(57)【要約】【課題】  成形不良現象を実用的な手法で予測し、流動解析に基づく有効な設計支援方法を提案すること.【解決手段】  成形品に基づく樹脂流動解析用モデルを複数の微小要素に分割し、計算モデルを作成する樹脂流動解析モデル作成工程と、樹脂流動解析用設定条件に基づき樹脂流動解析を実施する樹脂流動解析工程と、樹脂流動解析工程で求めた解析結果を用いて、  （１）フローフロント到達時の樹脂温度  （２）フローフロント到達時の樹脂速度  （３）フローフロント到達時の樹脂粘度の少なくとも一つから外観不良現象の発生を予測する外観不良検出工程を有する、成形品の設計支援方法。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
成形品に基づく樹脂流動解析用モデルを複数の微小要素に分割し、計算モデルを作成する樹脂流動解析モデル作成工程と、樹脂流動解析用設定条件に基づき樹脂流動解析を実施する樹脂流動解析工程と、樹脂流動解析工程で求めた解析結果を用いて、
（１）フローフロント到達時の樹脂温度
（２）フローフロント到達時の樹脂速度
（３）フローフロント到達時の樹脂粘度
の少なくとも一つから外観不良現象の発生を予測する外観不良検出工程を有する、成形品の設計支援方法。
【請求項２】
前記外観不良現象は、金型転写ムラ、シボ転写ムラ、ガラス浮きであることを特徴とする請求項１に記載の成形品の設計支援方法。
【請求項３】
請求項１又は請求項２のいずれかに記載された成形品の設計支援方法の各ステップをコンピュータに実行させるコンピュータソフトウェア。
【請求項４】
請求項３に記載されたコンピュータソフトウェアを搭載することを特徴とする成形品の設計支援装置。
【請求項５】
請求項３に記載されたコンピュータソフトウェアを記憶した記憶媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、成形品の設計支援方法およびコンピュータソフトウェアならびに設計支援装置および記憶媒体に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車用途では、環境規制に対処するための軽量化や、モジュール化によるコストダウンや高機能化などを目的として、従来の金属部品の樹脂化が急速に進んでいる。
【０００３】
樹脂部品の成形方法として代表的な射出成形は、熱可塑性や熱硬化性の樹脂材料を加熱溶融して、あらかじめ閉じられた金型のキャビティ内に射出充填し、冷却固化して成形品を得る成形法であり、従来から大量生産に適した製造方法として、ものづくり現場において広く活用されている。
【０００４】
このような樹脂の射出成形においては、従来から、非特許文献１に示されるような、多くの成形不良現象が生じることが指摘されている。
【０００５】
そこで、樹脂流動解析ソフトウエア（たとえば、東レエンジニアリング株式会社製3D TIMON（登録商標））を活用して、このような成形不良を予測し、適切な対策を金型製造前にあらかじめ施しておくことで、金型修正等の手戻りをできるだけ少なくし、開発期間を短縮しようとする取り組みが盛んに行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１７−１１３９８１号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】射出成形加工の不良対策、有方広洋著、日刊工業新聞社、２００３年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記樹脂流動解析ソフトウエアでは、ウェルドラインの位置、ヒケ、そり変形など一部の成形不良現象を予測することは可能であるが、ウェルドラインの見栄えや強度低下量、シボ転写ムラ、ガラス浮き、フローマークなど、予測することが難しい成形不良現象も多いのが現状である。
【０００９】
一例として、ウェルドラインに関する成形不良について、以下に説明する。
充填工程中に、金型内のキャビティ部へ流動している溶融樹脂先端をフローフロント部と呼ぶ。フローフロント部はキャビティ内で多数に分岐し、合流し合い、行き場を失ったフローフロント部は流動停止し、固化に至る。充填工程中に生じる成形不良現象は、このフローフロント部の挙動が強く影響していることが多い。
【００１０】
