(57)【要約】      （修正有）【課題】射出成形機から金型内に射出され溶融した結晶性樹脂の挙動をシミュレーションする方法の提供。【解決手段】溶融した結晶性樹脂の物性情報や射出成形機・金型の境界条件を設定する第１工程Ｓ１と、時間情報を所定時間幅（Δｔ）インクリメントする第２工程Ｓ２と、Ｓ２でインクリメントされた時刻での結晶性樹脂の圧力を算出する第３工程Ｓ３と、金型内である時刻の結晶性樹脂の先端の位置を算出する第４工程Ｓ４と、ある時刻での結晶性樹脂の温度を算出する第５工程Ｓ５と、ある時刻での結晶性樹脂のせん断粘度を算出する第６工程Ｓ６と、を含み、Ｓ２〜Ｓ６を順番に繰り返して、溶融した結晶性樹脂の挙動をシミュレーションする方法であり、Ｓ６の後に、結晶化過程に伴う結晶性樹脂の冷却速度を算出して、物性情報を修正する第７工程Ｓ７を含み、Ｓ７の後に行うＳ３やＳ５により、Ｓ７によって修正された物性情報に基づいて圧力や温度を算出する。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶融した結晶性樹脂の物性情報や射出成形機及び金型の境界条件を設定する第１工程と、
時間情報（ｔn）を所定時間幅（Δｔ）インクリメントする第２工程と、
上記第２工程でインクリメントされた時刻（ｔn+1＝ｔn＋Δｔ）での上記結晶性樹脂の圧力を算出する第３工程と、
上記金型内で上記時刻（ｔn+1＝ｔn＋Δｔ）での上記結晶性樹脂の先端の位置を算出する第４工程と、
上記時刻（ｔn+1＝ｔn＋Δｔ）での上記結晶性樹脂の温度を算出する第５工程と、
上記時刻（ｔn+1＝ｔn＋Δｔ）での上記結晶性樹脂のせん断粘度を算出する第６工程と、を含み、
上記第２工程〜上記第６工程を順番に繰り返して、
上記射出成形機から上記金型内に射出され溶融した結晶性樹脂の挙動をシミュレーションする方法であって、
上記第６工程の後に、上記結晶性樹脂の結晶化過程に伴う上記結晶性樹脂の冷却速度を算出すると共に算出した冷却速度に基づいて前記物性情報を修正する第７工程を含み、
上記第７工程の後に行う前記第３工程や前記第５工程により、上記第７工程によって修正された物性情報に基づいて圧力や温度を算出することを特徴とする、結晶性樹脂の射出成形シミュレーション方法。
【請求項２】
前記第７工程が、比熱の冷却速度依存関数と前記冷却速度とから比熱を求め、前記第１工程で設定した前記物性情報としての比熱を上記第７工程で求めた比熱に修正することを特徴とする、請求項１に記載の射出成形シミュレーション方法。
【請求項３】
前記第７工程が、それより前に行った第７工程で設定した比熱を、冷却速度依存関数と前記冷却速度とから求めた比熱に修正することを特徴とする、請求項２に記載の射出成形シミュレーション方法。
【請求項４】
前記第７工程が、前記冷却速度と圧力と温度から非定常ＰＶＴ特性を求め、前記第１工程で設定した前記物性情報としての定常ＰＶＴ特性を上記第７工程で求めた非定常ＰＶＴに修正することを特徴とする、請求項１又は２に記載の射出成形シミュレーション方法。
【請求項５】
前記第７工程が、それより前に行った第７工程で設定した非定常ＰＶＴ特性を、前記冷却速度と圧力と温度から求めた非定常ＰＶＴに修正することを特徴とする、請求項４に記載の射出成形シミュレーション方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、射出成形機から金型内に射出された溶融樹脂、即ち溶融した結晶性樹脂の挙動をシミュレーションする方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の射出成形シミュレーション方法において、結晶性樹脂の成形現象を予測し計算結果に精度を求めるには、樹脂の結晶化挙動を予測しなければならない。
