(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
押出ダイとコアとの間のギャップを通して溶融樹脂を押し出してパリソンを形成するときの溶融樹脂の形状変化をシミュレートする第一のステップと、
押し出されたパリソンに対する金型の型締めおよびパリソン内への圧縮空気の吹き込みによる溶融樹脂の形状変化をシミュレートする第二のステップと、
金型内で溶融樹脂が固化して得られた成形品を高温状態で金型から取り出した後にその成形品に冷却により生じる熱変形をシミュレートする第三のステップと、
前記第一ないし前記第三のステップのシミュレーション結果から、所望の形状の成形品が得られるような金型の形状を決定する第四のステップと
を含み、
前記第一のステップは、押出ダイとコアの間のギャップの形状および樹脂物性のパラメタを与えてパリソン形状およびパリソンの肉厚分布を求めるステップを含み、
前記第二のステップは、パリソンに対する型締めおよび吹込みによる変形予測を行って、金型のキャビティに沿った形状となった状態の肉厚分布を求めるステップを含み、
前記第三のステップは、求められた肉厚分布に対する収縮予測を行うステップを含み、
前記第四のステップは、この収縮予測の結果から、所望の形状の成形品が得られるような金型形状を求めるステップを含む
金型の設計方法において、
前記パリソン形状およびパリソンの肉厚分布を求めるステップは、
押出ダイとコアの間のギャップを通過する溶融樹脂の流れを非線形粘弾性流体の発達流れ方程式で演算するステップと、
ギャップを通過したときに溶融樹脂が持つ歪みを与えてそのギャップを通過した後の溶融樹脂の挙動を伸長弾性回復方程式で演算するステップと
を含む
ことを特徴とする金型の設計方法。
【請求項２】
押出ダイとコアとの間のギャップを通して溶融樹脂を押し出してパリソンを形成するときの溶融樹脂の形状変化をシミュレートする第一のステップと、
押し出されたパリソンに対する金型の型締めおよびパリソン内への圧縮空気の吹き込みによる溶融樹脂の形状変化をシミュレートする第二のステップと、
金型内で溶融樹脂が固化して得られた成形品を高温状態で金型から取り出した後にその成形品に冷却により生じる熱変形をシミュレートする第三のステップと、
前記第一ないし前記第三のステップのシミュレーション結果から、所望の形状の成形品が得られるような押出ダイおよびコアの形状を決定する第四のステップと
を含み、
前記第一のステップは、押出ダイとコアの間のギャップの形状および樹脂物性のパラメタを与えてパリソン形状およびパリソンの肉厚分布を求めるステップを含み、
前記第二のステップは、パリソンに対する型締めおよび吹込みによる変形予測を行って、金型のキャビティに沿った形状となった状態の肉厚分布を求めるステップを含み、
前記第四のステップは、前記金型のキャビティに沿った形状となった状態の肉厚分布を評価し、その評価に基づいて最適な肉厚分布となるような押出ダイおよびコアの形状を求めるステップを含む
押出ダイおよびコアの設計方法において、
前記パリソン形状およびパリソンの肉厚分布を求めるステップは、
押出ダイとコアの間のギャップを通過する溶融樹脂の流れを非線形粘弾性流体の発達流れ方程式で演算するステップと、
ギャップを通過したときに溶融樹脂が持つ歪みを与えてそのギャップを通過した後の溶融樹脂の挙動を伸長弾性回復方程式で演算するステップと
を含む
ことを特徴とする押出ダイおよびコアの設計方法。
【請求項３】
押出ダイとコアとの間のギャップを通して溶融樹脂を押し出してパリソンを形成するときの溶融樹脂の形状変化をシミュレートする第一の手段と、
押し出されたパリソンに対する金型の型締めおよびパリソン内への圧縮空気の吹き込みによる溶融樹脂の形状変化をシミュレートする第二の手段と、
金型内で溶融樹脂が固化して得られた成形品を高温状態で金型から取り出した後にその成形品に冷却により生じる熱変形をシミュレートする第三の手段と、
前記第一ないし前記第三の手段のシミュレーション結果から、所望の形状の成形品が得られるような金型、押出ダイおよびコアの形状を決定する第四の手段と