上記樹脂流動解析ソフトウエアでは、このフローフロント部が合流して生じる成形不良現象であるウェルドラインについて、フローフロントが合流する角度を評価することで、ウェルドラインの位置を予測することができる。しかし、ゲート近傍で合流する場合は、樹脂の温度や圧力が比較的高い状態で合流するため、このウェルドラインの外観上・強度上の問題が生じにくく、逆にゲートから遠い位置で合流する場合は、樹脂の温度や圧力が比較的低い状態で合流するために、線状の外観不良、強度不足が問題となりやすいなど、フローフロントの合流角度だけでは外観上、強度上の成形不良を完全には予測できない。特許文献１では、フローフロントの合流角度だけでなく、流動長もしくは流動長の変化率からウェルドラインを評価する方法が出願されている。
【００１１】
別の例として、シボ転写ムラについて、以下に説明する。
車載用の大物成形品であるインスツルメントパネルなどでは、意匠性を高めるため、金型表面に施した微細な凹凸面を成形品に転写するシボ加工を施す場合がある。ゲート位置や射出速度などの成形条件が適切でない場合は、この微細な凹凸が成形品に十分に転写されないことがあり、この成形不良は「シボ転写ムラ」と呼ばれる。このシボ転写ムラを数値シミュレーションで予測するためには、微細な凹凸を考慮したキャビティ空間を十分な解像度で要素分割し、キャビティ表面との伝熱による樹脂の粘度変化や溶融樹脂の自由表面を考慮した熱流体解析が必要となる。しかし、シボ加工の微細な凹凸の大きさは数から数十μｍのオーダであり、1m前後のサイズのインスツルメントパネルに対して、この微細な凹凸を考慮した樹脂流動解析を実施しようとすると要素数・節点数が膨大となるため、現在の一般的な計算機では、直接的にシボ転写不良を予測することは極めて困難である。
このように、外観上の成形不良であるシボ転写ムラは、現状の数値解析手法では直接的に予測することが難しい。
【００１２】
本発明の目的は、このような従来の問題点を鑑みてなされたものであって、直接的には予測困難な成形不良現象を実用的な手法で予測し、流動解析に基づく有効な設計支援方法を提案することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、成形品に基づく樹脂流動解析用モデルを複数の微小要素に分割し、計算モデルを作成する樹脂流動解析モデル作成工程と、樹脂流動解析用設定条件に基づき樹脂流動解析を実施する樹脂流動解析工程と、樹脂流動解析工程で求めた解析結果を用いて、
（１）フローフロント到達時の樹脂温度
（２）フローフロント到達時の樹脂速度
（３）フローフロント到達時の樹脂粘度
の少なくとも一つから外観不良現象の発生を予測する外観不良検出工程を有する、成形品の設計支援方法である。
【００１４】
請求項２に記載の発明は、前記外観不良現象は、金型転写ムラ、シボ転写ムラ、ガラス浮きであることを特徴とする請求項１に記載の成形品の設計支援方法である。
【００１５】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２のいずれかに記載された成形品の設計支援方法の各ステップをコンピュータに実行させるコンピュータソフトウェアである。
【００１６】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載されたコンピュータソフトウェアを搭載することを特徴とする成形品の設計支援装置である。
【００１７】
請求項５に記載の発明は、請求項３に記載されたコンピュータソフトウェアを記憶した記憶媒体である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明により、直接的には予測困難な成形不良現象を実用的な手法で予測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態に係る設計支援装置の一例における構成を示す図である。
【図２】本発明の解析対象である溶融樹脂の流動モデルを示す模式図である。
【図３】本発明の実施形態における実施手順を示すフローチャートである。
【図４】本発明の実施例での解析モデルを示す図である。
【図５】本発明の実施例における樹脂流動解析の結果である樹脂の充填パターンを示し、充填開始初期の状態を示す図である。
【図６】本発明の実施例における樹脂流動解析の結果である樹脂の充填パターンを示し、充填が進行した状態を示す図である。
【図７】本発明の実施例における樹脂流動解析の結果である樹脂の充填パターンを示し、充填が完了した状態を示す図である。
