(57)【要約】【課題】樹脂の変態域として結晶化遷移域を設け、ＰＶＴ曲線を作成して解析を行う射出成形過程シミュレーション方法を提供すること。【解決手段】ＰＶＴ曲線作成部２２は、樹脂の融点と発熱反応終了温度をデータベース部２１から入力し、結晶化遷移域の上限温度と下限温度を決定する。また、状態量近似式から比容積の上限と下限を決定する。結晶化遷移域のＰＶＴ曲線は、樹脂の融点における比容積と徐冷した際の常温の比容積を直線で結んで作成する。溶融域と固化域のＰＶＴ曲線は、樹脂を徐冷した際と同様とする。作成したＰＶＴ曲線から比容積の減少量を算出してひずみ率εを計算し、そり変形解析における初期設定パラメータを作成する。これらを用いて射出成形に関するシミュレーションを行うことにより、精度の高い解析結果を得ることができる。【選択図】　　　図１
2004001248.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
樹脂の変態域を溶融域と固化域とに分割し、各変態域ごとに圧力と比容積と温度との相関を設定したモデルに基づいて、樹脂の射出成形に関するシミュレーションを行う射出成形過程シミュレーション方法において、
樹脂の溶融域から固化域への変態の途中過程として結晶化遷移域を設け、
前記結晶化遷移域における樹脂の圧力と比容積と温度との相関は、前記樹脂を急冷によって常温まで低下させた際の相関を上限とし、前記樹脂を徐冷によって常温まで低下させた際の相関を下限として、これら２つの相関をもとに算出されるものであることを特徴とする射出成形過程シミュレーション方法。
【請求項２】
前記結晶化遷移域の上限温度は、前記樹脂を徐冷した際の融点とし、前記結晶化遷移域の下限温度は、前記樹脂を急冷した際の発熱反応終了温度とすることを特徴とする請求項１記載の射出成形過程シミュレーション方法。
【請求項３】
前記結晶化遷移域における前記樹脂の比容積は、前記樹脂を徐冷した際の前記上限温度における比容積を最大値とし、前記樹脂を徐冷した際の前記下限温度における比容積を最小値として、連続的に変化するように設定されることを特徴とする請求項１または請求項２記載の射出成形過程シミュレーション方法。
【請求項４】
前記結晶化遷移域における前記樹脂の比容積は、前記樹脂を徐冷した際の前記上限温度における比容積と、前記樹脂を徐冷した際の常温における比容積とを、直線で近似して算出することを特徴とする請求項１または請求項２記載の射出成形過程シミュレーション方法。
【請求項５】
前記モデルの比容積の減少量が、そり変形解析の初期設定パラメータとされることを特徴とする請求項１記載の射出成形過程シミュレーション方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、射出成形過程のシミュレーションにおいて、樹脂の変態域として結晶化遷移域を導入することにより、精度の良い射出成形に関するシミュレーションを行うことが可能な射出成形過程シミュレーション方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術における射出成形過程シミュレーション方法の一例として、例えば特開２０００−３１３０３５号公報に開示された方法がある。この方法では、射出成形品の肉厚と金型温度とをパラメータとして既存の状態量近似式に外挿し、体積収縮率を計算する。
【０００３】
すなわち、射出成形品の体積収縮率計算を行う準備段階として、成形品の肉厚と金型温度とを外挿したパラメータを事前に用意しておく。前述のパラメータは、２−ｄｏｍａｉｎ　Ｔａｉｔ　Ｅｑｕａｔｉｏｎのパラメータと対応させる。２−ｄｏｍａｉｎ　Ｔａｉｔ　Ｅｑｕａｔｉｏｎは、樹脂の温度変化における溶融域と固化域の両変態域のＰＶＴ曲線を記述する状態量近似式である。図７は、成形品の肉厚と金型温度とを外挿したパラメータｃ１’〜ｃ１３’を含む２−ｄｏｍａｉｎ　Ｔａｉｔ　Ｅｑｕａｔｉｏｎである。
