(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
成形品の肉厚分布をプリフォームの初期形状に基づいて演算する第一のステップと、演算された成形品の肉厚分布と目標肉厚分布との差分を求める第二のステップと、この差分と閾値とを比較する第三のステップと、この差分が前記閾値を越えるときにこの差分に基づき前記プリフォームの初期形状を変更する第四のステップとを含み、前記第一のステップから前記第四のステップを前記差分が閾値を下回るまで実行するプリフォームの設計方法において、
あらかじめ成形品に目標肉厚分布を設定し、これと総重量が一致するようにプリフォームの離散化された節点の肉厚分布を入力して吹き込みシミュレーションを実行し、得られた成形品の節点における肉厚とそれに対応する位置の目標肉厚とを比較し、この差分からプリフォームの節点の肉厚分布を変更し、以上の手順を各節点の差分が閾値を下回るまで繰り返し実施する
ことを特徴とするプリフォームの設計方法。
【請求項２】
前記第一のステップは、プリフォームの温度分布を用いて成形品の肉厚分布を演算するステップを含む請求項１記載のプリフォームの設計方法。
【請求項３】
入力されるプリフォームの初期形状を三次元情報として蓄積する手段と、前記プリフォームの初期形状から成形品の肉厚分布を演算する第一の手段と、この演算した結果の成形品の肉厚分布と目標成形品の肉厚分布との差分を演算する第二の手段と、この差分と閾値とを比較する第三の手段と、この差分が閾値を越えるときこの差分に基づきプリフォームの肉厚分布に変更を加える第四の手段と、前記差分が閾値を下回るまで前記第一手段ないし第四手段の各手段を繰り返し実行させる第五の手段とを備えたプリフォームの設計装置において、
前記蓄積する手段には、あらかじめ成形品に目標肉厚分布の情報が蓄積され、
前記第一の手段は、目標成形品の総重量が一致するようにプリフォームの離散化された節点の肉厚分布を入力して吹き込みシミュレーションを行う手段を含み、
前記第二の手段は、得られた成形品の節点における肉厚とそれに対応する位置の前記目標肉厚とを比較する手段を含む
ことを特徴とするプリフォームの設計装置。
【請求項４】
コンピュータ装置に請求項３記載の各手段を実行させるプログラム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラスチック成形品の設計に利用する。本発明は、成形されたプリフォームをブロー金型に入れ気体を吹き込んで膨らませるインジェクションブロー成形によるプラスチック成形方法に利用する。本発明は、プラスチック成形における金型の設計に利用する。
【０００２】
【従来の技術】
金型を用いたプラスチック成形品のブロー成形は、大別して、
１）押出ブロー成形、と
２）インジェクションブロー成形
に分類できる。この２）インジェクションブロー成形、はさらに、
２ａ）非延伸のインジェクションブロー成形、と
２ｂ）延伸ブロー成形
に分類できる。
【０００３】
これらのブロー成形過程を図１３に示す。図１３（ａ）は押出ブロー成形過程を示す。図１３（ｂ）は非延伸のインジェクションブロー成形過程を示す。図１３（ｃ）は延伸ブロー成形過程を示す。
【０００４】
上記１）押出ブロー成形は、例えば金型の内部に溶融プラスチックを押し出し、型締めを行い、この溶融プラスチックに気体を吹き込み金型の内部形状に沿った製品を製造するものである。これに対して、２）インジェクションブロー成形は、あらかじめプリフォームを成形し、このプリフォームを必要に応じて加熱、温度調整してブロー金型に閉じ込め吹き込みを行う方法である。また、上記２ａ）の非延伸のインジェクションブロー成形と２ｂ）の延伸ブロー成形との違いは、前者がプリフォームへのブロー成形をエアのみで行うのに対し、後者は延伸ロッドで縦方向に延伸しブローエアで横方向に延伸することが異なる。延伸ブロー成形は、二軸延伸ブロー成形とも呼ばれる。
【０００５】