を備え、
前記第一の手段は、押出ダイとコアの間のギャップの形状および樹脂物性のパラメタを与えてパリソン形状およびパリソンの肉厚分布を求める手段を含み、
前記第二の手段は、パリソンに対する型締めおよび吹込みによる変形予測を行って、金型のキャビティに沿った形状となった状態の肉厚分布を求める手段を含み、
前記第三の手段は、求められた肉厚分布に対する収縮予測を行う手段を含み、
前記第四の手段は、この収縮予測の結果から、所望の形状の成形品が得られるような金型形状を求める手段を含む
金型の設計方法において、
前記パリソン形状およびパリソンの肉厚分布を求める手段は、
押出ダイとコアの間のギャップを通過する溶融樹脂の流れを非線形粘弾性流体の発達流れ方程式で演算する手段と、
ギャップを通過したときに溶融樹脂が持つ歪みを与えてそのギャップを通過した後の溶融樹脂の挙動を伸長弾性回復方程式で演算する手段と
を含む
ことを特徴とする金型の設計装置。
【請求項４】
押出ダイとコアとの間のギャップを通して溶融樹脂を押し出してパリソンを形成するときの溶融樹脂の形状変化をシミュレートする第一の手段と、
押し出されたパリソンに対する金型の型締めおよびパリソン内への圧縮空気の吹き込みによる溶融樹脂の形状変化をシミュレートする第二の手段と、
金型内で溶融樹脂が固化して得られた成形品を高温状態で金型から取り出した後にその成形品に冷却により生じる熱変形をシミュレートする第三の手段と、
前記第一ないし前記第三の手段のシミュレーション結果から、所望の形状の成形品が得られるような押出ダイおよびコアの形状を決定する第四の手段と
を含み、
前記第一の手段は、押出ダイとコアの間のギャップの形状および樹脂物性のパラメタを与えてパリソン形状およびパリソンの肉厚分布を求める手段を含み、
前記第二の手段は、パリソンに対する型締めおよび吹込みによる変形予測を行って、金型のキャビティに沿った形状となった状態の肉厚分布を求める手段を含み、
前記第四の手段は、前記金型のキャビティに沿った形状となった状態の肉厚分布を評価し、その評価に基づいて最適な肉厚分布となるような押出ダイおよびコアの形状を求める手段を含む
押出ダイおよびコアの設計装置において、
前記パリソン形状およびパリソンの肉厚分布を求める手段は、
押出ダイとコアの間のギャップを通過する溶融樹脂の流れを非線形粘弾性流体の発達流れ方程式で演算する手段と、
ギャップを通過したときに溶融樹脂が持つ歪みを与えてそのギャップを通過した後の溶融樹脂の挙動を伸長弾性回復方程式で演算する手段と
を含む
ことを特徴とする押出ダイおよびコアの設計装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はプラスチック製品の金型設計もしくは押出ダイおよびコアの設計に利用する。
【０００２】
【従来の技術】
高温で溶融されたプラスチックをチューブ状に押し出し、それを金型で挟み込み、チューブ内に空気を吹き込んで膨らませるプラスチック成形方法が広く行われている。この従来例では、チューブ状の溶融プラスチック（パリソン）を分割された金型の中間位置に配し、金型を閉鎖する。この状態で、溶融プラスチックに空気を吹込むと溶融プラスチックは金型の内壁に密着し、金型の内壁と同じ形状を呈する。金型内で高圧空気を吹き込んだままこの状態を保持することにより、プラスチックを冷却固化し、型と同じ形状の成形品を得る。冷却固化後、金型を開放すると、成形品が取り出される。
【０００３】
例えば、成形品が液体を充填して販売するための容器（ボトル）の場合には、通常金型を開放する樹脂温度の目安は50℃程度である。この冷却には10数秒の時間を要する。さらに低い生産コストを実現するためには冷却に要する時間を短縮することが課題である。
【０００４】
しかし、冷却時間を短くし、金型を高温の内に開放すると、高温の溶融プラスチックは大きく収縮し、非線形な変形を起こす。この結果、目標とする成形品形状と異なり、冷却時間の短縮を行うことはできなかった。
【０００５】
