Fiber orientations caused by the flow during injection molding of short fiber reinforced polymer composites were investigated by numerical simulation. The simulations were conducted both in thickness plane and in three-dimensional domain.
For the analysis in the thickness plane, the Lagrangian scheme was employed for the finite element analysis. Flow fields were solved by using a penalty method with Uzawa's scheme and orientation fields were solved by using the equation of change for second order orientation tensor. A generalized Newtonian fluid whose rheological behavior is independent or dependent of fiber orientation was assumed. Automatic mesh generation using an elliptic grid generator was developed for quadrilateral elements. Mold filling and orientation analyses were performed for cavities of rectangular cross-section. To determine the orientation state in other cross-sectional geometries, numerical analyses were also performed for two orientation in the thickness plane, the orientation field can be classified into three regions in the flow direction and three layers in the thickness direction. It was observed that critical values, upper limits of the degree of orientation, are present. Effects of initial orientation at the inlet on the orientation field were examined. Coupling effects between flow field and orientation field were shown.
For the analysis of three-dimensional domain, generalized Hele-Shaw model was adopted and solved by a FEM/FDM hybrid scheme with control volume approach. Orientation fields were also solved by using the equation of change for second order orientation tensor. Forth order Runge-Kutta method was applied to solve five expanded equations. To determine the orientation field, the analyses were performed for the tensile bar specimen and typical shape having obstacles.
An experimental method to determine the interaction coefficient was developed. Using image processing techniques, interaction coefficient was determined successfully and basic orientation mechanisms were shown by orientation experiments in simple shear flow.
A simulation program was developed for the prediction of flow and orientation fields, and applied to the typical shapes of mold cavities successfully. As the result, orientation fields of short fibers in the flow field were estimated qualitatively and quantitatively and major orientation mechanisms were identified.
단섬유 강화 복합재료의 사출성형시 유동에 의한 섬유배향에의 영향을 수치모사를 통하여 수행하였다. 모사는 두께면과 삼차원 계에 대하여 독립적으로 수행되었다.
두께면에 대하여는, Lagrangian 방법이 모사를 위하여 적용되었다. 유동장은 Uzawa 기법을 도입한 벌칙법을 이용하여 해석되었고, 배향장은 2차 배향텐서를 이용한 배향변화방정식을 이용하여 해석되었다. 연구를 위하여 단섬유 배향이 유동장에 영향을 미치는 경우와 미치지 않는 경우에 대하여 각각 해석되었고, 일반화된 Newtonian 유체를 가정하였다. 타원 격자 생성법을 이용한 자동 요소 생성법을 사각형 요소 생성을 위하여 개발하였다. 사각형 단면의 금형형상에 대하여 금형 충전과 배향해석이 수행되었으며, 일반적인 금형 단면에서의 배향상태를 규명하기 위하여 두 종류의 다른 대표적인 단면형상에 대하여 수치모사를 수행하였다. 두께면내에서 단섬유 배향상태에 의하면 섬유배향장은 유동방향으로 3영역, 두께면으로 3층으로 구분되어짐을 알았다. 섬유배향의 크기는 그 임계값이 존재하였다. 또, 유동입구에서의 초기 배향효과를 연구하였으며, 유동장과 배향장의 상호작용효과를 보였다.
3차원 영역에서의 유동모사를 위하여, Generalized Hele-Shaw 모델이 이용되었고, 검사체적을 이용한 FEM/FDM 복합기법에 의해 해석되었다. 배향장은 2차 배향텐서에 대한 배향변화방정식이 이용되었으며 4차의 Runge-Kutta 방법이 5개의 전개된 방정식에 적용되었다. 배향장 해석을 위하여 인장시편과 내부에 방해물이 있는 대표적 형상에 대하여 수치모사가 수행되었다.
상호간섭계수를 결정하기 위한 실험적인 방법이 개발되었다. 상호간섭계수는 영상처리를 이용하여 얻은 실험결과와 수치모사 결과의 비교에 의해 성공적으로 결정될 수 있었다.
본 연구에서는 유동장과 배향장에 대한 수치모사가 가능한 컴퓨터 프로그램을 개발하였고, 여러 가지 형상에 대하여 성공적으로 적용되었다. 그 결과로서 유동장 내의 단섬유 배향분포를 정성적, 정량적으로 예측할 수 있었으며, 배향기구를 규명할 수 있었다.
