(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
成形品形状について微小要素に分割して行われる成形プロセスシミュレーションにおいて、金型表面に接する要素や節点を抽出する抽出工程と、前記抽出範囲の各要素あるいは各節点についてその変形方向と金型表面に対する垂線とのなす角度θが９０度より小さいかどうかを判断する変形方向判断工程と、前記θが９０度より小さい場合に金型と樹脂の接触を考慮して金型方向の変形を拘束し熱変形計算を行う金型拘束変形計算工程と、予めユーザーが指定した離型時間に達しているかどうかを判断する離型時間判断工程と、前記離型時間判断工程で離型時間に達していると判断された場合にユーザーが予め指定した拘束以外の前記金型拘束を解除して熱変形計算を行う金型拘束解除変形計算工程よりなることを特徴とする成形品の変形予測方法。
【請求項２】
樹脂成形品製造を支援するための成形プロセスシミュレーションにおいて、請求項１記載の変形予測方法を組み込んでなる成形プロセス予測システム。
【請求項３】
請求項２記載の成形プロセス予測システムを用いて、成形品のそり、ひけ、収縮を計算することにより、成形条件の設定を最適化する事を特徴とする樹脂成形品における成形条件の設定方法。
【請求項４】
請求項１記載の変形予測方法を用いて成形品のそり、ひけ、収縮を予測することにより、金型形状を最適化することを特徴とする金型の設計方法。
【請求項５】
請求項２記載の成形プロセス予測システムを用いて、成形品のそり、ひけ、収縮を予測することにより、金型形状を最適化することを特徴とする金型の設計方法。
【請求項６】
請求項３記載の成形条件設定方法を用いて設定した成形条件により樹脂組成物を成形することを特徴とする成形品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は樹脂成形過程における成形品の変形予測方法およびその予測システムに係り、より正確に成形品のそり、ひけ、収縮を予測する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
樹脂の射出成形等により得られるプラスチック成形品は、ＯＡ機器、家電製品等に広く使用されているが、これらの成形品には高い寸法精度を要求される場合が多い。この寸法精度を損ねるものの１つに成形品内の収縮の不均一性により発生するそり、ひけ等の不良現象がある。
【０００３】
そり、ひけを予測する方法としては、従来よりコンピュータを利用した射出成形ＣＡＥがある。これは各要素または各節点において、ある時点の樹脂の温度分布を初期温度とし、成形品が一様に室温になるまでの冷却過程の温度変化を熱荷重として熱応力歪を解析することにより、成形品形状の変形を算出する方法で、例えば特開平２−２５８２２９号公報、特開平１０−２７８０８８号公報に開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながらこれらの方法は、型開き前の金型による樹脂の変形拘束を考慮しておらず、その為に予測精度に問題があった。特にそりの予測については、金型の存在で樹脂の自由な熱変形が拘束されることによって応力が成形品内に蓄積され、その蓄積された応力が成形品の離型時に解放されることによってそり変形が生じる、といった現象が全く考慮されないため、予測精度を悪くする大きな要因の１つとなっていた。
【０００５】
また、請求項１記載の抽出工程を省略し、全要素あるいは全節点について変形方向を判断して変形計算を行うことは、計算速度や計算の安定性という点で実用性に欠ける。
【０００６】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、成形品のそり、ひけを定量的に予測する予測方法およびその装置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】