そこで、従来の射出成形シミュレーション方法では、特許文献１の図１に示すように、成形時の核生成速度、核成長速度の計算とＡｖｒａｍｉの式を用いた相対結晶化度や結晶球晶サイズ計算、さらに到達結晶化度を用いた結晶化度経時変化を計算することによって、射出成形シミュレーションの計算精度を高めている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−１３８３１２号公報（図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１のような従来の射出成形シミュレーション方法では、例えば時刻Ｔに核の数がＮ個あったとすると、時刻Ｔから所定の時間幅ΔＴ経過した時刻（Ｔ＋ΔＴ）においては、既に生成されているＮ個の核に関して核成長の計算を行うことが必要であり、さらに新たに生成される核の数を計算すると共にそれらの成長の計算も行わなければならない。このように、不均一に発生する無数の核の計算を例えば時間幅ΔＴを経過する毎に行わなければならない。また、特許文献１の方法では、時刻（Ｔ＋ΔＴ）で計算を行う際に、前の段階、即ち時刻Ｔでの計算結果を継承しなければならない。
このように、特許文献１の技術は、射出成形中に無数に生成される結晶核の数や、結晶核それぞれの結晶核成長速度から成形品全ての結晶化度を予測することから射出成形シミュレーションの計算精度を高めることができるが、全ての結晶核に関する計算結果を所定時間毎に保持し、この保持した計算結果を次の時間幅ΔＴを経過したタイミングでの計算に継承させるため、大容量の記憶装置が必要になり、また膨大な計算を行わなければならない。したがって、計算結果を短時間で確認することはできないため、実用的ではない。
【０００５】
本発明は、上記の課題に鑑み、射出成形機から金型内に射出された溶融した結晶性樹脂の挙動を簡便にシミュレーションすることができる、結晶性樹脂の射出成形シミュレーション方法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】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明は、溶融した結晶性樹脂の物性情報や射出成形機及び金型の境界条件を設定する第１工程と、時間情報（ｔn）を所定時間幅（Δｔ）インクリメントする第２工程と、第２工程でインクリメントされた時刻（ｔn+1＝ｔn＋Δｔ）での結晶性樹脂の圧力を算出する第３工程と、金型内で上記時刻（ｔn+1＝ｔn＋Δｔ）での結晶性樹脂の先端の位置を算出する第４工程と、上記時刻（ｔn+1＝ｔn＋Δｔ）での結晶性樹脂の温度を算出する第５工程と、上記時刻（ｔn+1＝ｔn＋Δｔ）での結晶性樹脂のせん断粘度を算出する第６工程と、を含み、第２工程〜第６工程を順番に繰り返して、射出成形機から金型内に射出された溶融した結晶性樹脂の挙動をシミュレーションする方法であって、第６工程の後に、結晶性樹脂の結晶化過程に伴う結晶性樹脂の冷却速度を算出すると共に算出した冷却速度に基づいて物性情報を修正する第７工程を含み、第７工程の後に行う第３工程及び第５工程で、当該第７工程によって修正された物性情報に基づいて上記圧力や上記温度を算出することを特徴とする。
【０００７】
本発明の結晶性樹脂の射出成形シミュレーション方法において、第７工程は、比熱の冷却速度依存関数と前記冷却速度とから比熱を求め、第１工程で設定した物性情報としての比熱を第７工程で求めた比熱に修正する。さらに、第７工程は、それより前に行った第７工程で設定した比熱を、冷却速度依存関数と冷却速度とから求めた比熱に修正する。
