(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金型のキャビティ内に充填された長繊維強化樹脂の成形過程における流動挙動を解析するコンピュータ支援による金型設計装置において、前記長繊維強化樹脂の成形条件を入力する入力手段と、前記入力された成形条件に基づいて前記長繊維強化樹脂の温度を算出する温度算出手段と、所定の温度範囲ごとに設けられる複数個の粘度フィッティングモデルと、前記算出された温度に基づいて前記複数個の粘度フィッティングモデルのうちのいずれかを選択すると共に、前記選択された粘度フィッティングモデルを用いて前記長繊維強化樹脂の粘度を算出する粘度算出手段とを備えたことを特徴とするコンピュータ支援による金型設計装置。
【請求項２】
前記複数個の粘度フィッティングモデルは、少なくとも前記算出された温度が第１の所定温度以上である場合に選択されるべき第１のモデルと、前記第１の所定温度未満であって、前記第１の所定温度よりも低い温度に設定される第２の所定温度以上である場合に選択されるべき第２のモデルと、前記第２の所定温度未満である場合に選択されるべき第３のモデルとからなることを特徴とする請求項１記載のコンピュータ支援による金型設計装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明はコンピュータ支援（Computer Aided Engineering）による金型設計装置に関し、より具体的には有限要素法、有限体積法または有限差分法を用いて長繊維強化樹脂の流動挙動を解析するコンピュータ支援による金型設計装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
有限要素法等を用いて流動性樹脂の流動挙動を解析するコンピュータ支援による金型設計装置は従来から広く活用されており、その例として特許文献１の技術が挙げられる。特許文献１記載の技術においては、射出成形法を用いて流動性樹脂を成形する際における樹脂の粘度を予測する粘度予測方法について開示し、これを用いて樹脂の流動シミュレーションを行うことを提案している。
【０００３】
即ち、流動性樹脂の流動挙動をシミュレーションする場合、事前に種々の樹脂物性をコンピュータに入力しなければならないが、特に粘度は樹脂の流動挙動に大きな影響を及ぼすことから、粘度の温度特性を正確に求める必要がある。そこで、特許文献１の技術にあっては、温度変化に伴う粘度の変化に追従（フィッティング）するための手段としてＣｒｏｓｓ−ＷＬＦ式等の粘度式が用いられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平９−１７４５９０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１記載の技術では、樹脂単体あるいは短繊維で強化された樹脂の流動挙動の解析を対象としており、粘度フィッティングに用いられる粘度式に全温度範囲にわたって同一の係数を用いた粘度フィッティングモデルにより粘度を算出している。
【０００６】
しかしながら、長繊維で強化された樹脂の場合、樹脂単体の場合や短繊維で強化された樹脂よりもその粘度が高くなると共に、樹脂単体等の場合とは異なる粘度の温度特性を有する。このため、従来技術において用いられる粘度フィッティングモデルを用いて樹脂の流動挙動をシミュレーションしても、その粘度の温度特性を十分に表現することができず、実現象に則した粘度を精度良く算出することができない。
【０００７】