即ち本発明は、成形品形状について微小要素に分割して行われる成形プロセスシミュレーションにおいて、金型表面に接する要素や節点を抽出する抽出工程と、前記抽出範囲の各要素あるいは節点についてその変形方向と金型表面に対する垂線とのなす角度θが９０度より小さいかどうかを判断する変形方向判断工程と、前記θが９０度より小さい場合に金型と樹脂の接触を考慮して金型方向の変形を拘束し熱変形計算を行う金型拘束変形計算工程と、予めユーザーが指定した離型時間に達しているかどうかを判断する離型時間判断工程と、前記離型時間判断工程で離型時間に達していると判断された場合にユーザーが予め指定した拘束以外の前記金型拘束を解除して熱変形計算を行う金型拘束解除変形計算工程よりなることを特徴とする成形品の変形予測方法、その変形予測方法を組み込んでなる成形プロセス予測システムに関する。
【０００８】
また、本発明は上記成形プロセス予測システムを用いて、成形品のそり、ひけ、収縮を計算することにより、成形条件の設定を最適化する事を特徴とする樹脂成形品における成形条件の設定方法、その設定方法を用いた成形品の製造方法および成形品に関する。
【０００９】
また、本発明は上記変形予測方法または成形プロセス予測システムを用いて成形品のそり、ひけ、収縮を予測することにより、金型形状を最適化することを特徴とする金型の設計方法、その設計方法により設計された金型、その金型による成形品の製造方法および成形品に関する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に本発明を詳細に説明する。成形品形状について微小要素に分割して行われる成形プロセスシミュレーションとは、一般に成形品形状データ、樹脂注入点、注入樹脂温度、金型温度、射出流量、射出時間、保持圧力、保圧時間、冷却時間、樹脂物性等の初期データを入力し、コンピュータを用いて成形プロセスを計算するものである。
計算における離散化の手法としては、ＦＥＭ（有限要素法）、ＦＤＭ（差分法）、ＢＥＭ（境界要素法）等の公知の手法を利用することができるが、適用範囲の広さからＦＥＭ（有限要素法）が最も好ましい。成形品形状を各要素に分割する手段としては、一般に市販されているメッシュジェネレーターを使用することができる。
【００１１】
また、本発明の変形予測方法の前工程として樹脂充填時のシミュレーションを予め行って、その温度分布，圧力分布等の計算結果を本発明のインプットデータとして適用する事ができる。この充填時のシミュレーションに関しては公知のプログラムを用いて行うことができる。
【００１２】
本発明における抽出工程について説明する。
３次元形状に対して４面体あるいは６面体で要素分割を行うと、成形品の厚さ方向にも幾つか要素分割数が出来ることになる。厚さ方向の要素分割数が１または２であれば全ての要素が金型表面に接する事となるが、３以上の場合は金型に接しない要素が存在することになる。また、要素の頂点や中間に設定される節点については、厚さ方向の要素分割数が１の場合においても金型に接しない節点が存在する場合がある。
このような金型拘束に直接関係のない要素あるいは節点を変形方向の判断対象から除外し、金型表面に接するものだけを抽出する事によって計算速度や計算安定性を向上させる。
【００１３】
本発明における変形方向判断工程について説明する。
変形方向判断の概念図を４面体で要素分割した例示を図１，図２，図３，図４に示す。
まず、変形方向の算出が要素毎に行われる場合を図１，図２を用いて説明する。図１のような場合は要素の変形方向と金型表面に対する垂線とのなす角度θが９０度より小さい。よってこの要素は金型拘束の対象となる。図２のような場合は要素の変形方向と金型表面に対する垂線とのなす角度θが９０度より大きい。よってこの要素は金型拘束の対象とはならない。同様の判断を、前記抽出工程で抽出された各要素について行う。
また、変形方向の算出が節点毎に行われる場合を図３，図４を用いて説明する。
図３のような場合は節点の変形方向と金型表面に対する垂線とのなす角度θが９０度より小さい。よってこの節点は金型拘束の対象となる。図４のような場合は節点の変形方向と金型表面に対する垂線とのなす角度θが９０度より大きい。よってこの節点は金型拘束の対象とはならない。同様の判断を、前記抽出工程で抽出された各節点について行う。
【００１４】
本発明における金型拘束変形計算工程について説明する。