【０００４】
体積収縮率を計算する際には、まず、射出成形過程シミュレーションの第一段階である充填解析を行う。そして、充填解析の解析結果であるリスタートデータを初期条件とし、成形品の肉厚と金型温度とをパラメータとして外挿した２−ｄｏｍａｉｎ　Ｔａｉｔ　Ｅｑｕａｔｉｏｎから作成したＰＶＴ曲線を用いて、射出成形過程シミュレーションの第二段階である保圧冷却解析を行う。最後に、保圧冷却解析の解析結果を入力として、体積収縮率を計算する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来技術の射出成形過程シミュレーション方法では、体積収縮率の算出に際して、成形品の肉厚と金型温度に対するパラメータを事前に計算して用意する必要がある。そのため、成形品の肉厚変化が激しい場合は、膨大な量のパラメータが必要となる。これは、パラメータの計算時間と記憶容量の両面から見て、効率が悪い。
【０００６】
本発明は、前記の問題点を鑑み、樹脂の変態域として結晶化遷移域を導入することにより、精度の良い射出成形に関するシミュレーションを容易に行うことが可能な射出成形過程シミュレーション方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目標を達成するために、請求項１に記載の射出成形過程シミュレーション方法は、樹脂の変態域を溶融域と固化域とに分割し、各変態域ごとに圧力と比容積と温度との相関を設定したモデルに基づいて、樹脂の射出成形に関するシミュレーションを行う射出成形過程シミュレーション方法において、樹脂の溶融域から固化域への変態の途中過程として結晶化遷移域を設け、結晶化遷移域における樹脂の圧力と比容積と温度との相関は、樹脂を急冷によって常温まで低下させた際の相関を上限とし、樹脂を徐冷によって常温まで低下させた際の相関を下限として、これら２つの相関をもとに算出されるものであることを特徴とする。
【０００８】
このように、本発明の射出成形過程シミュレーション方法では、樹脂の溶融域から固化域への変態の途中過程として、結晶化を考慮した結晶化遷移域を設ける。結晶化遷移域における樹脂の圧力と比容積と温度との相関は、当該樹脂を急冷によって常温まで低下させた際の圧力と比容積と温度との相関を上限とし、徐冷によって常温まで低下させた際の圧力と比容積と温度との相関を下限とし、これら２つの相関をもとに算出する。そのため、算出された結晶化遷移域の樹脂の圧力と比容積と温度との相関は、樹脂の結晶化の度合いを反映したものとなる。
【０００９】
そして、射出成形に関するシミュレーションは、上述の結晶化遷移域を導入したモデルに基づいて行われるため、計算誤差が小さくなり、精度の良い解析結果が得られる。
【００１０】
結晶化遷移域の温度における境界条件としては、請求項２に記載のように、結晶化遷移域の上限温度は、樹脂を徐冷した際の融点とし、結晶化遷移域の下限温度は、樹脂を急冷した際の発熱反応終了温度とすることが望ましい。結晶化遷移域の上限温度は、樹脂が結晶化を開始する温度であるため、樹脂を徐冷した際の融点とするのが好ましいためである。また、結晶化遷移域の下限温度は、樹脂が結晶化を終了する温度であるため、固化する際の発熱（凝固熱）が終了する温度とするのが好ましいためである。
【００１１】
結晶化遷移域の比容積における境界条件としては、請求項３に記載のように、結晶化遷移域における樹脂の比容積は、樹脂を徐冷した際の上限温度における比容積を最大値とし、樹脂を徐冷した際の下限温度における比容積を最小値として、連続的に変化するように設定されることが望ましい。樹脂を急冷した場合は、当該樹脂は非結晶部分が大半を占めるため比容積が最大となり、徐冷した場合は、当該樹脂は結晶部分が大半を占めるため比容積が最小となる。結晶化遷移域においては、当該樹脂は結晶部分と非結晶部分が混在した状態となるため、これらを結晶化遷移域の比容積の上限と下限に設定することが好ましいためである。
