(57)【要約】【課題】  適切な成形条件の設定を、熟練者を必要とせず、短時間に行うことができる射出成形における成形条件設定方法および金型設計方法を提供する。【解決手段】  （１）成形条件を設計変数として用いて充填工程解析を行い、キャビティ内の各点に樹脂が到達する時間である充填時間を求める工程と、（２）キャビティの中の樹脂流動末端を含むような複数の点を選択し、それらの点における充填時間の分散値を求める工程と、（３）分散値を評価関数としてこれを小さくするように設計変数を変更する工程と、（４）（１）〜（３）の工程を評価関数が十分小さくなるまで繰り返すことによって最適な設計変数を決定する工程とを有する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金型内に形成されたキャビティに樹脂を射出成形する場合における最適な成形条件を設定する射出成形条件設定方法であって、
（１）成形条件を設計変数として用いて充填工程解析を行い、前記キャビティ内の各点に樹脂が到達する時間である充填時間を求める工程と、
（２）前記キャビティの中の樹脂流動末端を含むような複数の点を選択し、それらの点における充填時間の分散値を求める工程と、
（３）前記分散値を評価関数としてこれを小さくするように前記設計変数を変更する工程と、
（４）前記（１）〜（３）の工程を前記評価関数が十分小さくなるまで繰り返すことによって最適な設計変数を決定する工程とを有することを特徴とする射出成形条件設定方法。
【請求項２】
金型内に形成されたキャビティに樹脂を射出成形する場合における最適な金型設計条件を設定する金型設計方法であって、
（１）金型設計条件を設計変数として用いて充填工程解析を行い、前記キャビティ内の各点に樹脂が到達する時間である充填時間を求める工程と、
（２）前記キャビティの中の樹脂流動末端を含むような複数の点を選択し、それらの点における充填時間の分散値を求める工程と、
（３）前記分散値を評価関数としてこれを小さくするように前記設計変数を変更する工程と、
（４）前記（１）〜（３）の工程を前記評価関数が十分小さくなるまで繰り返すことによって最適な設計変数を決定する工程とを有することを特徴とする金型設計方法。
【請求項３】
前記工程（２）において、前記キャビティ内において所定距離以上離れているという条件下で、充填時間の大きい点を順次選択することにより前記複数の点を選択することを特徴とする請求項１に記載の射出成形条件設定方法または請求項２に記載の金型設計方法。
【請求項４】
前記所定距離は前記キャビティの表面に沿った距離であることを特徴とする請求項３に記載の射出成形条件設定方法または金型設計方法。
【請求項５】
前記所定距離は前記キャビティにおける直線距離であることを特徴とする請求項３に記載の射出成形条件設定方法または金型設計方法。
【請求項６】
前記選択した点の数と前記所定距離の積が前記キャビティの縁部の長さより小さくなるように選択することを特徴とする請求項３ないし請求項５のいずれかに記載の射出成形条件設定方法または金型設計方法。
【請求項７】
前記工程（２）において、事前に前記キャビティを区分し、それらの区分された各領域における最も充填時間の大きい点を選択することを特徴とする請求項１に記載の射出成形条件設定方法または請求項２に記載の金型設計方法。
【請求項８】
前記工程（２）において、前記キャビティの縁部上の点を選択することを特徴とする請求項１に記載の射出成形条件設定方法または請求項２に記載の金型設計方法。
【請求項９】
請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の射出成形条件設定方法または請求項２ないし請求項７のいずれかに記載の金型設計方法の各工程を行う手段を有することを特徴とする射出成形条件設定装置または金型設計装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、射出成形における成形条件設定方法および金型設計方法に関し、特に、金型へ樹脂を均一に充填するための成形条件設定方法、金型設計方法およびそれらを実行する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