従って、この発明の目的は上記した課題を解決し、長繊維で強化された樹脂の粘度を広い温度範囲にわたって精度良く算出することで、長繊維強化樹脂の流動挙動の解析精度を向上させるようにしたコンピュータ支援による金型設計装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記した課題を解決するために、請求項１にあっては、金型のキャビティ内に充填された長繊維強化樹脂の成形過程における流動挙動を解析するコンピュータ支援による金型設計装置において、前記長繊維強化樹脂の成形条件を入力する入力手段と、前記入力された成形条件に基づいて前記長繊維強化樹脂の温度を算出する温度算出手段と、所定の温度範囲ごとに設けられる複数個の粘度フィッティングモデルと、前記算出された温度に基づいて前記複数個の粘度フィッティングモデルのうちのいずれかを選択すると共に、前記選択された粘度フィッティングモデルを用いて前記長繊維強化樹脂の粘度を算出する粘度算出手段とを備える如く構成した。
【０００９】
請求項２にあっては、前記複数個の粘度フィッティングモデルは、少なくとも前記算出された温度が第１の所定温度以上である場合に選択されるべき第１のモデルと、前記第１の所定温度未満であって、前記第１の所定温度より低い温度に設定される第２の所定温度以上である場合に選択されるべき第２のモデルと、前記第２の所定温度未満である場合に選択されるべき第３のモデルとからなる如く構成した。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１に係るコンピュータ支援による金型設計装置にあっては、入力された長繊維強化樹脂の成形条件に基づいて長繊維強化樹脂の温度を算出する温度算出手段と、所定の温度範囲ごとに設けられる複数個の粘度フィッティングモデルと、算出された温度に基づいて複数個の粘度フィッティングモデルのうちのいずれかを選択すると共に、選択された粘度フィッティングモデルを用いて長繊維強化樹脂の粘度を算出する粘度算出手段とを備えるように構成、即ち樹脂の粘度の温度特性を表す粘度フィッティングモデルを温度範囲に応じて複数個用意し、それらを適宜選択して粘度を算出するように構成したので、所定の温度範囲ごとに適切な粘度フィッティングモデルを用いることが可能となり、長繊維強化樹脂の粘度を広い温度範囲にわたって精度良く算出でき、樹脂の流動挙動の解析精度を向上することができる。
【００１１】
請求項２に係るコンピュータ支援による金型設計装置にあっては、複数個の粘度フィッティングモデルは、少なくとも算出された温度が第１の所定温度以上である場合に選択されるべき第１のモデルと、第１の所定温度未満第２の所定温度以上である場合に選択されるべき第２のモデルと、第２の所定温度未満である場合に選択されるべき第３のモデルとからなるように構成したので、上記した効果に加え、所定の温度範囲ごとに最適な粘度フィッティングモデルを用いることが可能となり、長繊維強化樹脂の粘度を広い温度範囲にわたってより一層精度良く算出でき、樹脂の流動挙動の解析精度を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】この発明の実施例に係るコンピュータ支援による金型設計装置を全体的に示すブロック図である。
【図２】図１に示すコンピュータ支援による金型設計装置によって設計される金型モデルの説明図である。
【図３】長繊維強化樹脂と樹脂単体または短繊維強化樹脂の粘度の温度特性を説明する説明図である。
【図４】長繊維強化樹脂の粘度を従来モデルにより算出した値とその実測値とを対比して示す説明図である。
【図５】図１に示すコンピュータ支援による金型設計装置の解析処理を示すフロー・チャートである。
【図６】図５フロー・チャートの粘度フィッティングモデル選択・粘度算出処理を示すサブ・ルーチン・フロー・チャートである。
【図７】この発明の効果を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、添付図面を参照してこの発明に係るコンピュータ支援による金型設計装置を実施するための形態について説明する。
【実施例】
【００１４】
図１はこの発明に係るコンピュータ支援による金型設計装置を全体的に示すブロック図、図２は図１に示す金型設計装置によって設計される金型モデルの説明図である。