そこで、発明者らは有限要素法を用いて変形挙動をシミュレートすることにより、その変形を予め考慮して金型形状を作成することによって、高温取り出しにおいても目的の成形品形状が得られる金型設計方法および装置を発明した（特許第2955509号、特許第2957503号参照）。
【０００６】
この金型設計方法は、金型から取出した直後の成形品の初期形状に金型から取出した後に発生する変形についての熱変形シミュレーションを施し、このシミュレーションにより変形した形状と目標成形品形状との差分を演算し、この差分と閾値とを比較し、この差分が前記閾値を越えるときこの差分に基づき前記初期形状の変更を行うことを繰り返していく。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
この金型設計方法では、与えられた初期形状が熱収縮によってどのように変化するのかをシミュレーションすることによって、所望の成形品形状が得られるように最適な金型形状を求めている。しかし、成形品の肉厚分布はテスト用金型を作って実測により求めている。したがって、一つの金型が完成するまでには複数の試作を必要とし、コスト的にも時間的にも不利になる。また、所望の成形品肉厚分布を得るために、パリソンの押出ダイ・コアを複数試作する必要がある。
【０００８】
本発明は、このような背景に行われたものであって、金型や押出ダイおよびコアの試作を行うことの不要な金型、押出ダイおよびコアの設計方法および装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の第一の観点によると、押出ダイとコアとの間のギャップを通して溶融樹脂を押し出してパリソンを形成するときの溶融樹脂の形状変化をシミュレートする第一のステップと、押し出されたパリソンに対する金型の型締めおよびパリソン内への圧縮空気の吹き込みによる溶融樹脂の形状変化をシミュレートする第二のステップと、金型内で溶融樹脂が固化して得られた成形品を高温状態で金型から取り出した後にその成形品に冷却により生じる熱変形をシミュレートする第三のステップと、前記第一ないし前記第三のステップのシミュレーション結果から、所望の形状の成形品が得られるような金型、押出ダイおよびコアの形状を決定する第四のステップとを含むことを特徴とする金型、押出ダイおよびコアの設計方法が提供される。
【００１０】
前記第一のステップは、押出ダイとコアの間のギャップの形状および樹脂物性のパラメタを与えてパリソン形状およびパリソンの肉厚分布を求めるステップを含み、前記第二のステップは、パリソンに対する型締めおよび吹込みによる変形予測を行って、金型のキャビティに沿った形状となった状態の肉厚分布を求めるステップを含み、前記第三のステップは、求められた肉厚分布に対する収縮予測を行うステップを含み、前記第四のステップは、この収縮予測の結果から、所望の形状の成形品が得られるような金型形状を求めるステップを含むことができる。
【００１１】
また、これとは別に、前記第一のステップは、押出ダイとコアの間のギャップの形状および樹脂物性のパラメタを与えてパリソン形状およびパリソンの肉厚分布を求めるステップを含み、前記第二のステップは、パリソンに対する型締めおよび吹込みによる変形予測を行って、金型のキャビティに沿った形状となった状態の肉厚分布を求めるステップを含み、前記第四のステップは、前記金型のキャビティに沿った形状となった状態の肉厚分布をその強度および熱変形に対する安定性により評価し、その評価に基づいて最適な肉厚分布となるような押出ダイおよびコアの形状を求めるステップを含むこともできる。
【００１２】
前記パリソン形状およびパリソンの肉厚分布を求めるステップは、押出ダイとコアの間のギャップを通過する溶融樹脂の流れを非線形粘弾性流体の発達流れ方程式で演算するステップと、ギャップを通過したときに溶融樹脂が持つ歪みを与えてそのギャップを通過した後の溶融樹脂の挙動を伸長弾性回復方程式で演算するステップとを含むことがよい。
【００１３】
すなわち、溶融樹脂の発達流れとして、
【数１】