本願出願人は、ブロー成形において、ブロー金型から取り出した後の熱変形を予測してブロー金型を設計する方法について特許を得た（特許第２９５５５０９号、特許第２９５７５０３号）。この方法を利用することにより、成形時の金型内での冷却時間を短縮しても目標とする成形品形状が得られる金型を設計でき、この金型によって成形時間の短縮を実現し、生産性を向上させた。また、押出ブロー成形におけるパリソンの形状のシミュレーションを行ってパリソンの押出し用ダイおよびコアの設計を合理的に行う発明について特許出願をした（特開２００１−３２２１６０）。
【０００６】
インジェクションブロー成形では、プリフォームは射出成形によって成形されるため、押出ブロー成形のパリソンに比べて肉厚も含めて高精度に形状を設計することができる利点がある。一方、工程の後段のブロー成形を経た成形品の肉厚は一般的に予測が困難であって、成形品の肉厚に偏りが大きいと成形品の強度が弱くなる。また成形品の肉厚の偏りはブロー成形後、特に高温で成形品を取り出した場合に大きな変形の原因となり、成形の安定性を悪化させる問題がある。強度や成形安定性などに対して理想的な成形品の肉厚分布を得るためには、一般にプリフォームの形状を試行錯誤的に変更する必要があり、インジェクションブロー成形では、プリフォームの設計試作（プリフォーム成形用金型の設計試作）に時間がかかる問題があった。また、ブロー成形前のプリフォーム温度の調整も重要であり、温度により溶融プラスチックの粘度など樹脂物性が大きく変化する問題があり、この点でもプリフォームの設計試作に時間がかかる問題があった。
【０００７】
以上の点はブロー成形時に延伸を行う延伸ブロー成形においてはさらにその問題は顕著になる。
【０００８】
プリフォーム設計の従来の方法を図１４を用いて説明する。インジェクションブロー成形では、横延伸倍率、縦延伸倍率および面倍率＝（成形品の表面積）／（プリフォームの表面積）が成形性に強く関わる。プリフォームの口部は通常、そのまま目標成形品（ボトル）の口部となるため、プリフォーム径は目標成形品の口部の径から決まる。縦延伸倍率は、使用する樹脂にもよるが、非延伸の場合で１〜１．２倍、延伸ブロー成形の場合で１．５〜３倍が目安である。プリフォームの肉厚は３ｍｍ前後（２〜４ｍｍ程度）が目安である。肉厚が薄くなるとプリフォームの成形が困難になる。肉厚が厚くなると全体の成形サイクルが長くなり、さらに吹込み工程も困難になる。縦延伸倍率と成形後の目標肉厚とから、プリフォームの肉厚を決める。
【０００９】
プリフォーム内径は口部の内径から決まるが、実際には、プリフォームの内側の金型を抜くには若干の抜き勾配が必要であり、実際のプリフォームは、図１５に示すような形状となる。また、肉厚については、使用する樹脂や目標成形品の強度仕様に基づいて、図１６に示すように微調整することもある。肉厚分布を変えることにより外側の形状も変わるので、肉厚分布の設計と形状設計とは同じ意味をもつ。ただし、従来は、プリフォームの肉厚分布の設計はあくまで経験的なものであり、実際の成形後の成形肉厚分布が適切かどうかは、成形してみないとわからなかった。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
このプリフォームの設計方法として、有限要素法を用い、プリフォームの全高ｈ、平均胴径ｄを設計変数として、シミュレーションを行い、シミュレーション結果の成形品の肉厚の最大と最小とを取り出して許容範囲に入っているか否かを判定し、プリフォームの全高ｈ、または平均胴径ｄの範囲を決定する技術が提案されている（特開平７−１０８５９５号公報）。しかし、この技術では、プリフォームの全高ｈと平均胴径ｄを変更するだけなので、例えば成形品がボトルの場合、ボトルの肩部など大きく延伸される部分に肉厚をつけたりという変更ができないため、最適なプリフォームの形状が得られない問題がある。また、全高ｈの最適化と平均胴径ｄの最適化とが独立して行われるので、最適解が得られるとは限らない問題がある。
【００１１】
