材料模擬於智慧製造之應用

 

刊登日期:2017/1/5
  • 字級

政府五大創新中心所揭示的前瞻製造重點產業需求中,強調因應各式智慧、彈性與分散製造模式需求,提供整合產線服務;藉由開放應用程式與自動測試,加速虛實整合製程優化與自動化設備等應用發展。而憑藉理論與模擬,探討材料與製程參數對於產品特性或性能的影響,進而提出優化對策,則為不可或缺的重要手段。本文以印刷電路板(PCB)、3D列印、鋰電池等三項產品製程為例,介紹工研院材化所(MCL)以調控材料與製程參數發展對產品進行優化設計的理論與模擬技術。

在印刷電路板方面,介紹材料翹曲抑制智能化結構設計技術,迅速計算線路圖案配置導致熱壓製程的翹曲,並提供增補鋪銅率對於翹曲抑制的貢獻。3D列印則聚焦於金屬3D列印,因溫差所造成不均勻膨縮而產生熱應力與其導致之結構翹曲。鋰電池方面,則包括熱管理、穿刺短路和循環壽命理論模擬等。
 
印刷電路板材料翹曲抑制智能化結構設計
工研院電光系統所與材化所為建立印刷電路板設計虛實整合系統,開發材料翹曲抑制智能化結構設計技術,除可迅速計算印刷電路板材料與線路圖案配置可能導致熱壓製程中的翹曲外,更進一步提供增補鋪銅率對於翹曲抑制的貢獻,作為製程改善或調控的依據。這項印刷電路板熱翹曲估計流程分為以下幾個步驟:
②計算等效材料力學性質:
根據古典複合材料力學公式,計算各分區鋪銅率所對應之等效楊氏係數(Young’s Modulus)、波松比( Poisson’a Ratio )、熱膨脹係數( Coefficientof Thermal Expansion; CTE )。對於多層印刷電路板(圖一),則應逐層分區計算。

④印刷電路板熱翹曲(Thermal Warpage)模擬:
利用古典多層板理論(ClassicalPlate Theory)或有限元素模擬(Finite ElementMethod; FEM),計算熱壓降溫,如圖三。

 
圖四、翹曲抑制策略及模擬預估
圖四、翹曲抑制策略及模擬預估

 
3D列印熱應力分析與表面品質模擬
一般的DMLS 3D列印過程,如圖五所示,可利用模擬精確雷射熱源(圖五(a)),依雷射由右往左加熱方向,分析熱應力分布狀況。圖五(b)模擬結果顯示,左端為初始加熱區域,熱源導致材料熱膨,熱應力由400 MPa提升至600 MPa。隨著加熱時間增加,總熱能提高,熱應力累積有逐漸減少的趨勢,特別是粉體達到完全熔融的狀態後,熱應力有明顯大幅減少的現象,待凝固後,熱應力又重新回升。


圖五、熱應力模擬分析
圖五、熱應力模擬分析

 
鋰電池熱管理與循環壽命模擬與穿刺安全性模擬
工研院材化所建立 3D鋰電池模組電化學熱傳耦合模擬計算模型,並建構鋰電池循環壽命模擬預測技術,可模擬不同充放電速率之連續充放電曲線,以及充放電過程之 3D溫升溫度分布特性,同時可模擬電池穿刺短路溫升特性,提供鋰電池模組安全性設計之理論依據,並預測在不同狀態下,電容量衰退性質的差異現象,作為鋰電池循環壽命的理論根據。

工研院材化所研發出一項新型可添加至鋰電池的材料 STOBA,在常溫時可以很容易的添加在電解液中,且STOBA分子間互不影響;當溫度升高過熱時,STOBA上樹枝狀結構的官能基會互相反應,與其他 STOBA分子鍵結並且緊縮,阻止外面離子進入正極的內部進行反應,進而避免電池溫度過高導致爆炸。

首先模擬分析單顆 10 Ah 磷酸鋰鐵電池中,有無在正極加入 STOBA材料之穿刺溫升結果,如圖十七,比較模擬與實驗結果之最高溫,顯示模擬具有可靠的準確度,而該顆鋰電池加入 STOBA後…以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
作者:邱佑宗、三政鴻、林揚善、陳春弟 / 工研院材化所;李暐 / 工研院電光系統所
★本文節錄自「工業材料雜誌」361期,更多資料請見下方附檔。


分享
為此篇文章評分

相關廠商