0003650338.tif 000002
を演算することが望ましい。樹脂物性は非線形粘弾性モデルとして与えられることが望ましく、例としてGiesekusモデルで記述した。ここで、溶融樹脂の流れる方向にｚ軸をとり、動径方向をｒ軸とした。また、応力σと速度ｖは、以下のように各成分に分けて表した。
【数２】
0003650338.tif 000003
樹脂物性パラメータは緩和モードｊに対する緩和時間λjと弾性率Ｇjである。なお、Giesekusモデルでは易動度因子（mobility factor）と呼ばれる非線形パラメータαを要する。
【００１４】
本発明の第二の観点によると、押出ダイとコアとの間のギャップを通して溶融樹脂を押し出してパリソンを形成するときの溶融樹脂の形状変化をシミュレートする第一の手段と、押し出されたパリソンに対する金型の型締めおよびパリソン内への圧縮空気の吹き込みによる溶融樹脂の形状変化をシミュレートする第二の手段と、金型内で溶融樹脂が固化して得られた成形品を高温状態で金型から取り出した後にその成形品に冷却により生じる熱変形をシミュレートする第三の手段と、前記第一ないし前記第三の手段のシミュレーション結果から、所望の形状の成形品が得られるような金型、押出ダイおよびコアの形状を決定する第四の手段とを備えたことを特徴とする金型、押出ダイおよびコアの設計装置が提供される。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明実施例の金型設計方法を図１および図２を参照して説明する。
【００１６】
ブロー成形は、図１に示すように、押出ダイとコアとの間のギャップを通して溶融樹脂を押し出してパリソンを形成する押出工程（Ｐ１）と、押し出されたパリソンに対して金型を型締する型締工程（Ｐ２）と、パリソン内へ圧縮空気を吹き込む吹込工程（Ｐ３）と、金型内で溶融樹脂を固化させる冷却工程（Ｐ４）と、得られた成形品を金型から取り出す型開工程（Ｐ５）とを含む。本発明では、成形品を高温状態で金型から取り出すため、成形品に冷却により熱変形が生じる。
【００１７】
本発明では、図２に示すように、これらの各工程をシミュレートする。すなわち、動的粘弾性データ（Ｄ１）およびその他の樹脂物性（Ｄ２）から樹脂物性データを作成し（Ｓ１）、成形条件（Ｄ３）を付加して押出工程（Ｐ１）における溶融樹脂の形状変化をシミュレートする（Ｓ２、以下「押出シミュレーション」という）。次に、金型のキャビティ形状に関するデータおよび金型配置（Ｄ４）からパリソンのＦＥＭデータを作成し（Ｓ３）、吹込条件および樹脂物性のデータ（Ｄ５）から、型締工程（Ｐ２）および吹込工程（Ｐ３）における溶融樹脂の形状変化をシミュレートする（Ｓ４、以下「型締−吹込シミュレーション」という）。続いて、冷却工程（Ｐ４）および型開工程（Ｐ５）後の成形品の熱変形をシミュレートする（Ｓ５、以下「冷却−熱変形シミュレーション」という）。これらのシミュレーション結果から、所望の形状の成形品が得られるような金型、押出ダイおよびコアの形状を決定する（Ｓ６）。
【００１８】
押出シミュレーションでは、押出ダイとコアの間のギャップを通過する溶融樹脂の流れを流体の発達流れ方程式で演算し、ギャップを通過したときに溶融樹脂がもつ歪みを与えてそのギャップを通過した後の溶融樹脂の挙動を伸長弾性回復方程式で演算する。発達流れ方程式および伸長弾性回復方程式については後述する。
【００１９】
金型の形状、特にキャビティの形状を決定するには、金型キャビティの形状をパラメータとして冷却-熱変形シミュレーションを繰り返し、所望の最終形状を得る。また、押出ダイおよびコアの形状、特にそれらにより形成されるギャップの形状（図３参照）を決定するには、押出シミュレーション、型締−吹込シミュレーションを用いて、成形品の肉厚分布が所望の分布となるような形状を決定する。
【００２０】
