(57)【要約】【課題】デフォームの発生を高い精度で把握できるシミュレーションシステムを提供すること。【解決手段】シミュレーションシステムは、所定の製品形状に対し、所定の成形条件の下で射出された溶融樹脂の流動解析を行う（Ｓ４〜Ｓ８）。さらに、この流動解析の結果に基づいて、充填された溶融樹脂の要素Ｅｉごとの実在質量Ｍｉを算出し（Ｓ７）、各要素Ｅｉの溶融樹脂の必要質量ＮＭｉを算出し（Ｓ１０）、各要素Ｅｉの溶融樹脂の理想質量ＩＭｉを算出し（Ｓ１１）、各要素Ｅｉの実在質量Ｍｉと必要質量ＮＭｉとの偏差を理想質量ＩＭｉで除算して算出されたデフォーム指数ＤＩｉに基づいて、要素Ｅｉごとに成形不良を判定する（Ｓ１３）。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
射出成形により樹脂製品を製造する過程のシミュレーションを行い、樹脂製品における成形不良の発生を予測するシミュレーションシステムであって、
所定の製品形状に対し、所定の成形条件の下で射出された溶融樹脂の流動解析を行う流動解析実行手段と、
前記流動解析の結果に基づいて、充填された溶融樹脂の要素ごとの実在質量を算出する実在質量算出手段と、
前記流動解析の結果に基づいて、前記各要素の溶融樹脂の必要質量を算出する必要質量算出手段と、
前記各要素の溶融樹脂の理想質量を算出する理想質量算出手段と、
前記各要素の前記実在質量と前記必要質量との偏差を前記理想質量で除算して算出された指数に基づいて、前記要素ごとに成形不良を判定する成形不良判定手段と、を備えることを特徴とするシミュレーションシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シミュレーションシステムに関する。詳しくは、射出成形により製造される樹脂製品の成形不良を予測するシミュレーションシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車のバンパーやガーニッシュなどの樹脂製品は、製品形状のキャビティを有する金型を用意し、この金型内に熱可塑性樹脂を射出成形することにより形成される。より具体的には、この射出成形では、先ず、可動型を固定型に型締めして、これら可動型と固定型との間に製品形状のキャビティを形成する。次に、射出装置により所定の射出圧力で溶融樹脂を射出し、キャビティ内にこの溶融樹脂を充填する。また、溶融樹脂を充填する際には保圧がかけられる。その後、保圧をかけたまま溶融樹脂を冷却した後、型開きし、成形品を取り出す。
【０００３】
このような射出成形において、品質の高い成形品を製造するためには、金型の形状や、金型に射出する溶融樹脂の総量、流量、温度、及び圧力などの成形条件を適切に設定する必要がある。金型の形状や成形条件が適切でない場合には、成形品の表面に凹凸（以下、「デフォーム」という）が発生してしまう。
【０００４】
そこで近年では、このようなデフォームの発生を事前に検証するシミュレーションシステムが開発されている（特許文献１参照）。より具体的には、特許文献１に示されたシミュレーションシステムでは、ＣＡＥ解析により成形品に発生するデフォームの度合いを予測し、このデフォームの度合いが所定の値以内となるまで成形条件の再設定及びＣＡＤシステムによる金型の再設計を繰り返す。実際に金型の製作する前に、このようなシミュレーションシステムによりデフォームの発生を予測することにより、金型の製作にかかるコストや時間を削減することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−１３８３１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、特許文献１では、成形品の基準面からの凹凸量をデフォームの度合いとして定義し、さらにこのデフォームの度合いを、肉厚値、圧力積分値、流入温度、及び加圧時間などのＣＡＥ解析から得られた結果に基づいて算出する。しかしながら、このようにしてシミュレーションにより算出されたデフォームの度合いは、実際のデフォームを精度良く再現できるものではなかったため、より高い精度でデフォームの発生を予測できるものが望まれていた。
【０００７】