射出成形においては、例えば、射出成形に関する圧力や型締め力を低減することによって、射出成形装置や駆動源のコストを低減させることができる。したがって、射出圧力や型締め力等を低減させることができる成形条件を見つけるために、コンピュータを用いたプロセスのシミュレーションと最適化技術を組み合わせた技術が利用されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
一方、樹脂の用途が拡大するにつれ、種々の樹脂材料によって種々の寸法・形状の成形品が射出成形によって製造される。樹脂成形品における反り、ヒケあるいは焼け等の不良品の発生を排除するために、製品の形状や樹脂材料に応じた最適な金型の設計や最適な射出成形条件設定を行う必要が有る。
【０００４】
このような金型の設計や射出成形条件設定は、従来、熟練者が経験や理論に基づいて種々の因子を判断して、試行錯誤しながらその都度行ってきた。しかしながら、客観的な予測に基づく製造技術の安定化や、製品の設計から製造までの納期の短縮等の要請により、上記のようなプロセスのシミュレーションと最適化技術を組み合わせた技術を利用して、金型の設計や射出成形条件設定に関する最適解を迅速かつ手間を掛けずに算出することが望まれている。
【０００５】
例えば、特許文献２には、不良品の発生を排除するために、樹脂の充填時における金型内での樹脂の温度分布、圧力分布を可能な限り小さくすることが重要であるとの知見がなされている。そして、それを具体化するために、形状モデルを複数の微小要素に分割し、金型への樹脂の流入口から複数の微小要素のそれぞれへの到達パラメータを変数とした樹脂温度及び樹脂圧力の分布と、その関数を求め、それら樹脂温度と樹脂圧力の分布及びそれら関数に基づいて初期設計パラメータを評価する技術が開示されている。しかしながら、樹脂温度及び樹脂圧力の分布は、算出過程が複雑である上に、不良品の発生との直接的な関連性を把握しにくい。したがって、上記のような評価技術は、ＣＡＯ（コンピュータ支援による最適化）技術と組み合わせて成形不良の排除のために用いるには実用的ではない。
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−８０５７５号公報
【特許文献２】特開平１０−２７８０８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、前記事情に鑑みて為されたもので、従来、人間の経験と勘によって行われてきた判断を可能な限りコンピュータで行って、適切な成形条件の設定を、熟練者を必要とせず、短時間に行うことができる射出成形における成形条件設定方法、金型設計方法およびそれらを実行する装置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】
【０００８】
前記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、金型内に形成されたキャビティに樹脂を射出成形する場合における最適な成形条件を設定する射出成形条件設定方法であって、（１）成形条件を設計変数として用いて充填工程解析を行い、前記キャビティ内の各点に樹脂が到達する時間である充填時間を求める工程と、（２）前記キャビティの中の樹脂流動末端を含むような複数の点を選択し、それらの点における充填時間の分散値を求める工程と、（３）前記分散値を評価関数としてこれを小さくするように前記設計変数を変更する工程と、（４）前記（１）〜（３）の工程を前記評価関数が十分小さくなるまで繰り返すことによって最適な設計変数を決定する工程とを有することを特徴とする。
【０００９】
また、請求項２に記載の発明は、金型内に形成されたキャビティに樹脂を射出成形する場合における最適な金型設計条件を設定する金型設計方法であって、（１）金型設計条件を設計変数として用いて充填工程解析を行い、前記キャビティ内の各点に樹脂が到達する時間である充填時間を求める工程と、（２）前記キャビティの中の樹脂流動末端を含むような複数の点を選択し、それらの点における充填時間の分散値を求める工程と、（３）前記分散値を評価関数としてこれを小さくするように前記設計変数を変更する工程と、（４）前記（１）〜（３）の工程を前記評価関数が十分小さくなるまで繰り返すことによって最適な設計変数を決定する工程とを有することを特徴とする。
【００１０】