本発明は、このような問題を解決するもので、インジェクションブロー成形において、理想的なプリフォーム形状を得るための設計試作に要する時間、工数および費用を低減することができるプリフォームの設計方法および装置を提供することを目的とする。また、最適なプリフォーム用金型の設計試作の時間、工数、費用を低減することができる発明を提供することを目的とする。本発明は、特に、最適なプリフォーム形状を得ることができる設計方法および装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
インジェクションブロー成形では、プリフォーム成形用金型によりプリフォームを成形し、その後、ブロー成形金型に入れて吹き込み成形を行う。本発明はこのうちのプリフォーム成形用金型の設計に用いる。
【００１３】
本発明では、プリフォームの肉厚分布を含む形状に対して吹き込みシミュレーションを行って、ブロー成形後の成形品の肉厚分布を演算し、そのシミュレーションから算出された成形品の肉厚分布と目標成形品の肉厚分布とを比較し、その差分に基づきプリフォームの形状を変更し、差分が閾値の範囲になるまで、プリフォームの形状から成形品の肉厚分布を求め、目標肉厚分布との比較、プリフォームの形状変更の工程を繰り返し、最適なプリフォームの設計試作に要する工数、時間、費用を低減させることを特徴とする。
【００１４】
本発明では、プリフォームの肉厚分布を目標肉厚との差分が閾値以下に収束するまで繰り返しプリフォームの肉厚分布を変更してシミュレーションを行うため、最適なプリフォームの形状を得ることができる。また、有限要素法で各節点ごとに肉厚を決定して目標肉厚と比較しているため、成形品の形状全体に対する最適なプリフォームの形状を得ることができる。
【００１５】
すなわち、本発明の第一の観点は、プリフォームの設計方法であって、成形品の肉厚分布をプリフォームの初期形状に基づいて演算する第一のステップと、演算された成形品の肉厚分布と目標肉厚分布との差分を求める第二のステップと、この差分と閾値とを比較する第三のステップと、この差分が前記閾値を越えるときにこの差分に基づき前記プリフォームの初期形状を変更する第四のステップと、前記第一のステップから前記第四のステップを前記差分が閾値を下回るまで実行することを特徴とする。
【００１６】
なお、あらかじめ成形品に目標肉厚分布を設定し、これと総重量が一致するようにプリフォームの離散化された節点の肉厚分布を入力して吹き込みシミュレーションを実行し、得られた成形品の節点における肉厚と対応する位置の目標肉厚とを比較し、この差分からプリフォームの節点の肉厚分布を変更し、以上の手順を各節点の差分が閾値を下回るまで繰り返し実施することができる。成形品の目標肉厚分布の設定は、例えば成形品を離散化し、各点に肉厚を割り当てることで行う。ここで離散化した成形品の各点は、一般にシミュレーションで得られる成形品の節点とは一致しない。プリフォームの節点はプリフォーム内側の形状を離散化したもので、節点の外側に肉厚を付与してプリフォーム外側形状を構成する。
【００１７】
さらに、プリフォームの温度分布を用いて成形品の肉厚分布を演算することがよい。
【００１８】
本発明の第二の観点は、プリフォーム設計装置にかかるものであり、入力されるプリフォームの初期形状を三次元情報として蓄積する手段と、前記プリフォームの初期形状から成形品の肉厚分布を演算する第一の手段と、この演算した結果の成形品の肉厚分布と目標成形品の肉厚分布との差分を演算する第二の手段と、この差分と閾値とを比較する第三の手段と、この差分が閾値を越えるときこの差分に基づきプリフォームの肉厚分布に変更を加える第四の手段と、前記差分が閾値を下回るまで前記第一手段ないし第四手段の各手段を繰り返し実行させる第五の手段とを含むことを特徴とする。
【００１９】
なお、前記蓄積する手段には、あらかじめ成形品に目標肉厚分布の情報が蓄積され、前記第一の手段は、目標成形品の総重量が一致するようにプリフォームの離散化された節点の肉厚分布を入力して吹き込みシミュレーションを行う手段を含み、前記第二の手段は、得られた成形品の節点における肉厚とそれに対応する位置の前記目標肉厚とを比較する手段を含むことができる。