表１に示すように、コア径φ１６ｍｍに対し、成形条件Ａはダイをφ１９ｍｍ（ａ＝ｂ）の円とし、成形条件Ｂはダイを１９．２ｍｍ（ａ）×１９．０ｍｍ（ｂ）の楕円とし、成形条件Ｃはダイを１９．４ｍｍ（ａ）×１９．０ｍｍ（ｂ）の楕円とした。ここで、ａ、ｂは図３のように定義している。また、成形サイクルは１６．６秒、パリソン長は２５５ｍｍ、樹脂温度は２００°Ｃ、ブロー圧は０．５７ＭＰａとした。これにより、表２と図４（ａ）ないし（ｃ）のプロットに示すような成形結果を得た。図には実線でシミュレーション結果を併記している。
【表１】
0003650338.tif 000004
【表２】
0003650338.tif 000005
【００２１】
図４の実線のように得られたシミュレーション結果の中から所望の肉厚分布に近似するものを選択し、押出ダイおよびコアの形状を選定する。通常は、正面および背面と側面の肉厚がほぼ等しくなるように選ぶ。金型キャビティ形状は、この肉厚分布のもとで冷却-熱変形シミュレーションを行ったときに、目的の成形品形状となるように設計される。
【００２２】
押出ダイおよびコアの選定をした後、金型キャビティ形状の設計に先立って、熱変形が相似変形に近くなるような、より望ましい押出ダイおよびコアの形状を求めることもできる。これを図５および図６を参照して説明する。図５はダイおよびコアの構成およびその間のギャップΔａ、Δｂを示す。ギャップΔａは成形品の側面の肉厚に対応し、Δｂは成形品の正面または背面の肉厚に対応する。図６は形状を求める手順を示す。
【００２３】
図６に示すように、先に選定した押出ダイおよびコアを初期形状とし（Ｓ１１）、押出シミュレーションと型締-吹込シミュレーションにより成形品の肉厚分布を求める（Ｓ１２）。この成形品肉厚分布を用いて冷却-熱変形シミュレーションを行い、変形後の成形品形状を求める（Ｓ１３）。成形品の変形が相似変形に近いかどうかを判断し（Ｓ１４）、相対的に成形品の正面および背面が膨らんでいる場合には図５に示したΔａ／Δｂを小さくし、へこんでいる場合にはΔａ／Δｂを大きくする（Ｓ１５）。以下、Ｓ１１ないしＳ１５を相似変形に近づくまで繰り返す。
【００２４】
本発明の金型、押出ダイおよびコアの設計方法は、図７に示す設計装置により実行される。この装置は、押出ダイとコアとの間のギャップを通して溶融樹脂を押し出してパリソンを形成するときの溶融樹脂の形状変化をシミュレートする押出シミュレーション部１と、押し出されたパリソンに対する金型の型締めおよびパリソン内への圧縮空気の吹き込みによる溶融樹脂の形状変化をシミュレートする型締-吹込シミュレーション部２と、金型内で溶融樹脂が固化して得られた成形品を高温状態で金型から取り出した後にその成形品に冷却により生じる熱変形をシミュレートする冷却-熱変形シミュレーション部３と、これらのシミュミレーション結果から、熱変形が相似変形に近づくような押出ダイおよびコアの形状と所望の形状の成形品が得られるような金型形状を決定する形状設計部4とを備える。形状設計部４は、押出シミュレーション、型締-吹込シミュレーション、冷却-熱変形シミュレーションを繰り返し行うことにより、金型、押出ダイおよびコアの形状を設計する。
【００２５】
この装置はまた、読取装置５を備え、ＣＤ−ＲＯＭ６などの記録媒体に書き込まれたプログラムを読み取り、これをコンピュータに装填することにより、コンピュータを本発明の金型、押出ダイおよびコアの設計装置として動作させることができる。
【００２６】
当該シミュレーションの流れを図２に戻って説明する。樹脂物性の測定データとして貯蔵および損失弾性率、もしくは粘度を与えると、設計者が設定した任意の個数の緩和時間に対して対応する弾性率が計算される。得られた緩和時間と弾性率のセットに樹脂の非線形性を表すパラメータを加えて、樹脂物性データが作成される。
【００２７】
図８は樹脂物性データの求め方の一例を示す。この図において、貯蔵弾性率と損失弾性率の実測値をそれぞれ●と▲で示す。貯蔵弾性率Ｇ'(ω)、損失弾性率Ｇ"(ω)は、
【数３】
0003650338.tif 000006
と表される。Ｍは緩和モードの個数で、この実施例では11モードとっている。貯蔵弾性率、損失弾性率の実測値を用いて、最小二乗法により緩和時間λjに対する弾性率Ｇjを決定する。図８中の実線は、このようにして得られたλj、Ｇjを上式に代入して計算したものである。