【００１２】
結晶化遷移域における比容積の算出方法としては、請求項４に記載のように、結晶化遷移域における樹脂の比容積は、樹脂を徐冷した際の上限温度における比容積と、樹脂を徐冷した際の常温における比容積とを、直線で近似して算出することが望ましい。直線で近似することにより、少ない計算時間で比容積を算出することができるためである。
【００１３】
さらに、請求項５に記載のように、前記モデルの比容積の減少量が、そり変形解析の初期設定パラメータとされることが望ましい。樹脂の比容積の減少量をそり変形解析の初期設定パラメータとすることで、結晶化の度合いを考慮した、精度の良いそり変形解析結果を算出することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の一実施形態における全体構成を示すブロック図である。
【００１５】
本実施形態における射出成形過程シミュレーション方法は、例えばパソコン等に実装され、ユーザの指示に従って、射出成形過程における樹脂の状態を解析して表示するものである。
【００１６】
入力部１は、例えばキーボードやマウス等の入力機器である。ユーザは入力部１から、射出成形を行う成形品の形状、射出樹脂の物性、成形条件等を入力する。また、実行する解析の種類の指定も行う、
射出成形過程シミュレーション部２は、データベース部２１、ＰＶＴ曲線作成部２２、解析部２３から構成される。
【００１７】
ＰＶＴ曲線作成部２２は、射出成形過程シミュレーション部２の内部にあっても良いし、内部にはなく、外装としてもよい。いずれにしろ、充填解析部２３ａ、保圧冷却解析部２３ｂあるいは保圧冷却解析部２３ｂが結晶化遷移域を持つＰＶＴ式に対応していれば良い。
【００１８】
データベース部２１は、射出成形過程シミュレーションを行う際に必要となる各種データをデータベースとして保持している。データベースには、成形品の形状に関するデータを保持している形状データベース、射出樹脂の物性に関するデータを保持している物性データベース、樹脂の成形条件に関するデータを保持している成形条件データベースの３つがある。
【００１９】
形状データベースは、成形品の形状を多数のメッシュに分割した際の各メッシュの要素データと、当該メッシュと隣接する他のメッシュとの節点データとを記憶しており、ユーザが選択したメッシュ形状やメッシュ分割数に対応するデータを解析部２３へ出力する。
【００２０】
物性データベースは、射出する樹脂の粘性度データ、比熱データ、熱伝導率データが樹脂ごとに記憶されており、ユーザが指定した樹脂に対応するデータを解析部２３へ出力する。
【００２１】
成形条件データベースは、射出樹脂の温度データ、射出時間データ、保圧圧力データ、保圧時間データ、冷却時間データおよび金型温度データが記憶されており、ユーザが指定した成形条件に対応するデータを解析部２３へ出力する。
【００２２】
ＰＶＴ曲線作成部２２は、圧力−比容積−温度をパラメータとする状態量近似式を記憶しており、ユーザが指定した成形品の形状、射出樹脂、成形条件に対応するデータをデータベース部２１から入力し、前述の状態量近似式からＰＶＴ曲線群を作成する。その際には、樹脂の変態域を溶融域、固化域、結晶化遷移域の３つに分割し、それぞれの変態域に異なるパラメータを含む状態量近似式を適用する。作成されたＰＶＴ曲線群は、保圧冷却解析部２３ｂへ出力される。
【００２３】
解析部２３は、充填解析部２３ａ、保圧冷却解析部２３ｂ、そり変形解析部２３ｃから構成される。
【００２４】
充填解析部２３ａでは、金型キャビティ内への充填過程における樹脂の状態を解析する。解析にあたっては、成形品の形状、樹脂の物性、成形条件に該当するデータをデータベース部２１から受け取り、連続の式、Ｎａｖｉｅｒ−Ｓｔｏｋｅｓ方程式、エネルギー保存式を利用してこれを行う。前述の式を用いた樹脂の充填解析方法については、従来技術として複数の方法が既に公知であるため、説明を省略する。