【００１５】
図１において符号１０はその装置を示す。装置１０は、コンピュータ１２とコンピュータ１２に接続されるキーボード等からなる入力手段１４とディスプレイ等の表示手段１６とを備える。
【００１６】
即ち、装置１０はコンピュータ支援ＣＡＥ（Computer Aided Engineering）あるいはＣＡＤ(Computer Aided Design)／ＣＡＭ（Computer Aided Manufacturing），ＣＩＭ（Computer Integrated Manufacturing）による金型設計装置からなり、後述する解析処理を行うことによって製品（金型）モデル２０を設計すると共に、金型モデル２０の金型加工データを最終的な量産過程における金型の設計に反映させるように構成される。
【００１７】
図２に示すように、装置１０により設計される金型モデル２０は上型２０ａと下型２０ｂを備え、下型２０ｂに形成される空間（キャビティ）２０ｃ内に成形材料となる樹脂２２が予備過熱された状態で充填される。樹脂２２は、例えばポリアミド、ポリプロピレン、ポリエチレン、アクリル、ポリカーボネイド、ポリフェニレンサルファイド等の熱可塑性樹脂を原料とし、ガラス繊維や炭素繊維等の長繊維で強化された樹脂（以下、この明細書で「長繊維強化樹脂」あるいは単に「樹脂」と呼ぶ。）を対象とする。
【００１８】
この実施例で示す金型モデル２０にあっては、樹脂２２はシート状（半溶融状態）でキャビティ内２０ｃに充填され、上型２０ａをプレス機（図示せず）によって降下（型締め）することで樹脂２２を圧縮して成形する。尚、この発明の目的は、金型モデル２０において樹脂２２、特に長繊維強化樹脂を圧縮・成形する際の流動挙動を解析することにあるため、以下その点に焦点をおいて説明する。
【００１９】
上記目的を達成するため、コンピュータ１２は、入出力処理手段３０、粘度フィッティングモデル格納手段３２、温度算出手段３４、粘度算出手段３６、および金型モデル設計手段３８を備える。
【００２０】
入出力処理手段３０は、入力手段１４によりコンピュータ１２に入力された成形条件を処理すると共に、コンピュータ１２によって演算処理された結果等を表示手段１６で表示（出力）させる処理を行う。
【００２１】
粘度フィッティングモデル格納手段３２は、金型モデル２０内における樹脂２２の流動挙動を解析するための複数個の粘度フィッティングモデルを格納する。
【００２２】
温度算出手段３４は、入力手段１４により入力された成形条件に基づいて樹脂２２の温度、より正確には温度分布を算出する。即ち、コンピュータ１２は金型モデル２０のキャビティ２０ｃ内に充填された樹脂２２を複数の微小要素に分割し、有限要素法等を用いてその解析を行うことから、温度算出手段３４では、入力された成形条件に基づいてある時刻における樹脂２２の温度を各微小要素ごとに算出し、その温度分布を求める。
【００２３】
粘度算出手段３６は、温度算出手段３４によって算出された温度（温度分布）に基づいて粘度フィッティングモデル格納手段３２に格納される複数個の粘度フィッティングモデルのうちのいずれかを選択すると共に、入力手段１４により入力された成形条件と選択した粘度フィッティングモデルを用いて樹脂２２の粘度を各微小要素ごとに算出する。
【００２４】
また、金型モデル設計手段３８は、算出された粘度や、図示しない手段によって算出される樹脂２２の応力特性等に基づいてキャビティ２０ｃ内における樹脂２２の流動挙動を解析し、その解析結果を利用して金型モデル２０を設計（更新）する。
【００２５】
図３は長繊維強化樹脂と樹脂単体または短繊維強化樹脂の粘度の温度特性を説明する説明図、図４は長繊維強化樹脂の粘度を従来モデルにより算出した値とその実測値とを対比して示す説明図である。
【００２６】