ここで、樹脂流動末端とは、金型内において単なる樹脂材料の通過点ではなく、キャビティ内の空間において樹脂流動が停止する点と定義される。このような樹脂流動末端は、ゲートから流入する樹脂材料が「行き止まる」点であり、例えば、正方形の平板状空間にその中央に設けた単一のゲートから樹脂を注入する場合には、４つの頂点（角）が樹脂流動末端に該当すると考えられる。このような点は、簡単な形状でゲートが単数の場合には直感的に分かりやすいが、形状が複雑化し、またゲートが複数になれば、樹脂流れも複雑化して、簡単には判断しにくい。
【００１１】
この発明は、そのような樹脂流動末端を正確に特定することができない場合でも、少なくとも樹脂流動末端を含むような点の集合を選択し、そのような点における充填時間の分散値を最適化の際の評価関数とし、これが最小となるような条件を好適な成形条件とする。充填時間の分散値が最小、すなわち、充填タイミングが均一であれば、全体として充填中における圧力や温度の変動も小さく、したがって、それぞれの点における樹脂の性状も一定となって、品質も良好になる。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の射出成形条件設定方法または金型設計方法において、前記工程（２）において、所定距離以上離れているという条件下で、充填時間の大きい点を順次選択することにより前記複数の点を選択することを特徴とする。このようにすることにより、キャビティが充填時間の大きい点を順次含むような領域に区分され、その領域内の充填時間が最大である点は樹脂流動末端かまたはそれに近い位置の点となる可能性が高い。
【００１３】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の射出成形条件設定方法または金型設計方法において、前記所定距離は前記キャビティの表面に沿った距離であることを特徴とする。
【００１４】
請求項５に記載の発明は、請求項３に記載の射出成形条件設定方法または金型設計方法において、前記所定距離は前記キャビティにおける直線距離であることを特徴とする。
【００１５】
請求項６に記載の発明は、請求項３ないし請求項５のいずれかに記載の射出成形条件設定方法または金型設計方法において、前記選択した点の数と前記所定距離の積が前記キャビティの縁部の長さより小さくなるように選択することを特徴とする。これにより、良好な最適化を行うために必要な樹脂流動末端が探索されるような適切なサンプル数を得ることができる。
【００１６】
請求項７に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の射出成形条件設定方法または金型設計方法において、前記工程（２）において、事前に前記キャビティを区分し、それらの区分された各領域における最も充填時間の大きい点を選択することを特徴とする。
【００１７】
キャビティを区分する方法としては、区分されたそれぞれの領域にキャビティの縁部が含まれるように設定するのが、好適である。このような概略的な区分方法は、非熟練者の判断でもある程度正確な判断が可能である。キャビティの区分の仕方は、設計変数にかかわらず一定でよい。そして、これらの領域の中においてそれぞれ充填時間が最大である点を求め、それぞれの最大充填時間Ｔ１，・・，Ｔｍの分散を評価関数として設定する。キャビティの全部の領域を区分する必要はなく、必要な領域のみを対象とすればよい。
【００１８】
請求項８に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の射出成形条件設定方法または金型設計方法において、前記工程（２）において、前記キャビティの縁部上の点を選択することを特徴とする。縁部上の点は、樹脂流動末端かまたはそれに近い位置の点となる可能性が高い。
【００１９】
キャビティの縁部上の点を選択することは、樹脂流動末端を含む点を選択する方法として、最も直感的に考えられる。一般的に、樹脂流動末端は主に縁部上に有ると考えられるからである。ただし、金型の内部に入り組んだ縁部が有る場合、例えば小さな穴が多数有るような場合には、そのような縁部を樹脂流動末端として考慮すると最適化の精度が低下するので、このような部分を排除するように選択する。キャビティの縁部は、シェル要素を用いる２．５次元の解析では外形線として与えられ、３次元の解析ではキャビティ側金型の面とコア側金型の面の接線として与えられるが、射出成形においては、特別の場合を除いて２．５次元で解析を実施するので、外形線として扱うことができる。
【００２０】