【００２０】
本発明の第三の観点は、基本ソフトウェアがインストールされたコンピュータ装置にインストールすることにより、そのコンピュータ装置で上記各手段を実行させることができるプログラムである。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明実施例のプリフォームの設計装置を図１ないし図５を参照して説明する。図１はプリフォームの設計装置のブロック構成図である。図２はプリフォームの設計手順を示す図である。図３はプリフォームの形状の設計手順を示すフローチャートである。図４は温調工程の条件設定手順を示すフローチャートである。図５はブロー金型設計手順を示すフローチャートである。
【００２２】
本発明実施例のプリフォームの設計装置は、図１に示すように、肉厚分布を含むプリフォームの初期形状を三次元情報として入力する入力部１と、前記プリフォームを金型に入れて気体を吹き込んだときの変形についての変形シミュレーション（吹き込みシミュレーション）を演算するシミュレーション実行部２と、この変形シミュレーションを演算した結果の成形品の肉厚分布と目標成形品の肉厚分布との差分を演算する差分演算部３と、この差分と閾値とを比較する比較部４と、この差分が閾値を越えるときこの差分に基づきプリフォームの肉厚分布に変更を加える設計変更部５とを含み、シミュレーション実行部２、差分演算部３、比較部４、設計変更部５を前記差分が前記閾値を下回るまで繰り返して実行させることを特徴とする。
【００２３】
本発明実施例のプリフォームの設計装置は、コンピュータ装置を利用するものであり、本発明のプリフォームの設計装置に相応する装置とするプログラムを基本ソフトウェア（ＯＳ，ｏｐｅｒａｔｉｎｇ  ｓｙｓｔｅｍ）がインストールされたコンピュータ装置にインストールすることにより実現することができる。このプログラムは記録媒体に記録してインストールすることができ、また通信回線を介してインストールすることができる。
【００２４】
次に、本発明実施例のプリフォームの設計装置の動作をインジェクションブロー成形工程に沿って説明する。本発明のプリフォームの設計方法では、肉厚分布を含むプリフォーム形状から出発し、シミュレーションを行って目標成形品の肉厚分布との差分を比較して、プリフォームの形状（肉厚分布）を変更するというループを繰り返して収束させることによって、プリフォーム金型形状の設計にともなう工数を必要最少とし、最適なプリフォーム形状を得るところに特徴がある。
【００２５】
設計順序は図２に示すように、プリフォームの温度分布を与えた上で吹込解析によりプリフォーム形状（肉厚分布）設計を行い、与えたプリフォームの温度分布に近似する温度分布を実現するようなプリフォーム加熱条件および冷却条件を加熱−冷却解析により求める。設定された加熱条件および冷却条件で得られるプリフォーム温度分布のもとでプリフォームの吹込解析を改めて行い、プリフォーム成形用金型の変更が必要になった場合には、プリフォーム成形用金型の変更を行う。なお、プリフォームの温度分布を実験から求め、加熱−冷却解析を省いてもよい。吹込解析ではプリフォームの温度分布を考慮した物性値を与えることが必要である。望ましくは物性値の温度依存性を入れて、経時的な温度変化を考慮した解析を行うとよい。
【００２６】
すなわち、図１に示すように、プリフォーム初期形状（肉厚分布）の三次元情報、およびプリフォームの温度分布の初期設定値とを入力部１に入力し蓄積する。この入力部１から、この三次元情報および初期設定値をシミュレーション実行部２に取り込む。これらのパラメータによりシミュレーション実行部２では、図３に示すように吹込解析を行う。この解析結果は差分演算部３に入力され、目標成形品形状との肉厚差分が演算される。この差分は比較部４に入力されて閾値と比較され、閾値よりも差分が大きい場合には、設計変更部５にてその差分をもとにプリフォームの形状（肉厚分布）を変更する。
【００２７】