【００２５】
保圧冷却解析部２３ｂは、金型キャビティ内への樹脂の充填が終了した時点から、成形品が金型外部に放出されて室温まで至るまでの過程における樹脂の状態を解析する。その際には、ＰＶＴ曲線作成部２２が作成したＰＶＴ曲線群を利用し、温度や圧力等の条件から、樹脂の比容積を算出する。ＰＶＴ曲線群を用いた樹脂の保圧冷却解析方法は、従来技術として、Ｓｐｅｎｃｅｒ−ＧｉｌｍｏｒｅＥｑｕａｔｉｏｎやＭｏｄｉｆｉｅｄ　２−ｄｏｍａｉｎ　Ｔａｉｔ　Ｅｑｕａｔｉｏｎを用いた方法があり、本実施形態でも、これらの状態式が適用される。
【００２６】
そり変形解析部２３ｃは、保圧冷却解析部２３ｂの解析結果から、成形品各部のそりの解析を行う。その際には、保圧冷却解析部２３ｂによる成形品各部の比容積の減少量（体積収縮率）を樹脂のひずみとして、そり変形解析の初期設定パラメータとして用いる。そり変形解析方法については、成形品各部のひずみ率εから応力を計算し、応力テンソルを出力するなどの方法があるが、この点に関しては従来技術と同様であるため、説明を省略する。
【００２７】
出力部３は、例えばディスプレイ等の表示装置である。出力部３は射出成形過程シミュレーション部２が解析した結果を外部へ出力する。
【００２８】
図２は、本実施形態において、ＰＶＴ曲線作成部がＰＶＴ曲線を作成するフローチャートである。
【００２９】
ステップ２０１では、射出樹脂の結晶化遷移域における上限温度を決定する。ＰＶＴ曲線作成部２２は、データベース部２１の物性データベースから樹脂を徐冷した際の融点を読み出し、これを結晶化遷移域の上限温度とする。
【００３０】
ステップ２０２では、射出樹脂の結晶化遷移域における下限温度を決定する。ＰＶＴ曲線作成部２２は、データベース部２１の物性データベースから樹脂を急冷した際の発熱反応終了温度を読み出し、これを結晶化遷移域の下限温度とする。
【００３１】
ステップ２０３では、射出樹脂の結晶化遷移域における比容積の上限を決定する。ＰＶＴ曲線作成部２２は、樹脂を急冷した際の圧力−比容積−温度の相関を記述する状態量近似式から、当該樹脂の結晶化遷移域における各温度に対する比容積を算出し、これを上限として設定する。
【００３２】
ステップ２０４では、射出樹脂の結晶化遷移域における比容積の下限を決定する。ＰＶＴ曲線作成部２２は、樹脂を徐冷した際の圧力−比容積−温度の相関を記述する状態量近似式から、当該樹脂の結晶化遷移域における各温度に対する比容積を算出し、これを下限として設定する。
【００３３】
ステップ２０５では、溶融域における樹脂のＰＶＴ曲線を作成する。ＰＶＴ曲線作成部２２は、樹脂を徐冷した際の圧力−比容積−温度を示す状態量近似式から、溶融域における樹脂の各温度に対する比容積を算出し、溶融域における樹脂のＰＶＴ曲線を作成する。
【００３４】
ステップ２０６では、結晶化遷移域における樹脂のＰＶＴ曲線を作成する。ＰＶＴ曲線作成部２２は、結晶化遷移域の上限温度における比容積と、樹脂を急冷した際の常温における比容積とを算出して直線で結び、これを結晶化遷移域における樹脂のＰＶＴ曲線とする。
【００３５】
ステップ２０７では、固化域における樹脂のＰＶＴ曲線を作成する。ＰＶＴ曲線作成部２２は、結晶化遷移域の下限温度における樹脂の比容積を算出し、これを初期条件として、樹脂を徐冷した際の圧力−比容積−温度を示す状態量近似式に代入する。前述の式を用いて、固化域における樹脂の各温度に対する比容積を算出し、固化域における樹脂のＰＶＴ曲線を作成する。
【００３６】
こうして、各変態域ごとに作成したＰＶＴ曲線を結んで、全変態域における樹脂のＰＶＴ曲線を作成する。さらに、樹脂に加える圧力を変化させ、各圧力ごとにＰＶＴ曲線を作成する。作成された複数のＰＶＴ曲線は、ＰＶＴ曲線群としてまとめられ、保圧冷却解析時に利用される。