【００２８】
導出された樹脂物性データに成形条件を併せてパリソン形成の計算が行われる。この計算は、図９に示すように、三つの部分に分けて行われる。
（１）図３に示した押出ダイ内を溶融樹脂が流れる部分は発達流れ方程式が用いられ、上述した数１の式により計算が行われる。これにより、ダイ内法線応力σjｉ、γjｉが与えられる。数１では添え字ｉを省いているが、このｉはパリソンを重量一定の各要素に分割したときの各要素の番号である。ダイ内歪みεdは後述するように与えられる。ここで求めたσjｉ、γjｉと、別途与えられるεdとは、続く伸長弾性回復方程式の初期値として用いられる。
（２）押出ダイから流出する部分は、伸長弾性回復方程式が用いられ、
【数４】
0003650338.tif 000007
として計算が行われる。ここでＮ1はダイ内で発生する第一法線応力差で、数１で求めたσi、γiからＮ１＝γi−σiで与えられる。νeは溶融樹脂のダイからの押出速度で、ｔiは押し出し開始から要素ｉが押し出されるのに要した時間である。また、ρは溶融樹脂の密度、ｇは重力加速度を表す。数４より押出直後の法線応力σji、γji、歪みεiが与えられる。また、
（３）パリソンが垂れ下がる部分については、ドローダウン／スウェル方程式が用いられ、
【数５】
0003650338.tif 000008
として、計算が行われる。ここで求められた歪みεiをもとに、要素ｉの形状と肉厚が決められる。各要素を併せて、パリソン全体の形状と肉厚分布が決められる。なお、前出のダイ内歪みεdは数５により得られるパリソン長さが目標長と合うように決める。これは通常、数１、数４および数５を繰り返し計算することにより決められる。
【００２９】
このようにして導出されたパリソン形状およびパリソン肉厚分布から、金型に関するデータや要素分割方法の情報を併せてパリソンのＦＥＭデータが作成される。このパリソンＦＥＭデータに対して型締-吹込シミュレーションが実行され、さらに、冷却-熱変形シミュレーションが実行される。これらのシミュレーションの結果、熱変形が相似変形に近づくように押出ダイおよびコアが設計され、所望の形状の成形品が得られるように金型設計が行われる。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、試作を行うことなく金型や押出ダイおよびコアの設計をコンピュータ上の成形工程のシミュレーションにより行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ブロー成形工程のフローを示す図。
【図２】本発明実施例の金型、押出ダイおよびコアの設計方法のフローを示す図。
【図３】押出ダイおよびコアの形状を示す図。
【図４】成形後の肉厚の実測値と対応するシミュレーション結果を示す図。
【図５】ダイおよびコアの構成およびその間のギャップΔa、Δbを示す図。
【図６】熱変形が相似変形に近くなるような押出ダイおよびコアの形状を求める手順のフローを示す図。
【図７】本発明実施例の設計装置の要部ブロック構成図。
【図８】貯蔵弾性率および損失弾性率の一例を示す図。
【図９】パリソン形成シミュレーションの基礎方程式の適用箇所を示す図。
【符号の説明】
１  押出シミュレーション部
２  型締−吹込シミュレーション部
３  冷却−熱変形シミュレーション部
４  形状設計部
５  読取装置
６  ＣＤ−ＲＯＭ
【図１】
0003650338.tif 000009
【図２】
0003650338.tif 000010
【図３】
0003650338.tif 000011
【図４】
0003650338.tif 000012
【図５】
0003650338.tif 000013
【図６】
0003650338.tif 000014
【図７】
0003650338.tif 000015
【図８】
0003650338.tif 000016
【図９】
0003650338.tif 000017