ここで、プリフォームの形状の決め方をプリフォームの断面形状の例を示す図６を用いて説明する。まず、プリフォーム内側形状を目標成形品の口径の内径と抜き勾配とから決定して各節点に離散化する。各節点に対してプリフォームの外側に向かって肉厚を付与してプリフォームの外側形状を得る。吹込シミュレーションは、このプリフォーム形状に対して施す。なお、プリフォームの内径は、目標成形品（ボトル）の口部の内径と同じ形状とする。縦延伸倍率は、使用する樹脂にもよるが、非延伸の場合で１〜１．２倍（目標成形品の高さに対してプリフォームの高さが０．８〜１倍程度）、延伸ブロー成形の場合で１．５〜３倍（目標成形品の高さに対してプリフォームの高さが０．３〜０．７倍程度）を目安にする。プリフォームの厚さは、従来どおり３ｍｍ前後を目安とすることもできるが、本願発明では、目標成形品の形状および強度仕様が過去に設計した形状とほぼ同形状の場合は、そのときに蓄積された設計データ（プリフォームの内径、形状および厚み）を参考にプリフォームの初期形状を設定して設計（演算）をスタートさせることもできる。プリフォームの肉厚分布を与えることはプリフォームの形状を与えることになる。
【００２８】
プリフォーム温度分布は、加熱条件により変更される。図４に示すように、プリフォーム形状（肉厚分布）とヒータ強度および熱遮蔽物の配置状況とを入力部１を介してシミュレーション実行部２に入力するとプリフォームの温度分布が決まる。ここで、熱遮蔽物とは、ヒータとプリフォームとの間に設けられ、ヒータからの輻射熱を遮蔽するものであり、温度分布の調整に利用する。本実施例では、特開平１１−２０７８０６号にしたがってアルミ棒を使用した。シミュレーション実行部２では、加熱−冷却解析を行い、プリフォーム温度分布を演算する。このプリフォーム温度分布は比較部４に入力され（図１の破線）、設定温度分布と比較される。この比較結果にしたがってヒータ強度および熱遮蔽物の配置の変更を行う。
【００２９】
このようにして、プリフォーム形状（肉厚分布）の変更と加熱条件の設定が行われるが、本発明では、プリフォーム形状（肉厚分布）と加熱条件とでは対応しきれない場合に、図２に示すような流れにしたがって、先行発明である特許第２９５５５０９号および特許第２９５７５０３号に開示した方法によりブロー金型形状の変更を行う。すなわち、図５に示すように、プリフォーム形状からの吹込解析により成形品肉厚分布が演算されると、シミュレーション実行部２では、これを基に冷却−熱変形解析を行い、ブロー金型から取り出した後の成形品の形状を演算し、目標形状との差分を求め、設計変更部５では、この差分を基にブロー金型形状の変更を行う。
【００３０】
ここで、プリフォームの肉厚設計の具体例を示す。図７にプリフォームの内側形状を示す。図８に成形品内側形状を示す。節点ｉに着目して肉厚設計手順を説明する。図９に示すように、ｋ回目の演算において、節点ｉのプリフォームの肉厚設計値Ｈｉ（ｋ）にしたがって吹込解析を行い、節点ｉの成形後肉厚ｈｉ（ｋ）を求め、目標肉厚ｈｉｔａｒｇｅｔとの差分Δｈｉ（ｋ）＝ｈｉ（ｋ）−ｈｉｔａｒｇｅｔを求める。これにより、ｋ＋１回目の演算において、プリフォームの平均肉厚Ｈａｖｅｒａｇｅ  、成形品の平均肉厚ｈａｖｅｒａｇｅ  、収束加速係数αとするとき、節点ｉのプリフォームの肉厚を
Ｈｉ（ｋ＋１）＝Ｈｉ（ｋ）−α（Ｈａｖｅｒａｇｅ  ／ｈａｖｅｒａｇｅ  ）Δｈｉ（ｋ）
あるいは、
α′＝α・（Ｈａｖｅｒａｇｅ  ／ｈａｖｅｒａｇｅ  ）として
Ｈｉ（ｋ＋１）＝Ｈｉ（ｋ）−α′Δｈｉ（ｋ）
と更新する。さらにプリフォームの総重量が目標成形品の総重量と一致するように肉厚Ｈｉ（ｋ＋１）を補正する。差分Δｈｉ（ｋ）が閾値以下になるまで演算を繰り返す。閾値は通常、全節点ｉに対して同じ値を使用するが、例えば成形品の形状から応力集中すると思われる部位に対して他の部位よりも座屈強度等の機械強度を高精度にするために、節点ごとに異なる値を用いてもよい。
【００３１】
