越來越少，進而造成較不易壓縮，壓縮力展示也越來越大。為驗證我們的推論，我們針對纖維對熔膠之相對含量進行研究，我們從壓縮試片之中心區域取樣置入 TGA測試，如圖 7(a) 所示。很明顯地，在接近壓縮製程後段時，壓縮試片中心區域之纖維含量變成 85.5wt%，如圖 7(b) 所示。對比於壓縮前，壓縮試片中心區域之纖維含量變成 63wt%，此結果很合理地支持我們的推論，也就是壓縮製程啟動後，隨著壓縮程序的進行，熔膠及纖維不斷地被從圓心往外推出，但因纖維有聚集及糾纏，導致熔膠比較容易被推出，最後造成纖維 -熔膠分離現象。

結論
在此研究中，我們設計出一個可用來實際量測 GMT材料在壓縮成型製程中流變特性之方法；具體而言，我們利用壓縮程序進行中，適當地記錄壓縮力與壓縮間距之變化歷程關係特性，再利用此等關係特性推估出 GMT 材料之流變特性參數。再則，我們將此等流變特性參數輸入 Moldex3D 軟體，並與其他重要材料參數整合，構成完整之 GMT 材料資料，進而提供CAE 技術能較正確模擬壓縮成型製程之流動行為。接著我們進一步比較模擬分析與實驗之壓縮成型程序，得出兩項結果 (1) 在壓縮力隨壓縮間距變化呈現指數成長之關係，模擬分析與實驗結果趨勢上很吻合；(2) 在壓縮程序的初期，模擬分析結果遠高於實驗結果，這是因為實際上 GMT 材料在預熱時會產生嚴重之體積膨脹（以本文研究發現體積膨脹達 50%），此部份模擬分析目前尚未列入考量，而此等體積膨脹將導致實驗上壓縮力之歷程變化較模擬中的壓縮力變化緩和；另一方面，在壓縮之後期，模擬結果遠小於實驗結果，乃是因實際 GMT 材料在此階段時，纖維與熔膠間產生作用力變化，此等作用力（特別是纖維產生聚集及糾纏效應）將進一步導致纖維 – 熔膠分離作用，造成模擬之壓縮力結果遠小於實驗結果。■

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這篇文章 玻璃纖維氈材料在壓縮成型製程中之特性變化研究 最早出現於 CAE模具成型技術雜誌。

前言
隨著綠色環保意識高漲，塑膠製品朝向省料節能、縮短成型週期與免去二次加工的方式生產。射出成型已成為實現工業產品塑膠零組件量產的重要製造方法，同時還需兼顧產品精度、結構強度、功能設計及品質等條件。本研究之產品為「軸承滑塊」，是 PET 吹瓶機公轉系統中承載並傳送瓶胚的重要滑塊零件。傳統的軸承滑塊大多以金屬材料經多道次加工或異材質接合方式製造而成，但也因此造成產品重量與加工成本提高；另一方面，以異材質接合製造容易因材料不均勻收縮而產生翹曲變形或接合問題。

因此，本研究整合產品設計、CAE 分析、模具設計、纖維複合材料與金屬嵌入成型進行創新軸承滑塊之研究與開發。由研究結果顯示，透過產品設計，成功將軸承滑塊組件的重量減少一半以上；透過 CAE 模流分析，成功縮短模具開發時程；透過金屬嵌入成型，成功減少加工程序；透過玻纖 (GF) 補強，產品拉伸強度提高 10% 以上。整合工業產品改進設計，並依照產品開發基本流程進行 GF 補強塑膠軸承滑塊之 CAE 分析與射出成型特性進行研究，成功讓產品達到具有功能性、產品結構強度、輕量化並減少加工程序的預期效果。