本発明は、成形不良の発生を高い精度で把握できるシミュレーションシステムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、射出成形により樹脂製品を製造する過程のシミュレーションを行い、樹脂製品における成形不良の発生を予測するシミュレーションシステム（例えば、後述のシミュレーションシステム１）を提供する。このシミュレーションシステムは、所定の製品形状に対し、所定の成形条件の下で射出された溶融樹脂の流動解析を行う流動解析実行手段（例えば、後述の演算装置３、及び後述のステップＳ４〜Ｓ８の実行に係る手段）と、前記流動解析の結果に基づいて、充填された溶融樹脂の要素（Ｅｉ）ごとの実在質量（Ｍｉ）を算出する実在質量算出手段（例えば、後述の演算装置３、及び後述のステップＳ７の実行に係る手段）と、前記流動解析の結果に基づいて、前記各要素の溶融樹脂の必要質量（ＮＭｉ）を算出する必要質量算出手段（例えば、後述の演算装置３、及び後述のステップＳ１０の実行に係る手段）と、前記各要素の溶融樹脂の理想質量（ＩＭｉ）を算出する理想質量算出手段（例えば、後述の演算装置３、及び後述のステップＳ１１の実行に係る手段）と、前記各要素の前記実在質量と前記必要質量との偏差を前記理想質量で除算して算出された指数（ＤＩｉ）に基づいて、前記要素ごとに成形不良を判定する成形不良判定手段（例えば、後述の演算装置３、及び後述のステップＳ１３の実行に係る手段）と、を備える。
【０００９】
この発明によれば、所定の成形条件の下で射出された溶融樹脂の流動解析を行い、この流動解析の結果に基づいて、充填された溶融樹脂の要素ごとの実在質量と、各要素の溶融樹脂の必要質量とを算出する。さらに、各要素の溶融樹脂の理想質量を算出するとともに、各要素の実在質量と必要質量との偏差を理想質量で除算することで指数を算出し、この指数に基づいて要素ごとの成形不良を判定する。このように、各要素における溶融樹脂の量に着目した指数に基づいて各要素の成形不良を判定することにより、成形不良の発生を高い精度で把握することができる。また、このようなシミュレーションを行い、成形不良が発生しないように金型の形状や成形条件を決定することにより、製品の品質を向上しながら、金型の作成にかかる時間及びコストを少なくすることができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明のシミュレーションシステムによれば、各要素における溶融樹脂の量に着目した指数に基づいて各要素の成形不良を判定することにより、成形不良の発生を高い精度で把握することができる。また、このようなシミュレーションを行い、成形不良が発生しないように金型の形状や成形条件を決定することにより、製品の品質を向上しながら、金型の作成にかかる時間及びコストを少なくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態に係るシミュレーションシステムの概略構成を示すブロック図である。
【図２】上記実施形態に係る金型形状データの具体的な例を示す図である。
【図３】実際の射出成形により樹脂製品を製造する具体的な手順を示す図である。
【図４】上記実施形態に係る射出成形シミュレーションにより成形品の成形不良を判定する手順を示すフローチャートである。
【図５】上記実施形態に係る三角形状の要素を示す図である。
【図６】上記実施形態に係るＰＶＴ曲線の構成を示す図である。
【図７】上記実施形態に係る射出成形シミュレーションの結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本実施形態に係るシミュレーションシステム１の概略構成を示すブロック図である。
【００１３】
シミュレーションシステム１は、作業者が各種データや指令を入力する入力装置２と、各種演算処理を実行する演算装置３と、画像を表示する表示装置６と、を含んで構成される。以下詳述するように、シミュレーションシステム１では、これらハードウェアの構成により、射出成形により樹脂製品を製造する過程のシミュレーションを行い、この樹脂製品における成形不良の発生を予測する。
【００１４】
入力装置２は、作業者が操作可能なキーボードやマウスなどのハードウェアで構成される。この入力装置２を操作することにより入力されたデータや指令は、演算装置３に入力される。
【００１５】
表示装置６は、画像を表示可能なＣＲＴや液晶ディスプレイなどのハードウェアで構成される。この表示装置６の表示部には、例えば、後述の射出成形シミュレーションの結果に関する画像などの演算装置３から出力された画像が表示される。