【００３７】
このように、本実施形態の射出成形過程シミュレーション方法では、樹脂の溶融域から固化域への変態の途中過程として、結晶化を考慮した結晶化遷移域を設ける。そして、結晶化遷移域における樹脂の圧力と比容積と温度との相関を、当該樹脂を急冷もしくは徐冷によって常温まで低下させた際の相関を上限もしくは下限として算出する。そのため、算出される結晶化遷移域の樹脂の圧力と比容積と温度との相関は、樹脂の結晶化の度合いを反映したものとなる。
【００３８】
そして、射出成形に関するシミュレーションは、結晶化遷移域を導入したモデルに基づいて行われるため、計算誤差が小さくなり、精度の良い解析結果が得られる。
【００３９】
結晶化遷移域の上限温度は樹脂を徐冷した際の融点とし、下限温度は樹脂が固化する際の発熱（凝固熱）が終了する温度とする。また、結晶化遷移域における樹脂の比体積は、樹脂を急冷した場合の比容積を最大とし、徐冷した場合の比容積を最小とする。これにより、結晶化遷移域は、樹脂の結晶化の過程を反映したものとなる。
【００４０】
結晶化遷移域における樹脂の各温度に対する比体積は、上限温度における樹脂の比体積と徐冷した際の常温における樹脂の比体積とを直線で結んで近似して算出することにより、少ない計算時間で比容積を算出することができる。
【００４１】
次に、図２に示すフローチャートから、ＰＶＴ曲線群を作成する過程を具体的に説明する。
【００４２】
まず、ＰＶＴ曲線作成部２２は、射出樹脂を徐冷した際の融点と急冷した際の発熱反応終了温度とを、データベース部２１の物性データベースから入力する。そして、これらの温度を結晶化遷移域の上限温度および下限温度と設定し、樹脂の各変態域を決定する（図３（ａ））。
【００４３】
次に、ＰＶＴ曲線作成部２２は、樹脂を急冷した際の圧力−比容積−温度の相関を記述する状態量近似式と、樹脂を徐冷した際の圧力−比容積−温度の相関を記述する状態量近似式とから、結晶化遷移域における当該樹脂の比容積の上限と下限を決定する。そして、樹脂を徐冷した際の状態量近似式から、溶融域の各温度における比容積を算出し、溶融域のＰＶＴ曲線を作成する（図３（ｂ））。ここでは、状態量近似式として、Ｍｏｄｉｆｉｅｄ　３−ｄｏｍａｉｎ　ＴａｉｔＥｑｕａｔｉｏｎを用いる。
【００４４】
Ｍｏｄｉｆｉｅｄ　３−ｄｏｍａｉｎ　Ｔａｉｔ　Ｅｑｕａｔｉｏｎは、図４で示される樹脂の状態量近似式であり、従来技術であるＭｏｄｉｆｉｅｄ　２−ｄｏｍａｉｎ　Ｔａｉｔ　Ｅｑｕａｔｉｏｎに対して、結晶化遷移域を導入して拡張したものである。本式には、各変態域に特有のパラメータが用意されており、樹脂が温度低下によって異なる変態域へ状態が移行した場合は、前述のパラメータを当該変態域のパラメータに変更して、樹脂の状態を算出する。図４に示される溶融域パラメータは、樹脂の溶融域におけるパラメータであり、固化域パラメータは、樹脂の固化域におけるパラメータである。ＣとＱは樹脂の特性に依存する定数である。これらのパラメータは樹脂の種類によって異なるため、事前に各種方法によって計測しておく。計測方法の一例としては、液化水銀の中に試料となる樹脂片を入れ、温度と圧力を変化させて当該試料の比体積を計測する方法が挙げられる。ｐ１は圧力に関するパラメータであり、樹脂に加えられる圧力に依存するものである。
【００４５】
ＰＶＴ曲線作成部２２は、上限温度における樹脂の比容積と、樹脂を徐冷した際の常温における比容積とを、前述の状態量近似式から算出する。これら２つの比容積を直線で結んで傾きを算出し、結晶化遷移域におけるＰＶＴ曲線がこの直線の傾きに最も近い傾きの直線となるように、図４の結晶化遷移域パラメータを決定する。そして、結晶化遷移域の各温度における樹脂の比容積を算出し、結晶化遷移域のＰＶＴ曲線を作成する（図３（ｃ））。図４の結晶化遷移域パラメータの決定方法としては、本実施形態の例に限らず、事前に結晶化遷移域パラメータを計測してデータベース部２１の物性データベースに記憶しておき、ここから入力するようにしてもよい。