【図８】本発明の実施例における樹脂流動解析の結果であるフローフロント到着時の速度を示す図である。
【図９】本発明の実施例における樹脂流動解析の結果であるフローフロント到着時の温度を示す図である。
【図１０】本発明の実施例における樹脂流動解析の結果であるフローフロント到着時の粘度を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１に本発明の成形品の設計支援装置１の一例を示した構成図を示す。成形品の設計支援装置は、解析を実行するコンピュータ１０と各種データを格納している記憶媒体２を基本構成としている。
【００２１】
設計支援装置１は、流動解析の対象となる樹脂流路を定義した３D CADデータなどの形状データ２１に基づき、流動解析モデル作成手段１１で上記流路を複数の微小要素に分割して計算モデルを作成する。
【００２２】
材料データ２２や、射出速度や樹脂温度などの成形条件が記載された境界条件データ２３に基づき、解析条件設定手段１２で解析条件を設定し、樹脂流動解析手段１３で樹脂流動解析を実行する。
【００２３】
前記微小要素ごとの樹脂温度や樹脂速度の履歴などの樹脂流動解析の結果から、外観検出手段１４でフローフロント到達時の粘度などの外観不良の評価指標となる結果を算出する。上記外観不良の評価指標を結果表示手段１５で確認する。
【００２４】
図２は、キャビティ空間を流動する溶融樹脂のフローフロント部とキャビティ表面の近傍を模式的に表した図であり、溶融樹脂３、金型４、溶融樹脂の流動方向３Ｄ、溶融樹脂のフローフロント３Ｆを示す。溶融樹脂３は流動方向３Ｄに向かって流動しているとする。金型４の表面にはシボ加工が施されており、その凹凸には比較的浅い部分４１と、深い部分４２がある。
【００２５】
一般に、粘度の高い溶融樹脂が薄肉部を流れる場合は、肉厚方向の中心の流れ３ｄがフローフロント部３Ｆで金型面向３ｆへ向きを変えるファウンテンフローと呼ばれる噴出し流れの形態を示す。金型４表面に接した溶融樹脂３は金型に急冷されて、表面から固化が進展する。
【００２６】
ここで、流動している溶融樹脂３は金型４や大気へ熱が奪われるため、フローフロント３Ｆの温度は流動が進むにつれて徐々に低下する。特に、充填速度が遅い場合や流動長が長い場合は、フローフロント３Ｆの温度が大きく低下し、溶融樹脂３の粘度が高い状態で金型４表面に接する。このように、粘度が高い状態で溶融樹脂３が金型４表面に接した場合、金型４表面の凹凸が深い部分４２には十分に侵入することができない状態で流動が停止し、微小な空間４３が生成される。そして、この状態のまま冷却が進み、金型４から取り出されると、表面の凹凸が成形品に十分に転写されておらず、シボ転写不良となる。
【００２７】
したがって、シボ転写不良は金型４に接する時点の溶融樹脂３の粘度が影響すると考えられるため、フローフロント３Ｆが金型４表面に到達した時点の粘度を評価指標とすることで、シボ転写不良を評価することが可能である。
【００２８】
樹脂流動解析では一般的に、樹脂の粘度はCross-WLF式などのせん断速度と温度の関数として表現することが多い。よって、粘度の温度依存性が小さく、せん断速度依存性が大きい樹脂はフローフロント３Ｆ到達時の粘度の代わりに、フローフロント３Ｆ到達時の速度を評価指標とすることも可能である。逆に、粘度の温度依存性が大きい樹脂の場合は、フローフロント３Ｆ到達時の温度を評価指標にすることも可能である。
【００２９】
図３は、本発明の実施の手順を示すフローチャートである。まず、解析モデル作成工程（ＳＴ００１）において、３次元ＣＡＤなどを用いて成形品形状のＣＡＤデータを作成する（ステップ００４）。次に、ＣＡＥプリプロセッサを用いてＣＡＤデータを数値解析用の微小要素に分割し、解析モデルを作成する（ＳＴ００５）。微小要素を作成するCAEプリプロセッサとしては例えば３D TIMON（登録商標） - PrePostやFEMAP（登録商標）、Patran（登録商標）などの汎用ソフトウエアを活用できる。
【００３０】
続いて、流動解析工程（ＳＴ００２）において、材料特性データ、成形条件、境界条件等の解析条件を設定し（ＳＴ００６）、樹脂流動解析を行う（ＳＴ００７）。
【００３１】
次に、前記樹脂流動解析結果に基づき、成形不良検出工程（ＳＴ００３）にて、フローフロント３Ｆ到達時の粘度もしくは温度もしくは速度のいずれか一つを出力し、所定の閾値と比較してスペックを満足するかどうかを評価する。スペックＮＧの場合は、成形品の形状もしくは解析条件を変更して、再度樹脂流動解析を行う。