【００１６】
演算装置３は、ＲＡＭ、ＲＯＭ、及びハードディスクなどで構成された記憶装置４や、この記憶装置４に格納されたデータや入力装置２から入力されたデータに基づいて各種プログラムを実行する中央演算装置（ＣＰＵ）５を含んで構成される。
【００１７】
演算装置３の記憶装置４には、後述の射出成形シミュレーションの実行に係るシステムプログラムの他、金型形状データ、樹脂特性データ、並びに成形条件データなどのシミュレーションの実行において参照される各種データが格納されている。
【００１８】
金型形状データとは、射出成形に用いる金型の３次元形状データをいい、ＣＡＤシステムにより設計又は修正されたものが用いられる。
図２は、金型形状データの具体的な例を示す図である。本実施形態は、図２に示すような車両のバンパーＢを射出成形により製造する場合を例として説明する。
図２に示すように、金型形状データには、成形品の厚みや形状に関する３次元形状データの他、溶融樹脂が射出される複数のゲートＧ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４の位置に関する情報や、複数のランナーＲ１，Ｒ２，Ｒ３の位置に関する情報などが含まれる。
【００１９】
図１に戻って、成形条件データとは、射出成形を行う際における溶融樹脂や金型の状態に関するデータを含む。なお、この成形条件データの詳細な構成については後に詳述する。
【００２０】
樹脂特性データとは、射出成形に用いる樹脂の特性に関するデータをいう。より具体的には、この樹脂特性データには、樹脂の比熱、熱伝導率、固化温度、ヤング率、及びポアソン比などの樹脂の物性に関するデータの他、樹脂の圧力、比容積、及び温度を関連付けるＰＶＴ曲線（後述の図６参照）に関するデータが含まれる。
【００２１】
図３は、実際の射出成形により樹脂製品を製造する具体的な手順を示す図である。
図３に示すように、射出成形は、主に（ａ）充填工程と、（ｂ）保圧・冷却工程と、（ｃ）型引き工程との３つの工程で構成されている。
【００２２】
充填工程では、可動型９１を固定型９２に型締めして、これら可動型９１と固定型９２との間にキャビティＣを形成する。さらに、図示しない射出装置により、溶融樹脂を所定の成形条件の下でキャビティＣ内に充填する。ここで、溶融樹脂を充填する際には、キャビティＣ内の溶融樹脂に所定の圧力の保圧がかけられる。
【００２３】
保圧・冷却工程では、キャビティＣ内の溶融樹脂に保圧をかけたまま、この溶融樹脂を冷却する。これにより、溶融樹脂は次第に硬化するとともに、収縮する。
型引き工程では、溶融樹脂が硬化した後、型開きし、型内の成形品を取り出す。
【００２４】
以上のような射出成形の手順において、成形品にデフォームが発生する原因は、主として溶融樹脂の量が不足したことによるものと考えられる。つまり、上述のように充填工程では、後の保圧・冷却工程において溶融樹脂が収縮することを見越して、保圧をかけながら溶融樹脂を充填することによりキャビティＣの容積よりも多い量の溶融樹脂を充填する。しかしながら、ここで充填する溶融樹脂の量が必要な量よりも不足していた場合には、成形品は本来要求される厚みよりも収縮してしまい、結果としてデフォームが発生する。そこで、以下詳細に説明するように、本発明の射出成形シミュレーションでは、仮想的に設定された型内に充填された溶融樹脂の量に特に着目して、成形不良の判定を行う。
【００２５】
以下、本実施形態の射出成形シミュレーションについて詳細に説明する。
図４は、射出成形シミュレーションにより成形品の成形不良を判定する手順を示すフローチャートである。
【００２６】
ステップＳ１では、記憶装置から、金型形状データを読み込み、
ステップＳ２では、記憶装置から、樹脂特性データを読み込む。
【００２７】
ステップＳ３では、成形条件データを設定する。この成形条件データは、記憶装置に格納されたデータが用いられるか、又は入力装置により入力されたデータが用いられる。具体的には、この成形条件データには、キャビティ内に溶融樹脂を射出する際における溶融樹脂の射出温度、射出流量、及び射出圧力の他、金型の温度、保圧プロファイルなどの、後述の流動解析に必要なデータが含まれる。
【００２８】