【０００８】
本発明の結晶性樹脂の射出成形シミュレーション方法において、第７工程は、冷却速度と圧力と温度から非定常ＰＶＴ特性を求め、第１工程で設定した物性情報としての定常ＰＶＴ特性を第７工程で求めた非定常ＰＶＴに修正する。第７工程は、それより前に行った第７工程で設定した非定常ＰＶＴ特性を、冷却速度と圧力と温度から求めた非定常ＰＶＴに修正する。
ここで、定常ＰＶＴ特性とは第１工程で設定したＰＶＴ特性を言い、非定常ＰＶＴ特性とは、第１工程で設定した状況とは異なる環境、即ち圧力と温度が変化した状態で得られるＰＶＴ特性、或いは前の処理時間で取得した非定常ＰＶＴ特性を設定した状況とは異なる環境、即ち圧力と温度が変化した状態で得られるＰＶＴ特性を言う。なお、ＰＶＴ特性とは、熱可塑性樹脂の固相から溶融相にいたる広い温度領域での圧力Ｐ，比容（積）Ｖ，温度Ｔの相互関係を表す特性であり樹脂の圧縮性を表す。
【発明の効果】
【０００９】
本発明では、結晶性樹脂の挙動をマクロに捉え、有限要素法における要素ごとに結晶性樹脂の挙動を物性変化として取り扱うことで、計算規模と計算に伴う記憶装置に保存させる計算結果情報の量を大幅に少なくする。
したがって本発明によれば、射出成形シミュレーションを実用的な計算時間で高精度に予測が可能となる。これにより面歪や内部ウェルドの予測精度も向上することが期待できる。また、成形品の収縮率分布も予測精度が向上する結果、これを入力データとして計算するそり変形計算の精度も向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態に係る射出成形シミュレーション方法のための示差走査熱量測定法による結果を示すグラフである。
【図２】本発明の実施形態に係る射出成形シミュレーション方法における比熱の冷却度依存を示すグラフである。
【図３】本発明の実施形態に係る射出成形シミュレーション方法における結晶化の開始温度，結晶化のピーク温度，結晶化の終了温度の冷却度依存を示すグラフである。
【図４】本発明の実施形態に係る射出成形シミュレーション方法のための非定常ＰＶＴ特性を示すグラフである。
【図５】本発明の実施形態に係る射出成形シミュレーション方法のための非定常ＰＶＴ特性を示すグラフである。
【図６】本発明の実施形態に係る射出成形シミュレーション方法のフローチャートである。
【図７】本発明の実施形態に係る射出成形シミュレーション方法のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
〔概要〕
本発明では、樹脂の粘度，ＰＶＴ特性，比熱，熱伝導率等の物性値（以下、物性情報と言う場合もある。）、要素分割の対象となる射出成形に用いられる金型，射出成型機，製品の形状，射出成形条件等の境界条件、連続の式、運動方程式、エネルギ方程式等を用いて樹脂の流れ込みの解析を行う充填解析、即ち温度、圧力、せん断粘度、比容積等の樹脂特性の算出を行う点では、従来の射出成形シミュレーション方法と同様であるが、ある時刻で上記の樹脂特性を算出する際に、比熱、ＰＶＴ特性等の物性情報を前提にシミュレーションし、次の段階で、即ち時刻ｔ１から所定の時間幅Δｔ経過した時刻ｔ２（＝ｔ１＋Δｔ）で樹脂の挙動をシミュレーションする際には、物性情報としての比熱とＰＶＴ特性を修正して樹脂特性を算出することを特徴としている。
