案例分享 | Sovitec将玻璃微珠产品成本降低20%

Sovitec是一家总部位于比利时的跨国公司，其旗舰产品玻璃微珠应用于表面处理、道路标记、涂料和工程塑料等众多领域。该公司有意用玻璃微珠替代玻璃纤维，希望在提供相同或更好性能的同时，降低材料生产的总成本。在研究了若干方案之后，Sovitec决定采用Digimat对不同玻璃微珠产品进行微观、宏观材料建模，在此基础上进行方案优化。

过去的20年中，材料工程师对材料性能的虚拟表征（Digimat-MF、Digimat-FE等模块）使得现在能够以相对较低的成本比较各种材料组合，以此优化材料组合方案。目前，多尺度仿真技术已能够让用户对复杂、真实的微观结构进行深入研究，了解其材料行为，从而确定影响性能的关键参数。仿真软件不仅可以实现材料虚拟表征，还能够实现材料优化。这提供了前所未有的设计&制造潜力，为新产品、新工艺的应用提供了技术支撑。
在航空航天、国防、汽车、医疗、电子、石油和天然气等行业，先进材料，如塑料、复合材料、硬质金属、橡胶和纳米材料总被要求改进性能、集成更多功能。这些材料通常被设计成多相，在带来性能提高的同时，也导致分析困难，这对材料工程师而言极具挑战。此外，上述材料通常表现出非常规特性（非线性、各向异性、工艺依赖等），这使得在制造过程中对其进行描述、控制变得非常困难和昂贵。因此，在实际制造之前，对材料进行建模验证就显得非常重要。

微观力学对多相材料的仿真

平均场匀质化（图中为Digimat-MF）使用解析法计算材料性能（见图2），也就意味着利用仿真技术高效筛选材料或基于微观结构评估材料非线性成为可能。上述方法常用于表征短切纤维增强塑料（SFRP）从纤维取向一致到完全随机等不同状态下的性能。

图 2 : 平均场均质化评估纤维取向对短纤维增强塑料非线性特性的影响

材料仿真中的另一个需求是多相材料的端到端仿真工具（例如Digimat-FE）。基于材料组分、微观结构定义，建立有限元模型并计算。然后，用概率分布函数对仿真结果进行后处理，评估代表体单元（RVE）的细节。最后，计算出平均值，并将其用于随后的宏观结构件的有限元分析（见图3）。

图 3 : 基于有限元的均质化工作流程

Sovitec玻璃微珠替代玻璃纤维

该项目中，Sovitec首先利用Digimat对两种增强相的实验数据进行校准：30％质量分数玻璃纤维增强PA6、30％质量分数的玻璃微珠增强PA6。基于建立的两种材料模型，在Digimat-MF中进行了虚拟复合，寻找可能的新型复合方案。在确定了可能符合要求的材料后，使用Digimat-FE进行进一步的的微观研究（见图4）。

图 4 : 对新的材料组合的深入研究

Sovitec确定的优化方案是15%玻璃纤维+15%玻璃微珠的组合，这种材料具有以下优点：

1. 与全纤方案相同的刚度；

2. 玻璃微珠的引入使得热力各向同性，降低了纤维应力集中，提高了断裂强度。

Sovitec将上述新材料推向市场后，将实现单件成本降低20％，部件循环时间缩短29％的同时降低机器损耗，最终大幅降低制造成本。

图 3 : 基于有限元的均质化工作流程

Sovitec玻璃微珠替代玻璃纤维

该项目中，Sovitec首先利用Digimat对两种增强相的实验数据进行校准：30％质量分数玻璃纤维增强PA6、30％质量分数的玻璃微珠增强PA6。基于建立的两种材料模型，在Digimat-MF中进行了虚拟复合，寻找可能的新型复合方案。在确定了可能符合要求的材料后，使用Digimat-FE进行进一步的的微观研究（见图4）。图 3 : 基于有限元的均质化工作流程

Sovitec玻璃微珠替代玻璃纤维

该项目中，Sovitec首先利用Digimat对两种增强相的实验数据进行校准：30％质量分数玻璃纤维增强PA6、30％质量分数的玻璃微珠增强PA6。基于建立的两种材料模型，在Digimat-MF中进行了虚拟复合，寻找可能的新型复合方案。在确定了可能符合要求的材料后，使用Digimat-FE进行进一步的的微观研究（见图4）。图 3 : 基于有限元的均质化工作流程

Sovitec玻璃微珠替代玻璃纤维

该项目中，Sovitec首先利用Digimat对两种增强相的实验数据进行校准：30％质量分数玻璃纤维增强PA6、30％质量分数的玻璃微珠增强PA6。基于建立的两种材料模型，在Digimat-MF中进行了虚拟复合，寻找可能的新型复合方案。在确定了可能符合要求的材料后，使用Digimat-FE进行进一步的的微观研究（见图4）。