次に、ステップＳ４〜Ｓ８では、入力された金型形状データ、樹脂特性データ、及び成形条件データに基づいて、仮想的に設定された型内に射出された溶融樹脂の流動解析を実行する。この流動解析では、上述の充填工程と、保圧・冷却工程における溶融樹脂の挙動及び状態変化を、時系列に沿って解析する。この流動解析の出力には、例えば、型内における溶融樹脂の質量分布、圧力分布、温度分布などが含まれている。以下、具体的な工程について説明する。
【００２９】
ステップＳ４では、上述のステップにおいて設定された成形条件の下で、溶融樹脂の射出を開始する。
ステップＳ５では、型内の全領域における溶融樹脂の圧力が所定の閾値を上回ったか否かを判別する。この閾値は、型内に十分な圧力で溶融樹脂が充填されたか否かを判定するために設定された閾値である。より具体的には、例えば、２０〜３０ＭＰａ程度の範囲内で板圧及び形状に応じて設定される。この判別がＹＥＳの場合には、溶融樹脂の充填が完了したとしてステップＳ６に移る。この判別がＮＯの場合には、型内で溶融樹脂が流動していると判定し、溶融樹脂の射出を継続する。
【００３０】
ステップＳ６では、ステップＳ５において溶融樹脂の充填が完了したと判定されたことに応じて溶融樹脂の射出を終了し、さらに型内の溶融樹脂の冷却を開始し、溶融樹脂の状態が変化する過程を解析する。
具体的には、型内の溶融樹脂を図５に示すような複数の三角形状の要素Ｅｉ（ｉ＝１，２，…）に分割し、要素Ｅｉごとの溶融樹脂の状態（樹脂温度Ｔｉ、樹脂質量Ｍｉ、樹脂圧力Ｐｉ）の時間変化を解析する。
【００３１】
ステップＳ７では、各要素Ｅｉに対し、圧力Ｐｉが「０」になった時点における樹脂温度Ｔｉ及び樹脂質量Ｍｉを記録する。なお、この圧力Ｐｉが「０」になった時刻を固化時刻ｔｉとする。また、この固化時刻ｔｉにおける樹脂質量Ｍｉを、以下では実在質量Ｍｉという。
【００３２】
ステップＳ８では、全要素Ｅｉ（ｉ＝１，２，…）の圧力Ｐｉが「０」になったか否か、すなわち全要素Ｅｉに対する樹脂温度Ｔｉ、実在質量Ｍｉ、及び固化時刻ｔｉの記録が完了したか否かを判別する。この判別がＹＥＳの場合にはステップＳ９に移り、ＮＯの場合にはステップＳ７に移る。
【００３３】
ステップＳ９では、各要素Ｅｉの要素体積Ｖｉと、各要素Ｅｉの温度Ｔｉにおける比容積ＳＶｉ、及び常用温度（例えば、２５℃）すなわち溶融樹脂の固化後における比容積ＳＶ０ｉを算出する。
具体的には、各要素Ｅｉの要素体積Ｖｉは、図５に示すように、三角形状の各要素Ｅｉの表面積Ｓｉに厚みＷｉを乗算することにより算出される。
また、温度Ｔｉにおける比容積ＳＶｉ及び固化後の比容積ＳＶ０ｉは、それぞれ、図６に示すような、溶融樹脂の圧力、比容積、及び温度を関連付けるＰＶＴ曲線に基づいて算出される。
【００３４】
ステップＳ１０では、各要素Ｅｉの溶融樹脂の必要樹脂質量ＮＭｉを算出する。この必要樹脂質量ＮＭｉは、要素Ｅｉに時刻ｔｉにおける状態の溶融樹脂を充填した場合における要素Ｅｉの質量を示す物理量であり、下記式（１）に示すように、要素体積Ｖｉを比容積ＳＶｉで除算することにより算出される。
必要質量ＮＭｉ＝要素体積Ｖｉ／比容積ＳＶｉ      （１）
【００３５】
ステップＳ１１では、各要素Ｅｉの溶融樹脂の固化後の理想樹脂質量ＩＭｉを算出する。この理想樹脂質量ＩＭｉは、溶融樹脂の固化後における要素Ｅｉの樹脂の質量を示す物理量であり、下記式（２）に示すように、要素体積Ｖｉを、溶融樹脂の固化後の比容積ＳＶ０ｉで除算することにより算出される。
理想樹脂質量ＩＭｉ＝要素体積Ｖｉ／比容積ＳＶ０ｉ      （２）
【００３６】
ステップＳ１２では、下記式（３）に示すように、実在樹脂質量Ｍｉから必要樹脂質量ＮＭｉを減算したものを、理想樹脂質量ＩＭｉで除算することにより、各要素Ｅｉにおけるデフォームの度合いを示すデフォーム指数ＤＩｉを算出する。
デフォーム指数ＤＩｉ＝（実在樹脂質量Ｍｉ−必要樹脂質量ＮＭｉ）
／理想樹脂質量ＩＭｉ      （３）
【００３７】
上記式（３）において、デフォーム指数ＤＩｉの分子は、射出成形を行った結果、充填された樹脂の過不足量を示す。したがって、必要樹脂質量ＮＭｉに対し実在樹脂質量Ｍｉが足りない場合には、このデフォーム指数ＤＩｉは負の値となる。このため、デフォームの度合いが大きいほど、デフォーム指数ＤＩｉは小さな値になる。また、固化後の樹脂量の理論値を示す理想樹脂質量ＩＭｉで除算することにより、デフォーム指数ＤＩｉを、各要素の樹脂の過不足度合いを示す無次元の指数として定義することができる。
【００３８】