特に、本発明では、結晶性樹脂の挙動をマクロに捉え、有限要素法における要素ごとに結晶性樹脂の挙動を物性変化として取り扱う。例えば、ある時刻ｔ１で要素ｅにおける結晶性樹脂の温度がａ１であり、時刻ｔ１から所定時間幅Δｔ経過した時刻ｔ２（＝ｔ１＋Δｔ）での要素ｅにおける結晶性樹脂の温度がａ２に下がったとすると、要素ｅにおける冷却速度ｖの大きさは｜ｖ｜＝｜（ａ２−ａ１）／Δｔ｜となる。そして、この冷却速度と事前に実験データから得られた冷却速度の関数とから比熱とＰＶＴ特性を求め、さらに所定時間幅Δｔが経過した時刻ｔ３（＝ｔ１＋２Δｔ）で樹脂特性を求める際に上記時刻ｔ２でのシミュレーションで得た比熱とＰＶＴ特性を用いて計算を行う。
このように、本発明では、所定時間幅Δｔが経過する度に樹脂特性を算出する際、比熱やＰＶＴ特性の物性情報を修正した適正な物性情報を利用することができる。
【００１２】
以下、図面に基づいて、本発明の実施形態を説明する。
〔実験結果から得た関数について〕
１．比熱変化の冷却速度に依存した関数
示差走査熱量測定法による結果（以下、ＤＳＣ測定結果と言う）、図１に示すように、冷却速度２［℃／ｍｉｎ］，５［℃／ｍｉｎ］，１０［℃／ｍｉｎ］，２０［℃／ｍｉｎ］，３０［℃／ｍｉｎ］，５０［℃／ｍｉｎ］ごとに、各要素における結晶樹脂温度［℃］と比熱との関係を表すグラフＧ１〜Ｇ６を得た。ここで、Ｇ１は冷却速度２［℃／ｍｉｎ］のグラフで、Ｇ２は冷却速度５［℃／ｍｉｎ］のグラフ、Ｇ３は冷却速度１０［℃／ｍｉｎ］のグラフ、Ｇ４は冷却速度２０［℃／ｍｉｎ］のグラフ、Ｇ５は冷却速度３０［℃／ｍｉｎ］のグラフ、Ｇ６は冷却速度５０［℃／ｍｉｎ］のグラフである。
そして、これらのグラフＧ１〜Ｇ６の各ピーク値から、図２に示すように関数Ｆ１を得た。また、グラフＧ１〜Ｇ６からは図３に示す関数Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４を得た。
本実施形態では、この図２の関数Ｆ１を比熱の冷却速度依存関数Ｆ１とし、また図３の関数Ｆ２〜Ｆ４を結晶化の開始温度，結晶化のピーク温度，結晶化の終了温度の冷却速度依存関数として利用する。
【００１３】
２．比容積変化の冷却速度に依存した関数
本実施形態では、上記図１に示すＤＳＣ測定結果と冷却速度と圧力と温度から得られる非定常ＰＶＴ特性（図４）を利用することを特徴としている。このようにして算出した複数の非定常ＰＶＴ特性、例えば図５に示す複数の非定常ＰＶＴデータから、冷却速度依存の物性変化を関数化する。なお、図５では、説明の便宜上３つの非定常ＰＶＴのグラフを表している。
具体的には、図５の二点鎖線の円Ａで囲んだ低温側の非定常ＰＶＴ方程式の近似式は下記Ｔａｉｔ式（１）、（２）として表すことができる。
【数１】
2010214906.tif 000003
ここで、Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４，Ａ５，Ａ６，Ａ７は、冷却速度（Ｆ）の関数であり、Ｐは圧力、Ｔは温度である。
【数２】
2010214906.tif 000004
この式（２）は図５の二点鎖線の直線Ｌを区分線方程式として表したものである。ここで、Ｃ２を、ＤＳＣ測定結果を元に冷却速度（Ｆ）の関数（以下の式（３））にする。Ｔｃは結晶化温度である。
【数３】
2010214906.tif 000005
なお、Ｃ１，Ｄ１，Ｄ２は定数である。
本実施形態では、これらの式（１）〜（３）の各種定数を樹脂データベース（図示を省略する記憶装置に保存されたデータベース）に入力・保管し、プログラム（射出成形シミュレーション）実行開始時に樹脂データベースから非定常ＰＶＴの各種パラメータを読み込むと共に、冷却速度を求めて上記式（１），（３）に入れることで、シミュレーション処理で利用する非定常ＰＶＴ特性が求まることを特徴としている。
【００１４】
〔実施形態に係るシミュレーション方法について〕
本発明の実施形態に係る射出成形シミュレーション方法は、コンピュータが実行するソフトウェアによって実現される。