前記の変形方向判断工程において金型拘束の対象と見なされた要素または節点について、金型の接触を考慮して熱変形計算を行う。すなわち、金型方向の変形を拘束してその方向には自由な熱変形を許さないようにする。この間、前述の抽出工程や変形方向判断工程により除外された要素または節点については、特に拘束のない通常の熱変形計算が行われる。
一般に熱変形計算に際しては、予め公知の測定機により測定された、ＰＶＴ特性、線膨張特性、ヤング率、ポアソン比、比熱、熱伝導率等の樹脂固有の特性の一部または全てが使用される。
ここで言う熱計算においては、ある起点の時刻から常温に至るまでの成形品の温度分布変化に伴う熱歪を計算するものが好ましく、また、その熱歪の計算においては、上流工程により算出された温度分布や圧力分布からＰＶＴ特性値より算出された収縮率分布を初期値として使用することが好ましい。
【００１５】
本発明における離型時間判断工程について説明する。
この工程は前記の金型拘束変形計算工程において金型の接触を考慮して熱変形計算が行われた要素または節点について、予めユーザーが指定した離型時間にまで達しているかどうかを判断する工程である。例えばユーザーが離型までの時間を１０秒と設定してその間を１０ステップで計算させるように設定した場合、離型時間に達していない、つまり１ステップ目から９ステップ目であれば変形方向判断工程に戻り、次のタイムステップにおける変形方向の判断を行う事により、時々刻々と変化する変形方向の変化に対応することができる。
【００１６】
本発明における拘束解除変形計算工程について説明する。
この工程は、前記の離型時間判断工程において予めユーザーが指定した離型時間にまで達していた場合、これまで金型の接触を考慮して熱変形計算が行われていた要素または節点についてもその拘束を解除し、全要素または節点について自由変形の熱変形計算を行う工程である。但し、使用者が予め計算の安定性やその他の理由により拘束した要素または節点については、その限りでない。
【００１７】
本発明の変形予測方法の後工程で、各要素または節点における最終的な変位量を元に成形品全体の変形図を表示して、そり量やひけ量を定量化できるプログラムを使用する事が出来る。このプログラムに関しては公知のものを用いて良い。
【００１８】
本発明においては、上記変形予測方法を樹脂成形品の設計、製造を支援するための成形プロセスシミュレーションシステムに組み込んで、成形品のそり、ひけ、収縮を計算することができる。かかる成形プロセスシミュレーションシステムに前記変形予測方法を組み込む方法については特に限定されないが、従来の成形プロセスシミュレーションシステムに追加して組み込むこともできるが、成形品のそり、ひけ、収縮率を計算することができる成形プロセスシミュレーションシステムには従来の方法が組み込まれているので、それと置き換えることが望ましい。
【００１９】
また、上記変形予測方法を用いて変形量を予測し、その変形量を考慮して金型を設計することにより所望の形状、寸法の成形品を成形し得る金型を設計することができ、それにより得られる金型を用いることにより所望の形状、寸法の成形品を得ることができる。この場合、単に上記変形予測方法のみを用いるよりも、下記成形プロセスシミュレーションシステムを用い、成形条件の最適化の一部として金型の設計を含める方がより正確に所望の形状、寸法の成形品を得ることができる。
【００２０】
上記変形予測方法を組み込んだ成形プロセスシミュレーションシステムを用いて、成形品のそり、ひけ、収縮を計算する事により、金型温度、射出速度、保圧などの成形条件の設定を最適化して樹脂成形品における成形条件を設定することができる。成形条件の最適化の方法については特に限定されないが、従来から用いられているように、そり、ひけ、収縮率と樹脂温度、圧力、金型温度の関係をシミュレーションによって調べ、検討を重ねていくのが好ましい。
【００２１】
【実施例】
以下、本発明の実施例を示した図５の流れ図を使用して、本発明をより具体的に説明する。
なお以下の実施例は、図６に示すような形状（長辺２００ｍｍ×短辺１２０ｍｍ×厚さ２．５ｍｍの角板）の射出成形品に対して本発明の予測方法を適用したものである。