図３に示すように、樹脂単体または短繊維で強化された樹脂（以下、この明細書で「短繊維強化樹脂」と呼ぶ。）にあっては、高温域での粘度が低く、温度の低下と共に粘度が高くなる傾向にある。これに対し長繊維強化樹脂にあっては、高温域での粘度は高いが、樹脂の温度Ｔがある温度（第１の所定温度。Ｔａ）未満に低下するまでは粘度がほぼ一定の値に保たれ、または緩やかに高くなり、Ｔａ未満となったときに急激に高くなると共に、さらに温度Ｔが低下してある温度（第２の所定温度。Ｔｂ）未満となると、再びほぼ一定の値を取る傾向がある。
【００２７】
このように、樹脂単体や短繊維強化樹脂の場合、粘度が温度変化に対して一定の規則性をもって変化していくことから、従来から知られるＣｒｏｓｓ−ＷＬＦ式等に対し全温度範囲にわたって一義的に定められた特定の係数を代入した粘度フィッティングモデルを用いることで精度良く粘度を算出することができる。
【００２８】
しかしながら、長繊維強化樹脂の場合、樹脂単体や短繊維強化樹脂とは異なる粘度の温度特性を有するため、図４に示すように、従来の粘度フィッティングモデルを用いても長繊維強化樹脂の粘度の温度特性を十分に表現することはできず、樹脂２２の成形過程における流動挙動の解析を精度良く行うことができない。
【００２９】
そこでこの発明においては、予め粘度の温度特性が急激に変化する温度範囲を実験により求めておき、使用される樹脂２２の種類および温度範囲ごとに粘度フィッティングモデルを用意、より具体的には、粘度の算出式において所定の温度範囲ごとに係数を変化させられる複数個の粘度フィッティングモデルを粘度フィッティングモデル格納手段３２に格納しておき、樹脂２２の種類および温度に応じていずれかの粘度フィッティングモデルを適宜選択できるようにした。
【００３０】
尚、図４および後述する図７において、複数の特性が描かれているが、これらは同一樹脂２２の粘度をせん断速度［１／ｓ］別に表したものである。また、図４，７に示す実測値は、繊維長２５ｍｍ（１インチ）のガラス長繊維で強化されたナイロン６の特性を示す。
【００３１】
ここで、この発明に係る粘度フィッティングモデルについて説明する。式（１）は、従来の射出成形ＣＡＥにおいて用いられる粘度フィッティングモデル（粘度式）の例を示す。
【００３２】
【数１】
0006029559.tif 000002
ここで、ηは樹脂２２の粘度［Ｐａ・ｓ］、η０はゼロせん断粘度［Ｐａ・ｓ］（定数）、γはせん断速度［１／ｓ］、Ｔは絶対温度［Ｋ］、Ｐは圧力［Ｐａ］、τ＊は臨界応力（定数）、Ｎはべき乗則指数（定数）、Ａ１，Ａ２，Ｄ１〜Ｄ３は係数を表す。
【００３３】
上述したように、従来の粘度フィッティングモデルにおいては、各係数Ａ１，Ａ２，Ｄ１〜Ｄ３の値は一義的に定められており、樹脂２２の温度Ｔが変化しても係数の値が変更されることはない。
【００３４】
これに対し、この発明に係る粘度フィッティングモデルの例を式（２−１）、式（２−２）、式（２−３）に示す。
【数２】
0006029559.tif 000003
【００３５】
即ち、この発明においては、予め所定の温度範囲ごとに粘度式の各係数Ａ１〜Ａ３，Ｂ１〜Ｂ３，Ｃ１〜Ｃ３を変更した複数個（３個）の粘度フィッティングモデル（粘度式）を粘度フィッティングモデル格納手段３２に格納しておき、これを適宜選択するように構成した。
【００３６】
尚、粘度フィッティングモデル（粘度式）はＣｒｏｓｓ−ＷＬＦ式に限定されるものではなく、Ｃｒｏｓｓ−ＷＬＦ式に代えて、あるいはこれと併用して３定数モデル式や６定数モデル式等を用いるように構成しても良い。
【００３７】
図５は装置１０のコンピュータ１２によって行われる樹脂２２の成形過程における流動解析処理を示すフロー・チャートである。
【００３８】
以下説明すると、Ｓ（ステップ）１０において入力手段１４を介してコンピュータ１２に成形条件、即ち金型モデル２０および樹脂２２の初期条件、より具体的には、金型モデル２０や樹脂２２に関する熱伝導率、初期温度、容積、成形時間（流動停止判定時間）ｔｓ、成形時のプレス機の速度や圧力等が入力されると共に、後述する時刻ｔや要素ｉの値が初期化される。