射出成形シミュレーション方法は、図６に示すように、第１工程Ｓ１〜第９工程Ｓ９を含む。
第１工程Ｓ１では、樹脂の粘度，ＰＶＴ特性，比熱，熱伝導率等の物性情報、金型，製品の形状，射出成形条件等の境界条件を設定する。具体的には、金型や成形品のＣＡＤデータをコンピュータに読み込むと共に、シミュレーションの条件である結晶性樹脂の物性値や射出成形機の作動に伴う樹脂を金型に送り込む流量等の境界条件を設定する。
第２工程Ｓ２では、時間情報（ｔn：ｎ＝０，１，２，３，４，５，・・・）を所定時間幅（Δｔ）でインクリメントする。
第３工程Ｓ３では、第２工程Ｓ２でインクリメントされた時刻（ｔn+1＝ｔn＋Δｔ）での結晶性樹脂の圧力を算出する。ここでは、第１工程Ｓ１で設定された物性情報と予め設定されている運動方程式とに基づいて、結晶性樹脂に作用する圧力が算出される。なお、各要素それぞれの圧力が算出される。
第４工程Ｓ４では金型内でインクリメントされた時刻（ｔn+1＝ｔn＋Δｔ）での結晶性樹脂の先端の位置を算出する。
第５工程Ｓ５では上記時刻（ｔn+1＝ｔn＋Δｔ）での結晶性樹脂が金型によって冷やされた温度を算出する。ここでは、第１工程Ｓ１で設定された物性情報と、予め設定されているエネルギ方程式と基づいて、結晶性樹脂の温度が算出される。なお、各要素それぞれの温度が算出される。
第６工程Ｓ６では、第３工程Ｓ３で算出された圧力や第５工程Ｓ５で算出された温度及びその他の物性情報に基づいて、結晶性樹脂のせん断粘度を算出する。
これらの第３工程Ｓ３〜第６工程Ｓ６における計算は、パラメータを微少変位ずつ変化させて繰り返し行われる。
さらに、第８工程Ｓ８では、繰り返し行われる第３工程Ｓ３〜第６工程Ｓ６における計算が収束したか判断する。すなわち、第３工程Ｓ３〜第６工程Ｓ６における計算が、１回前（時間的に１回前ではない）の計算の圧力，温度が新たに計算した値と比較して十分に収束しているか判断される。ここで、新たな計算値が前回に計算した値に対して十分に収束していれば、流動場と温度場の双方を満足する時刻ｔn+1の結果が得られたことになる。
第８工程Ｓ８で収束が確認できた場合には、第９工程Ｓ９で、時間情報が終了タイミングｔendに至ったか判断する。なお、ｔendとは、ソフトウェア自体が射出成形が終了したと判断したタイミングであり、第９工程Ｓ９では、時刻が終了タイミングｔendであるか判断する。
これらの第１工程Ｓ１〜第６工程Ｓ６、第８工程Ｓ８及び第９工程Ｓ９は、従来の射出成形シミュレーション方法における工程と同様である。
【００１５】
本発明の実施形態に係る射出成形シミュレーションでは、第６工程Ｓ６と第８工程Ｓ８との間に、第７工程Ｓ７を備えていることを特徴としている。
この第７工程Ｓ７は、結晶性樹脂の結晶化過程に伴う物性情報を算出し、この物性情報に基づいて第１工程Ｓ１で設定した物性情報を修正する。
具体的には、第７工程Ｓ７は、図７に示すように、各層・要素の冷却速度計算工程Ｓ７０１と、冷却速度に依存した比熱を計算する工程（以下、比熱計算工程と呼ぶ。）Ｓ７０２と、冷却速度に依存した非定常ＰＶＴを計算する工程（以下、非定常ＰＶＴ計算工程と呼ぶ。）Ｓ７０３と、を含んでいる。冷却速度計算工程Ｓ７０１では、物性情報として時刻（ｔn+1＝ｔn＋Δｔ）での結晶性樹脂の冷却速度｜ｖ｜を有限要素モデルにおける各層の要素毎に算出する。
比熱計算工程Ｓ７０２では、予め実験結果から作成しておいた比熱変化の冷却速度依存関数Ｆ１から比熱を求める。例えば、冷却速度がｖ１である場合、図２の冷却速度依存関数Ｆ１から比熱Ｑ１を得る。このようにして、求めた比熱をメモリ等の記憶手段で保持する。
【００１６】