ここで、プリフォーム熱解析例を示す。図１０に示すように、プリフォーム加熱モデルを設定する。図１０の例では、プリフォーム形状を円柱とし、ヒータを無限に長い線で表現し、床部に反射板を設けてある。このモデルを用いてプリフォーム表面の受ける単位時間および単位面積当りの輻射熱を計算する。
【００３２】
プリフォーム表面の受ける輻射熱Ｅ０＝直接輻射Ｅｄｉｒ  ＋間接輻射Ｅｒｅｆ
とすると、
【数１】
0003597508.tif 000002
となる。
【００３３】
プリフォームの熱吸収および熱拡散については、図１１に示すプリフォームモデルを想定すると、Ｒはプリフォーム外径、ｒは着目している位置の中心軸からの距離として、境界条件のもとで、
【数２】
0003597508.tif 000003
を解けばよい。すなわち、ヒータからの熱吸収を考慮して熱伝導方程式を解けば、プリフォームの各部（厚み方向も含む）の温度分布が求まる。ヒータからの熱吸収は、ヒータからプリフォーム表面が受ける輻射熱から計算する。このとき、ヒータからの直接輻射以外に、反射による間接輻射を考慮する。図１２に示すように、プリフォーム外表面からプリフォーム内表面へ輻射熱が侵入するので、プリフォーム表面の受ける輻射熱からプリフォーム内部に侵入する強度を求め、プリフォーム内部の熱吸収を導出する。
【００３４】
以上のプリフォーム加熱とプリフォーム熱吸収および熱拡散とを併せてプリフォームの簡易熱解析を行うことができる。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、インジェクションブロー成形の製造工程におけるプリフォーム形状の設計試作を精度よく行うことができ、プリフォーム金型の設計試作に要する工数、時間、費用を低減させることができる。また、本発明によれば、インジェクションブロー成形における最適なプリフォーム形状の設計ができるので、より設計者の負担を軽減する設計装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明実施例の成形用プリフォームの設計装置の要部ブロック構成図。
【図２】本発明の成形用プリフォームの設計方法を示す図。
【図３】本発明のプリフォーム形状設計手順を示すフローチャート。
【図４】本発明の温調工程の条件設定手順を示すフローチャート。
【図５】ブロー金型設計の手順を示すフローチャート。
【図６】プリフォーム断面形状を示す図。
【図７】プリフォーム内側形状を示す図。
【図８】成形品内側形状を示す図。
【図９】節点ｉに着目した肉厚設計手順を示す図。
【図１０】プリフォーム加熱モデルを示す図。
【図１１】プリフォームモデルの外径と着目している位置の中心軸からの距離を示す図。
【図１２】輻射の強度の概念を示す図。
【図１３】ブロー成形法の分類を示す図。
【図１４】延伸倍率を説明する図。
【図１５】抜き勾配のあるプリフォームの断面形状を示す図。
【図１６】肉厚分布を微調整したプリフォームの断面形状を示す図。
【符号の説明】
１  入力部
２  シミュレーション実行部
３  差分演算部
４  比較部
５  設計変更部
【図１】
0003597508.tif 000004
【図２】
0003597508.tif 000005
【図３】
0003597508.tif 000006
【図４】
0003597508.tif 000007
【図５】
0003597508.tif 000008
【図６】
0003597508.tif 000009
【図７】
0003597508.tif 000010
【図８】
0003597508.tif 000011
【図９】
0003597508.tif 000012
【図１０】
0003597508.tif 000013
【図１１】
0003597508.tif 000014
【図１２】
0003597508.tif 000015
【図１３】
0003597508.tif 000016
【図１４】
0003597508.tif 000017
【図１５】
0003597508.tif 000018
【図１６】
0003597508.tif 000019