請求項９に記載の射出成形条件設定装置または金型設計装置は、請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の射出成形条件設定方法または請求項２ないし請求項７のいずれかに記載の金型設計方法の各工程を行う手段を有することを特徴とする。
【００２１】
射出成形条件設定装置は、例えば、請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の射出成形条件設定方法における各工程を実行させるプログラムをインストールしたコンピュータであり、金型設計装置は、請求項２ないし請求項７のいずれかに記載の金型設計方法の各工程を実行させるプログラムをインストールしたコンピュータである。これらのコンピュータは、単独のものであっても、射出成形装置等に付属するものであってもよい。
【発明の効果】
【００２２】
請求項１に記載の成形条件設定方法または請求項２に記載の金型設計方法によれば、従来、人間の経験と勘に基づいて行われてきた判断を可能な限りコンピュータで行って、適切な成形条件や金型設計条件の設定を、熟練者を必要とせず、短時間に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、この発明の実施の形態を個別に説明する。
図１は、この発明の射出成形条件設定方法の実施の形態を説明するフロー図である。この射出成形条件設定方法では、まず、対象とする部品の形状を決定する（ステップ１）。次に、その形状にしたがって、解析モデルを作成する（ステップ２）。以下は、解析による評価関数の算出と、その評価と、新たな変数設定を繰り返し行う最適化のプロセスとなる（ステップ３〜ステップ７）。
【００２４】
解析に用いたソフトウエアは、Moldflow Plastics Insight 2.0 （商品名：Moldflow
Corporation製）である。最適化プロセスにおいて使用したプログラムは、iSIGHT 5.0 (商品名、Engineous Software Inc.製)であり、最適化手法としては、焼きなまし法を採用した。焼きなまし法は、最適解の探索を単純な勾配法を用いて進めるのでは無く、部分的には解の改悪を許すことで解の多様性を生み出し、大域探索を可能とする手法である。最適解への収束は、所定の回数の計算を行った後に判断するようにしている。
【００２５】
ステップ３では、樹脂材料の物性値や、注入樹脂温度、金型温度、射出時間、保圧切替のタイミング、バルブゲート付き金型のバルブ開閉タイミング等の解析条件および成形条件と、成形条件の中から選んだ設計変数の初期値を入力して解析用入力ファイルを作成する。次に、ステップ４において、ステップ２で作成した解析モデルとステップ３で作成した入力ファイルに基づいて、射出成形の充填工程解析を実行する。次に、ステップ５において、解析結果のデータに基づき、後述するような方法で評価関数を算出する。次に、ステップ６において、算出した評価関数が最適な成形条件に収束しているかを判断し、収束していないと判断した場合には、ステップ７において最適化手法に則り設計変数（成形条件）を修正し、ステップ３に戻って新たな解析用入力ファイルを作成する。以下、ステップ６までを実行し、ステップ６において評価関数が最適な条件に収束するまでステップ３からステップ７までの工程を繰り返す。ステップ６において、算出した評価関数値が最適な条件に収束していると判断した場合は、ステップ８において、その時の設計変数を最適値と判断して、その条件で成形を行う。
【００２６】
次に、充填タイミングの均一度合いを評価するための評価関数について説明する。この発明では、キャビティにおいて選択された複数の点における充填時間の分散値を評価関数とするが、その算出については以下のようないくつかの方法を考慮した。
第１の方法は、請求項２の方法であり、所定距離以上離れているという条件下で、充填時間の大きい点を順次選択する。以下、図２（ａ〜ｈ）を用いて具体的に説明する。この例では、ゲートは１つとし、図中の同心円の中心に位置しており、同心円はゲートからの樹脂の到達時間すなわち、充填時間が同じである点を結ぶ線である。このようなキャビティの各点の充填時間の分布は、ステップ４において実行された流動解析の結果として得られている。
【００２７】