【００３９】
次いでＳ１２に進み、現在の時刻ｔが流動停止判定時間ｔｓに達したか否か判断する。時刻ｔは初期値がｔ＝０に設定されるため、解析を開始した直後におけるＳ１２の判断は否定されてＳ１４に進む。
【００４０】
Ｓ１４では、温度算出手段３４により、時刻ｔにおける樹脂２２の温度、より正確には、この解析処理は有限要素法等により行われることから、ｎ個に分割された要素ｉごとに温度Ｔｉ（ｔ）を算出する。尚、図５フロー・チャートでは図示を省略するが、Ｓ１４からＳ１８の処理は樹脂２２の全ての要素ｉ（ｉ＝１，２，・・・，ｎ）に対して行われることから、Ｓ１４の処理は樹脂２２の温度分布を算出することに等しい。
【００４１】
次いでＳ１６に進み、粘度算出手段３６により、算出された温度（分布）に基づいて粘度フィッティングモデルを選択すると共に、選択された粘度フィッティングモデルを用いて樹脂２２の粘度η、より正確には分割された要素ｉごとに粘度ηｉを算出する。
【００４２】
図６はその処理を表すサブ・ルーチン・フロー・チャートである。
【００４３】
以下説明すると、先ずＳ１００において、Ｓ１４で算出された時刻ｔにおける要素ｉの温度Ｔｉ（ｔ）が第１の所定温度Ｔａ以上か否か判断する。Ｓ１００で肯定されるときは、当該要素ｉは温度が比較的高い高温領域（所定の温度範囲）にあると判断されることから、Ｓ１０２に進み、粘度フィッティングモデル格納手段３２に格納される粘度フィッティングモデルのうちから、高温領域における粘度フィッティングモデル１（第１のモデル。式（２−１））を選択し、その粘度ηｉを算出する。
【００４４】
他方、Ｓ１００で否定されるときはＳ１０４に進み、時刻ｔにおける要素ｉの温度Ｔｉ（ｔ）が第２の所定温度Ｔｂ以上か否か判断、即ち、要素ｉの温度Ｔｉ（ｔ）が第１の所定温度Ｔａ未満であって、かつ第２の所定温度Ｔｂ以上か否か判断する。Ｓ１０４で肯定されるときは、当該要素ｉは温度に対する粘度ηの特性が急激に変化する遷移領域（所定の温度範囲）にあると判断されることから、Ｓ１０６に進み、粘度フィッティングモデル格納手段３２に格納される粘度フィッティングモデルのうちから、遷移領域における粘度フィッティングモデル２（第２のモデル。式（２−２））を選択し、その粘度ηｉを算出する。
【００４５】
Ｓ１０４でも否定されるときは、当該要素ｉは温度が比較的低い低温領域（所定の温度範囲）にあると判断されることから、Ｓ１０８に進み、粘度フィッティングモデル格納手段３２に格納される粘度フィッティングモデルのうちから、低温領域における粘度フィッティングモデル３（第３のモデル。式（２−３））を選択し、その粘度ηｉを算出する。
【００４６】
図５フロー・チャートの説明に戻ると、次いでＳ１８に進み、選択された粘度フィッティングモデルを用いて算出された粘度η等に基づき、樹脂２２の流動解析を行ったのち、Ｓ２０に進み、時刻ｔに所定時間Δｔを加算して時刻を更新した後、Ｓ１２に戻り、時刻ｔが流動停止判定時間ｔｓに達するまで上記した処理を繰り返す。
【００４７】
Ｓ１２で肯定、即ち樹脂２２の流動挙動が停止したと判断されるときはＳ２２に進み、解析結果を入出力処理手段３０を介して表示手段１６に表示すると共に、表示された結果の妥当性について判断する。
【００４８】
Ｓ２２で肯定されるとき、即ち解析結果が妥当であると判断されるときはＳ２４に進み、金型モデル設計手段３８により、得られた解析結果に基づいて金型モデル２０を設計、より正確には金型モデル２０の設計データを更新してプログラムを終了する。他方、表示された解析結果が妥当でないと判断されるときは、Ｓ１０に戻り、成形条件を変更して上記した解析処理を繰り返す。
【００４９】
図７はこの発明の効果を示す説明図である。図７に示す如く、この発明の解析処理を行うことにより、従来の粘度フィッティングモデルでは十分に表現することのできなかった長繊維強化樹脂の粘度ηの温度特性を正確に表現することができる。