【００２２】
また本発明の予測方法の妥当性を示すため、実施例と同一条件で実際に射出成形を行うことにより成形品を得、そのそり量を測定して予測値と比較した。射出成形に用いた成形機、および得られた成形品のそり量測定方法は以下の通りである。
１）射出成形機
アーブルグ社製オールラウンダー３２０−２１０−７５０を使用した。
２）そり量測定方法
まず、得られた成形品について３次元座標測定器（東京精密社製ＧＳ８００Ｄ−３３Ｒ）を用いて図６に示す成形品長辺について２０ｍｍ間隔で計１１点における３次元座標値（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を測定した。
次に得られた各３次元座標値（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を元に、図７に示すように公知のガウス方程式を利用して以下の方法でそり量を計算した。
▲１▼三角形の各辺長さａ，ｂ，ｃを各頂点の座標値より求める。
（Ｐは測定点Ｐ１，Ｐ２は成形品長辺端部）
▲２▼三角形面積Ｓを下記のガウスの方程式を用いて求める。
Ｓ＝（ｓ・（ｓ−ａ）・（ｓ−ｂ）・（ｓ−ｃ））１／２
ここでｓ＝（ａ＋ｂ＋ｃ）／２
▲３▼ｃは平板の長辺なのでこれを基準とし、ｈ＝２Ｓ／ｃより各位置でのそり量ｈが求まる。
▲４▼この各位置でのｈのうち最大のものをその成形品としてのそり量と定義した。
【００２３】
【実施例１】
使用樹脂は電気化学工業（株）製デンカ透明ＡＢＳのＣＬ−３０１Ｑとした。成形条件は樹脂温度２００℃、射出率４２ｃｍ３／秒、保持圧力５００ｋｇ／ｃｍ２、保圧時間８秒、冷却時間３０秒とした。またそりを発生させるため意図的に金型温度の設定を固定側／可動側＝４０℃／６０℃として、予測値および実測値を求めた。
【００２４】
図５に示した流れ図を使用して説明する。
Ａとして示した前工程では、公知のシミュレーションプログラムＭＯＬＤＦＬＯＷを用いて成形品形状データ、樹脂注入点、注入樹脂温度、金型温度、射出流量、樹脂の溶融粘度等の初期データを予め入力し、コンピュータを用いて樹脂の流動解析を行う。この前工程により充填完了段階までの各要素または各節点における、温度、圧力、粘度等の経時変化等が算出される。
【００２５】
次に抽出工程について説明する。
この工程では、前工程Ａにより作成された成形品形状データより、金型表面に接する要素または節点を抽出する。本実施例では変形を算出する基準を節点とした為、全節点から金型表面に接する節点を抽出することになる。図８はその抽出結果の成形品角部拡大図で、大きい黒丸が抽出された節点である。金型表面に接しない内側の節点は抽出されない。
この工程を省くと、後述する変形方向判断工程での計算コストが増え、望ましくない。
【００２６】
次に変形方向判断工程について説明する。
この工程で抽出工程により抽出された節点について、まず最初のタイムステップにおける変形方向の判断が行われる。本実施例では意図的に設けた金型固定側と可動側の温度差により、成形品全体としては固定側方向に凸に収縮変形した。図９はその様子を示したものである。本工程において、図９における例えばA近傍のような位置にある節点は変形方向と金型表面に対する垂線とのなす角度θが９０度よりも小さいと判断され、また例えばB近傍のような位置にある節点は変形方向と金型表面に対する垂線とのなす角度θが９０度よりも大きいと判断された。
【００２７】
次の金型拘束変形計算工程では、前工程の変形方向判断工程で変形方向と金型表面に対する垂線とのなす角度θが９０度よりも小さいと判断された例えばA近傍の位置にある節点について金型方向の変形を拘束して、成形品全体の熱変形計算を行う。この熱計算には前工程において温度分布，圧力分布およびＰＶＴ特性値より算出された収縮率分布を初期値として使用し、その後の温度および圧力変化に応じて変化していく収縮率分布をもとに成形品の熱変形計算を行う。図１０に模式的に示すように、拘束の対象となる節点においても拘束はあくまでも金型方向の変形成分についてのみであり、それに垂直な変形成分については拘束されない。
【００２８】