【００４６】
最後に、結晶化遷移域のＰＶＴ曲線から下限温度における樹脂の比容積を算出し、これを初期条件として樹脂を徐冷した際の状態量近似式へ代入する。前述の式を用いて、固化域における樹脂の各温度に対する比容積を算出し、固化域のＰＶＴ曲線を作成する（図３（ｄ））。
【００４７】
図５は、樹脂の比容積の減少量から成形品各部のひずみ率εを算出し、そり変形解析の初期設定パラメータとする際のフローチャートである。
【００４８】
ステップ５０１では、成形品のそりの基準となる温度（基準温度）における樹脂の比容積を算出する。そり変形解析部２３ｃは、保圧冷却解析部２２ｂからの出力をもとに、成形品においてユーザが指定した部分の基準温度における樹脂の比容積を出力するよう指示し、これを読み取る。
【００４９】
ステップ５０２では、成形品のそりを計測する温度（計測温度）における樹脂の比容積を算出する。そり変形解析部２３ｃは、保圧冷却解析部２２ｂからの出力をもとに、成形品においてユーザが指定した部分の計測温度における樹脂の比容積出力するよう指示し、これを読み取る。
【００５０】
ステップ５０３では、成形品のそりを計測する際の初期設定パラメータであるひずみ率εを算出する。そり変形解析部２３ｃは、前述の２つの温度差と比容積の差を算出し、当該部分の計測温度におけるひずみ率εを算出する。ひずみ率εは、以下の式で与えられる。
【００５１】
【数１】
ε（Ｔ１、Ｔ２、Ｖ１、Ｖ２）＝（Ｔ１−Ｔ２）・（Ｖ１−Ｖ２）
ここで、Ｔ１は基準温度であり、Ｔ２は計測温度である。また、Ｖ１は基準温度における樹脂の比容積であり、Ｖ２は計測温度における樹脂の比容積である（図６参照）。ε（Ｔ１、Ｔ２、Ｖ１、Ｖ２）は、成形品の当該部分の計測温度におけるひずみ率を示す。
【００５２】
以上の手順で算出されたひずみ率εは、そり変形解析を実行する際の初期設定パラメータとして設定される。なお、そり変形解析方法としては、成形品各部のひずみ率εから応力を計算し、応力テンソルを出力するなどの方法があるが、この点に関しては従来技術と同様であるため、説明を省略する。
【００５３】
このように、本実施形態の射出成形過程シミュレーション方法は、樹脂の比容積の減少量をそり変形解析の初期設定パラメータとすることで、結晶化の度合いを考慮した、精度の良いそり変形解析結果を算出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態における全体構成を示すブロック図である。
【図２】本実施形態において、ＰＶＴ曲線作成部がＰＶＴ曲線を作成するフローチャートである。
【図３】図２のフローチャートから、ＰＶＴ曲線を作成する過程を示す図である。
【図４】Ｍｏｄｉｆｉｅｄ　３−ｄｏｍａｉｎ　Ｔａｉｔ　Ｅｑｕａｔｉｏｎを示す図である。
【図５】樹脂の比容積の減少量からひずみ率εを算出し、そり変形解析の初期設定パラメータとする際のフローチャートである。
【図６】ＰＶＴ曲線と基準温度、計測温度との関係を示す図である。
【図７】従来技術において、射出成形過程シミュレーション方法に用いられる２−ｄｏｍａｉｎ　Ｔａｉｔ　Ｅｑｕａｔｉｏｎを示す図である。
【符号の説明】
１…入力部、２…射出成形過程シミュレーション部、２１…データベース部、２２…ＰＶＴ曲線生成部、２３…解析部、２３ａ…充填解析部、２３ｂ…保圧冷却解析部、２３ｃ…そり変形解析部、３…出力部
【図１】
2004001248.tif 000003
【図２】
2004001248.tif 000004
【図３】
2004001248.tif 000005
【図４】
2004001248.tif 000006
【図５】
2004001248.tif 000007
【図６】
2004001248.tif 000008
【図７】
2004001248.tif 000009