【００５０】
以上の如く、この発明の実施例にあっては、金型（金型モデル２０）のキャビティ２０ｃ内に充填された長繊維強化樹脂（樹脂）２２の成形過程における流動挙動を解析するコンピュータ支援による金型設計装置１０において、前記長繊維強化樹脂の成形条件を入力する入力手段１４（Ｓ１０）と、前記入力された成形条件に基づいて前記長繊維強化樹脂の温度Ｔｉを算出する温度算出手段３４（Ｓ１４）と、所定の温度範囲ごとに設けられる複数個の粘度フィッティングモデル（第１のモデル、第２のモデル、第３のモデル。式（２−１）、式（２−２）、式（２−３））と、前記算出された温度に基づいて前記複数個の粘度フィッティングモデルのうちのいずれかを選択すると共に、前記選択された粘度フィッティングモデルを用いて前記長繊維強化樹脂の粘度ηを算出する粘度算出手段（Ｓ３６）とを備える如く構成したので、所定の温度範囲ごとに適切な粘度フィッティングモデルを用いることが可能となり、長繊維強化樹脂の粘度を広い温度範囲にわたって精度良く算出でき、樹脂の流動挙動の解析精度を向上することができる。
【００５１】
また、前記複数個の粘度フィッティングモデルは、少なくとも前記算出された温度が第１の所定温度Ｔａ以上である場合に選択されるべき第１のモデル（式（２−１）。Ｓ１６，Ｓ１０２）と、前記第１の所定温度Ｔａ未満であって、前記第１の所定温度よりも低い温度に設定される第２の所定温度Ｔｂ以上である場合に選択されるべき第２のモデル（式（２−２）。Ｓ１６，Ｓ１０４）と、前記第２の所定温度未満である場合に選択されるべき第３のモデル（式（２−３）。Ｓ１６，Ｓ１０８）とからなる如く構成したので、上記した効果に加え、所定の温度範囲ごとに最適な粘度フィッティングモデルを用いることが可能となり、長繊維強化樹脂の粘度を広い温度範囲にわたってより一層精度良く算出でき、樹脂の流動挙動の解析精度を向上することができる。
【００５２】
尚、上記実施例においては、樹脂２２に含有される繊維としてガラス繊維を例にとって説明したが、含有させる繊維はガラス繊維に限られず、例えば炭素繊維、アラミド繊維等を用いても良い。また含有される繊維長も２５ｍｍに限定されるものではなく、上記構成は、樹脂に長繊維が含有されることによってその樹脂の粘度の温度特性が樹脂単体や短繊維強化樹脂とは異なる特性を示すものであればどのような長さの繊維にも妥当する。
【００５３】
また、上記実施例においては、プレス加工成形法によって樹脂を成形する際の樹脂の流動挙動を解析するコンピュータ支援による金型設計装置について説明したが、樹脂の成形手法はこれに限られるものではなく、上記構成は、長繊維強化樹脂の成形が可能な手法であればどのような成形手法にも妥当する。
【００５４】
また、上記実施例においては、３個の粘度フィッティングモデルを用いて説明したが、これに限られるものではなく、用いられる長繊維強化樹脂の温度特性、あるいは要求される粘度の精度等に応じて所定の温度範囲をより細かく分割することにより、より多くの粘度フィッティングモデルを用意するようにしても良い。
【符号の説明】
【００５５】
１０  コンピュータ支援による金型設計装置、１２  コンピュータ、１４  入力手段、１６  表示手段、  ２０  金型（製品）モデル、２０ａ  上型、２０ｂ  下型、２０ｃ  キャビティ、  ２２  樹脂、３０  入出力処理手段、３２  粘度フィッティングモデル格納手段、３４  温度算出手段、３６  粘度算出手段
【図１】
0006029559.tif 000004
【図２】
0006029559.tif 000005
【図３】
0006029559.tif 000006
【図４】
0006029559.tif 000007
【図５】
0006029559.tif 000008
【図６】
0006029559.tif 000009
【図７】
0006029559.tif 000010