【００３２】
前記所定の閾値は、樹脂の種類やシボ加工の条件によっても異なると考えられるため、あらかじめ成形実験等で求めておく必要がある。
【実施例１】
【００３３】
本発明の実施例について示す。図４に解析モデルを示す。成形品は、５００ｍｍ×１００ｍｍの板状であり、−X側は板厚３ｍｍの厚部５３、＋X側の２００ｍｍは板厚２ｍｍの薄部５２である。本形状を六面体要素に分割した。要素サイズは５ｍｍ×５ｍｍ×０．５ｍｍとした。板厚２ｍｍは板厚方向に４分割、板厚３ｍｍは板厚方向に６分割となる。
解析条件として、樹脂注入点（ゲート）５１から、樹脂はプライムポリマー社製ポリプロピレン樹脂Ｊ７０８ＵＧを使用し、射出流量１３０ｃｃ／ｓｅｃ、樹脂温度２３０℃、金型温度４０℃として、樹脂流動解析を行った。樹脂流動解析は、3D TIMON（東レエンジニアリング製、登録商標）を用いた。
【００３４】
樹脂流動解析の結果である樹脂の充填パターンを図５〜７に示す。
【００３５】
図５は充填開始から０．１秒経過した時点、図６は充填開始から０．１９秒経過した時点、図７は充填が完了した時点の結果である。各図の濃淡分けは樹脂の到達時間を示す。
【００３６】
図５において、ゲート５１から流入した樹脂は放射状に広がって充填していく。フローフロント３Ｆは板厚２ｍｍ部に達するまでは円形であるが、薄部５２は厚部５３と比べて流れにくいため、フローフロント３Ｄが厚部５３か薄部５２への境界５Ｓに達すると、薄部５２では速度が落ち、厚部５３は速度が増す。
【００３７】
さらに時間が進み、ゲート５１の対面５Ｒにフローフロント３Ｆが到達すると、樹脂の流動方向が変わり、図６のおいては、薄部５２に対して厚部５３の方が充填が先行する。  さらに充填が進み、図７においては、＋X側の末端５２Ｅが最終充填部となって充填が完了する。
【００３８】
図８にフローフロント３Ｆ到達時の速度を示す。ゲート５１から放射状に流動した樹脂はゲート対面５Ｒで流動方向が変わるため、厚側減速部５３Ｌでフローフロント３Ｆの速度が小さくなる。また、厚部５３から薄部５２に流動する薄側減速部５２Ｌでは、厚部５３を先行して流れるためにフローフロント３Ｆの速度が小さくなる。
【００３９】
図９にフローフロント３Ｆ到達時の温度を示す。図８で示したフローフロント３Ｆ到達時の速度が小さくなる厚側減速部５３Ｌ、薄側減速部５２Ｌで温度がやや低くなっている。
【００４０】
図１０にフローフロント３Ｆ到達時の粘度を示す。粘度は樹脂のせん断速度と温度の関数として表現されるため、樹脂の速度が小さく、温度が低い箇所でもある厚側減速部５３Ｌ、薄側減速部５２Ｌにおいて、フローフロント３Ｆ到達時の粘度が高くなっている。このように、フローフロント３Ｆ到達時の粘度が高い箇所は、微細な凹凸への浸入性が悪くなるため、シボ転写不良の可能性が高くなる。
【００４１】
粘度の温度依存性、せん断速度依存性は樹脂の種類によって変わるため、樹脂ごとに転写不良の閾値は異なる。
【００４２】
また、ガラス繊維が入った樹脂でガラス繊維が表面に浮く成形不良である「ガラス浮き」は金型表面近傍で樹脂の流動性が影響するため、フローフロント到達時の粘度が小さくなる対策が有効であると考えられる。
【符号の説明】
【００４３】
１      設計支援装置
２      記憶媒体
３      溶融樹脂
３Ｄ    溶融樹脂の流動方向
３Ｆ    フローフロント
４      金型
５      成形品
１０      コンピュタ
１１      流動解析モデル作成手段
１２      解析条件設定手段
１３      樹脂流動解析手段
１４      外観不良検出手段
１５      結果表示手段
２１      形状データ
２２      材料データ
２３      境界条件データ
４１      凹凸の浅い部分    
４２      凹凸の深い部分
４３      空間
５１      ゲート（樹脂注入点）
５２      薄部
５３      厚部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2020166325.tif 000009
【図８】
2020166325.tif 000010
【図９】
2020166325.tif 000011
【図１０】
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