ステップＳ１３では、デフォーム指数ＤＩｉに基づいて、要素Ｅｉごとに成形不良を判定する。より具体的には、デフォーム指数ＤＩｉと所定の判定閾値ＴＨとを比較し、デフォーム指数ＤＩｉが判定閾値ＴＨよりも小さい場合には、この要素Ｅｉにデフォームが発生した、すなわち成形不良が発生したと判定する。
【００３９】
ここで、成形不良が判定された場合、すなわち、デフォーム指数が判定閾値ＴＨよりも小さいと判定された要素が存在する場合、基本的には、全要素においてデフォーム指数が判定閾値ＴＨを上回るまで、成形条件データ及び金型形状データの修正と上述のステップＳ１〜Ｓ１３の実行とを繰り返す。
【００４０】
図７は、以上のような射出成形シミュレーションの結果を示す図である。
縦軸はシミュレーションの結果により算出された各要素のデフォーム指数を示し、横軸は各要素の実際のデフォーム量を示す。
【００４１】
この図に示すように、シミュレーションにより算出されたデフォーム指数と実際のデフォーム量とは明らかに相関がある。すなわち、デフォーム指数が小さくなるに従い、デフォーム量は大きくなる。したがって、デフォーム指数を用いてデフォームの発生を判定することの有効性が確認された。
また、上述のデフォーム指数に対する判定閾値ＴＨは、以上のようなデフォーム指数と実際のデフォーム量との相関関係を導いた後、実際のデフォーム量が所望の値より小さくなるように設定される。
【００４２】
本実施形態によれば、所定の成形条件の下で射出された溶融樹脂の流動解析を行い、この流動解析の結果に基づいて、仮想的に設定された型内に充填された溶融樹脂の要素Ｅｉごとの実在樹脂質量Ｍｉと、各要素Ｅｉの溶融樹脂の必要樹脂質量ＮＭｉとを算出する。さらに、各要素Ｅｉの溶融樹脂の理想樹脂質量ＩＭｉを算出するとともに、各要素Ｅｉの実在樹脂質量Ｍｉと必要樹脂質量ＮＭｉとの偏差を理想樹脂質量ＩＭｉで除算することでデフォーム指数ＤＩｉを算出し、このデフォーム指数ＤＩｉに基づいて要素Ｅｉごとの成形不良を判定する。このように、各要素Ｅｉにおける溶融樹脂の量に着目したデフォーム指数ＤＩｉに基づいて各要素Ｅｉの成形不良を判定することにより、成形不良の発生を高い精度で把握することができる。また、このようなシミュレーションを行い、成形不良が発生しないように金型の形状や成形条件を決定することにより、製品の品質を向上しながら、金型の作成にかかる時間及びコストを少なくすることができる。
【００４３】
上述のように、本実施形態のシミュレーションシステムは、基礎となる成形条件データ及び金型形状データを準備し、上述のステップＳ１〜Ｓ１３の射出成形シミュレーションの実行と、成形条件データ及び金型形状データの修正とを複数回繰り返すことにより、最終的に成形不良の無い成形条件及び金型形状を決定することができる。つまり、本実施形態のシミュレーションシステムは、実際の金型の試作及び試作した金型を用いた製品の試作を行うことなく成形不良の無い成形条件及び金型形状を決定できるものである。しかしながら、本実施形態のシミュレーションシステムと、実際の金型及び製品の試作とを組み合わせて用いることにより、成形不良の無い成形条件及び金型形状をより効率的に決定することができる場合もある。
【００４４】
この場合、一度、射出成形シミュレーションを実行し、その判定結果に基づいて成形条件データ及び金型形状データを修正する際に、上記金型及び製品の試作の結果を反映させることが好ましい。より具体的には、先ず、射出成形シミュレーションの判定結果に基づいて、金型を試作し、さらにこの金型で製品を試作する。そして、試作品における各要素の板厚を測定し、この測定値に基づいて成形条件データ及び金型形状データの修正を行う。以上のようにしてデータの修正に、実際の試作品の情報を反映させることにより、より効率的、すなわち短時間で成形不良の無い成形条件及び金型形状を決定することができる。
【００４５】
なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良などは本発明に含まれるものである。
【符号の説明】
【００４６】
１…シミュレーションシステム
２…入力装置
３…演算装置
４…記憶装置
５…中央演算装置
６…表示装置
【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】
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