まず、キャビティ内で充填時間の最大値を持つ点（解析ソフト上ではキャビティを分割した要素の節点として与えられる。）を求める（同図（ｂ）、Ｐ１）。次に、この節点Ｐ１を中心とする所定の半径（＝閾値ｄ）の領域（領域１）を設定し、この領域１の外の領域にある節点の中から充填時間が最大となる点（同図（ｃ）、節点Ｐ２）を求める。さらに、節点Ｐ２を中心とする所定の半径の領域から領域１を除いた領域（領域２）を設定し、領域１および領域２の外の領域の点の中から充填時間が最大となる点（同図（ｄ）、節点Ｐ３）を求める。以下、同様に、領域１，・・，ｎによってキャビティの全領域がカバーされるまで、あるいはｎが予め定めた回数になるまで、これを続ける。これらの節点１，・・，ｎは、結果として、各領域１，・・，ｎにおける最大充填時間を有する点である。次に、これらの節点１，・・，ｎにおけるそれぞれの充填時間Ｔ１，・・，Ｔｎの分散を求め、これを評価関数として設定する。
【００２８】
閾値（ｄ）や選択点数（ｎ）は、キャビティの寸法や形状を基に、例えば、以下のように決定する。閾値（ｄ）は、キャビティの最短辺の寸法と同じ程度の値とし、選択点数（ｎ）は、キャビティの外形寸法（対称形状のときはその半分）を閾値（ｄ）で割った値程度の値とする。
【００２９】
第２の方法は、請求項７の方法であり、事前にキャビティを区分し、それら区分された各領域における最も充填時間の大きい点を選択する。第３の方法は、請求項８の方法であり、キャビティの縁部上の点を選択する。これらは、それぞれコンピュータソフト上で実行することができ、キャビティの形状によって、使い分ければよい。
【００３０】
図３は、上記のような各方法の利点と不利点を比較して説明するための図である。この図において実線は、金型内の空間（キャビティ）の平面図である。この例ではシェル要素を用いる２．５次元解析を想定して、二次元的に説明する。
図３（ａ）は請求項２の方法を説明するもの、図３（ｂ）は請求項７の方法を説明するもの、図３（ｃ）は請求項８の方法を説明するものである。図３（ｃ）に示す請求項８の方法では、境界線上の全ての点を選択して分散値を算出している。これらの図からわかるように、このような形状のキャビティでは、いずれの方法でも妥当な結果が得られると考えられる。
【００３１】
図４は、この発明の他の実施の形態である金型設計方法を説明するフロー図である。基本的な考え方は、先に図１を用いて説明した射出成形条件設定方法と同じであるが、設計変数として金型設計条件を用いる点が異なっている。金型の設計は、基本的に射出成形すべき製品の形状。寸法によって決まるが、例えば板厚や金型素材に関してはある程度の自由度が有る。また、ゲートの数や配置等についても、自由度が有る。この実施の形態では、これらの金型設計条件の内から設計変数を選択して、最適化を行う。したがって、ステップ３においては、このように選択した金型設計条件の初期値を入力し、ステップ６においては、設計変数が最適な金型設計条件に収束しているかを判断し、収束していな場合には、ステップ７において設計変数である金型設計条件を修正する。評価関数値が最適な条件に収束していると判断した場合は、ステップ８において、その時の設計変数を金型設計条件を最適値と判断して、その条件で金型およびその付属部品を設計し、ステップ９において金型を作成し、さらに、ステップ１０においてその金型により成形を行う。
【００３２】
以下に、図４に説明した金型設計方法を用いて実際に最適な金型設計条件を算出した実施例について説明する。対象とする部品の形状（ステップ１）は、この実施の形態では、図５（ａ）に示すように、以下のような寸法の底板と側壁から構成された開口した箱体である。
寸法：100mm×100mm×30mm
底板形状：正方形（100mm×100mm）
板厚：2.5mm均一
【００３３】
次に、その形状にしたがって、図５（ｂ）に示すような解析モデルを作成し（ステップ２）、材料物性値や成形条件等の解析条件を入力して、解析用入力ファイルを作成した（ステップ３）。ゲートは底板上に２つを配置するものとし、その最適な位置を求めることを目的とした。用いた解析条件は、以下の通りである。
材料名：ポリプロピレン（スミトモノーブレン：SU101（商品名：住友化学工業株式会社製）；Moldflowデータベースの物性値を使用）
樹脂温度：240℃、金型温度：40℃、射出時間：1.5秒、保圧切替：98％充填時
設計変数：２つのゲートのx座標（gtx1、gtx2）およびy座標（gty1、gty2）