さらに、非定常ＰＶＴ計算工程Ｓ７０３では、予め作成しておいた前述のＴａｉｔ式、冷却速度に依存した非定常ＰＶＴの方程式（１）、（３）に冷却速度計算工程Ｓ７０１で求めた冷却速度を入れることで、非定常ＰＶＴの特性を得ることができる。このようにして求めた非定常ＰＶＴ特性をメモリ等の記憶手段で保持する。
【００１７】
前述の第一工程で設定した物性情報としての比熱及び定常のＰＶＴ特性が比熱計算工程Ｓ７０２と非定常ＰＶＴ計算工程Ｓ７０３で得た比熱及び非定常ＰＶＴ特性に代えられる。そして、さらに所定時間幅Δｔが経過した時刻での樹脂特性の算定には、このように修正された比熱及び比容積が利用される。本実施形態では、このように前のステップで利用した比熱及びＰＶＴ特性（定常ＰＶＴ特性或いは非定常ＰＶＴ特性）を樹脂の挙動動作に応じて求まる冷却速度に基づいて修正し、そのステップ毎に適切な物性情報を設定してシミュレーションを行う。
【００１８】
以上の射出成形シミュレーション方法は、コンピュータとソフトウェアとの協働により実現される。このコンピュータは、前もってインストールされたソフトウェアを実行することで、上記の第１工程Ｓ１〜第９工程Ｓ９における各処理を行う。このコンピュータは、従来公知の構成のものを使用することができ、ＲＡＭ，ＲＯＭ，ハードディスクなどの記憶装置と、キーボード，ポインティング・デバイスなどの操作装置と、操作装置等からの指示により記憶装置に格納されたデータやソフトウェアを処理する中央演算処理装置（ＣＰＵ）と，処理結果等を表示するディスプレイなどを備えている。このコンピュータは汎用の装置であっても、専用の装置として構成されたものであってもよい。
【００１９】
以上のように、本発明の実施形態に係る射出成形シミュレーション方法はソフトウェアを実行するコンピュータにより実現される。
コンピュータはソフトウェアを実行して、操作者が設定した物性情報や境界条件（第１工程Ｓ１）に基づいて、時刻情報を更新（第２工程Ｓ２）して所定の運動方程式や所定のエネルギ方程式を利用して圧力，温度，せん断粘度等の樹脂特性を算出する（第３工程Ｓ３〜第６工程Ｓ６）。さらに、次の処理時刻で樹脂特性を算出する際に利用する物性情報を算出する（第７工程）。
これらの工程が第９工程Ｓ９において処理を終了すべきと判断されるまで繰り返される。
【００２０】
このように本実施形態では、各時刻で温度，圧力，せん断粘度等の樹脂特性の算出を行うと共に、次の計算時刻で利用する物性情報の修正を行いつつ、シミュレーションを進行させる。特に、本実施形態では、樹脂の結晶化挙動を物性の冷却速度依存性として取り扱うことで、計算規模を少なくすると共に記憶容量を小さくすることができる。よって、本実施形態の射出成形シミュレーション方法では、実用的な計算時間で高精度の計算が可能となる。これにより、面歪や内部ウェルドの予測精度も向上すると考えられる。また、成形品の収縮率分布も予測精度が向上し、これを入力データとして計算するそり変形計算の精度も向上する。
【００２１】
本発明は、発明の趣旨を逸脱しない範囲において様々な形態で実施をすることができる。
上記説明では、射出成形シミュレーション方法を、充填解析の場合を前提に説明したが、保圧過程における解析にも利用できることは勿論である。
【符号の説明】
【００２２】
Ｇ１〜Ｇ６  グラフ
Ｆ１〜Ｆ４  関数
Ｓ１〜Ｓ９  第１工程〜第９工程
Ｓ７０１  冷却速度計算工程
Ｓ７０２  比熱計算工程
Ｓ７０３  非定常ＰＶＴ計算工程
【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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