次の離型時間判断工程では、前工程の金型拘束変形計算工程において金型の接触を考慮して熱変形計算が行われた要素または節点について、予めユーザーが指定した離型時間にまで達しているかどうかが判断される。離型時間に達していなければ変形方向判断工程に戻り、次のタイムステップにおける変形方向の判断を行う事により、時々刻々と変化する変形方向の変化に対応することができる。本実施例では離型までの時間を１０秒とし、その間の熱変形計算を１０ステップで解くように予め設定した為、このループが１０回回ったところで離型時間と判断された。
【００２９】
次の拘束解除変形計算工程では、これまで金型の接触を考慮して熱変形計算が行われていた節点についてもその拘束を解除し、自由変形の熱変形計算を行った。  この熱計算には温度および圧力変化に応じて変化していく収縮率分布をもとに成形品の熱変形計算を行うものである。
またBとして示した後工程で、公知のプログラムＭＯＬＤＦＬＯＷを用いて最終的な変位量を元に成形品全体の変形図を表示して、そり量を定量化した。そり量の定量化方法は実際の成形品での定量化方法と同様に前述のガウス方程式を利用して求めた。
【００３０】
このようにして求められたそり量の予測値を表１に示す。また、実際の射出成形品のそり量実測値とし、表１に併せて示す。予測値が良好であることがわかる。
【表１】
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【００３１】
表１に示すように、上記において金型温度の設定を固定側／可動側＝４０℃／８０℃、４０℃／４０℃とした場合、および使用樹脂を電気化学工業（株）製ＳＢＳのクリアレン５３０L、電気化学工業（株）製ＭＳのＴＸ−１００、電気化学工業（株）製ＭＢＳのＴＨ−２１、電気化学工業（株）製ＭＢＳのＴＰ−ＳＸ−３０１、電気化学工業（株）製デンカＡＢＳのＱＦとした場合について上記と同様にそり量の予測値および実測値を求めた。その結果を表１に示す。金型温度条件あるいは樹脂を変えても予測値が良好であることがわかる。
【００３２】
【比較例１】
比較例１として実施例１における抽出工程から離型時間判断工程までを省略し、その他は実施例１と同様にしてそり量の予測値を求めた。その結果を表１に示す。抽出工程から離型時間判断工程までを省略することで、変形の金型拘束を意識しない公知の予測方法と同様の方法となる。この方法では実際には成形品がまだ金型内にある状態の時においても自由な熱変形をしてしまう為、予測精度が低下する。
【００３３】
【比較例２】
比較例２として実施例１における抽出工程を省略し、その他は実施例１と同様にしてそり量の予測値を求めた。その結果を表１に示す。抽出工程を省略することで、金型拘束に直接関係のない節点の変形方向も判断対象になる。この方法では予測精度という面では実施例と遜色がないが、計算速度という点で実用性に欠ける。
【００３４】
【発明の効果】
本発明における成形品の変形予測方法は、成形品のそり、ひけ、収縮量について、樹脂材料や成形条件による違いを容易かつ確実に予測することができる。したがって金型試作回数の低減やそれに伴う開発期間の短縮によるコストの低減が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】変形方向判断の概念図である。
【図２】変形方向判断の概念図である。
【図３】変形方向判断の概念図である。
【図４】変形方向判断の概念図である。
【図５】本発明の実施例における予測方法の流れ図である。
【図６】本発明の実施例において適用した射出成形品の形状および座標測定位置である。
【図７】本発明の実施例において適用したそり量測定方法の説明図である。
【図８】本発明の実施例での抽出工程における節点抽出結果の説明図である。
【図９】本発明の実施例での変形方向判断工程の説明図である。
【図１０】本発明の金型拘束変形計算工程の説明図である。
【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】
0003897628.tif 000011
【図１０】
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