評価関数：第１の方法および第３の方法を採用した。比較例として、全節点の分散値を用いた。
【００３４】
(a)  第１の方法による評価関数の閾値と選択点数
(i)    ｄ＝40mm、ｎ＝5   （Case 1：  ｎ・ｄ＝200mm）
(ii)   ｄ＝80mm、 ｎ＝5  （Case 2：  ｎ・ｄ ＝400mm）
(iii)  ｄ＝20mm、ｎ＝10  （Case 3：  ｎ・ｄ ＝200mm）
(iv)   ｄ＝40mm、ｎ＝10  （Case 4：  ｎ・ｄ ＝400mm）
(b) 第３の方法による縁部の節点の分散（Case
5）
(c) 全節点の分散                   （Case 6）
設計変数に関して、以下の制約条件を付けた。
1.0mm≦gtx1≦49.0mm、  51.0mm≦gtx2≦99.0mm
1.0mm≦gty1≦99.0mm、  1.0mm≦gty2≦99.0mm
設計変数の初期条件として以下の値を与えた（図５参照）。
gtx1=4.54mm、gty1=4.54mm、gtx2=58.3mm、gty2=
5.83mm
【００３５】
以下、ステップ４の充填工程解析の実行、ステップ５の評価関数の算出、ステップ６の評価関数の判断、ステップ７の設計変数の修正、そして、ステップ３の新たな解析用入力ファイルの作成の工程を、最適な条件に収束するまで繰り返した。図６ないし図９には、それぞれの結果の充填時間を領域ごとに濃淡で（充填時間が大きいほど濃い）示した。図６および図７は、方法１のケース１〜４の場合を示す。図８は、方法３の場合であり、この実施の形態では外形線、すなわち、箱の側壁の縁部の全ての節点を選択した場合を示す。また、図８は、キャビティ内の全ての節点を選択して分散値を算出した場合を示す。
これらの図を、樹脂の樹脂流動末端となる箱の側壁の縁部の充填タイミングの均一度合いに重点を置いて目視で評価した結果を、表１にまとめて示す。
【表１】
2005161628.tif 000003
【００３６】
表１に示すように、初期条件に対し、全ての最適化結果（ケース１〜６）が改善されている。全節点の分散値を評価関数として最適化結果（ケース６）は、方法１（ケース１〜４）または方法３（ケース５）の最適化結果よりも充填タイミングの均一度合いが悪くなった。方法３（ケース５）の最適化結果は方法１（ケース１〜４）の場合よりも良好であり、方法１の結果の中では、閾値×選択点数＝200mmである場合が、閾値×選択点数＝400mmである場合よりも良好な結果を得た。
【００３７】
なお、上記において、射出成形条件設定方法および金型設計方法を説明したが、これらの方法は、コンピュータに各工程を実行させるプログラムとして具体化され、そのようなプログラムをインストールしたコンピュータ装置によって実行される。このようなコンピュータは、単独のものであっても、射出成形装置等に付属するものであってもよいことは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】この発明の実施の形態の射出成形条件設定方法を示すフロー図である。
【図２】この発明における評価関数の作成手法の手順を示す図である。
【図３】この発明における評価関数の作成手法の手順を示す図である。
【図４】この発明の実施の形態の金型設計方法を示すフロー図である。
【図５】（ａ）この発明の実施の形態の金型設計方法の対象を示す図、（ｂ）その解析モデル形状を示す図である。
【図６】この発明の実施の形態の射出成形条件設定方法の方法１によって算出した分散値の最適化結果を示す図である。
【図７】この発明の実施の形態の射出成形条件設定方法の方法１によって算出した分散値の最適化結果を示す図である。
【図８】この発明の実施の形態の射出成形条件設定方法の方法３によって算出した分散値の最適化結果を示す図である。
【図９】比較例の方法によって算出した分散値の最適化結果を示す図である。
【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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【図８】
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【図９】
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