塑膠滑塊之產品與結構設計概念
「軸承滑塊」為 PET 吹瓶機公轉系統中承載並傳送瓶胚的關鍵零件，為降低設備製造成本並達到輕量化目的，研究中的產品設計概念為採用纖維複合材料補強塑膠與嵌入金屬軸承射出成型，以取代金屬滑塊的加工成型，並利用輕量化加工技術進行產品開發與成型規劃，其產品設計概念圖示如圖 1 所示。此外，由於塑膠產品與金屬的冷卻收縮程度不同，若塑膠產品肉厚與結構設計不良，不僅會造成射出成型困難，亦會增加產品不良率與缺陷之問題；透過 2D 與 3D 進行產品設計與繪製，並透過異材質接合設計使塑膠與金屬件在進行射出成型時能穩固的結合。

透過實驗設計掌握產品成型特性
為清楚了解並掌握產品實際成型可能造成之問題，研究中透過實驗模具之試片成型與分析比較，將此研究結果應用在實際產品開發與成型，並透過熱機性質進行 GF 之材料補強效能。另一方面，為進一步了解金屬嵌入成型特性，本研究利用專業 CAE 模流分析軟體進行分析預測，預先了解並掌握以纖維複合材料補強塑膠與嵌入金屬軸承進行射出成型之特性，以及可能會發生的問題，再透過模擬分析進行比較與討論，以提供正確模具設計方案與建立較好之產品成型視窗，最後再以實驗模具進行產品成型的結果與模擬分析結果作逐一驗證。

研究分析流程四階段
本文案例整合模流分析軟體、纖維複合材料與金屬嵌入成型進行案例研究，驗證連貫式設計分析流程對產品開發的進步性。其研究分析流程區分為三個階段：(1) 纖維複合材料之特性測試與分析；(2) 分別以模流
與結構分析軟體進行產品設計與成型可預測分析與評估；(3) 產品實機測試與應用。
(1) 纖維複合材料之特性測試與分析：
研究中，分別為比較熱機性質之材料 (a) 為尼龍 66 原料、材料 (b) 為尼龍 66 添加 30%GF 與材料 (c) 為尼龍 66 添加 30%GF（材料改質）等。圖 2 顯示試片成型後完成拉伸強度試驗、彎曲強度試驗與熱變形溫度試驗後之相關比較數據與圖形，由結果顯示材料 (c)較符合產品特性需求。
(2) 以模流與結構分析軟體進行產品設計與成型可預測分析與評估：
經由實驗設計與相關研究成果與設計參數，實際進行塑膠滑塊產品開發，為確認產品結構強度需求，此研究透過有限元素分析軟體進行結構強度模擬，找出符合產品強度需求之結構較佳化設計，如圖 3(a)。而圖3(b) 則為一模兩穴滑塊產品設計，由於滑塊產品大小不一樣，所以流道平衡設計相當重要，澆口採兩點進澆設計。再來，將模流分析資料與結構分析資料進行整理與討論，以獲得模具開發的寶貴資訊。
(3) 產品實機測試與應用：
團隊經過嚴謹的實驗設計與成型實驗討論，終於完成塑膠滑塊成型，如圖 4(a) 所示。透過實際的拉伸測試針對產品的結構強度進行確認後，如圖 4(b) 所示，成功成型出符合業者規定之具有功能性、產品強度及輕量化的滑塊產品。

結論
PET 直線式吹瓶機為專業生產塑膠寶特瓶容器之生產設備，能滿足產品輕量化與一體化之製程需求，並朝著省料節能、縮短成型週期、高生產能力與免去二次加工的方向發展。因此，吹瓶設備之公轉系統設計就顯得格外重要，透過研究結果，我們得到以下結論：
1. 以纖維複合材料射出成型代替金屬加工進行設計，可成功達到節省能耗之目的。
2. 減少加工道次加工程序，可使軸承滑塊組件重量減少一半以上。
3. 實機測試時，成功達到噪音減少之效果；降低馬達扭力，以及提高傳動機構壽命。■

這篇文章 以玻纖補強與嵌入成型技術達成輕量化開發 最早出現於 CAE模具成型技術雜誌。