(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶融した材料の成型に用いる型の形状を座標系上に位置づけ、該座標系の空間を複数の微小要素に分割する要素作成ステップと、
前記微小要素のそれぞれについて、該型の型領域に位置する場合には型要素と該型のキャビティ領域に位置する場合にはキャビティ要素と定義する要素定義ステップと、
をもつ前処理工程と、
前記キャビティ要素のそれぞれについて、前記溶融材料の充填解析を行う充填解析ステップと、
前記材料が充填されていない前記キャビティ要素のそれぞれについて、前記型要素及び／又は該材料で充填された該キャビティ要素によって新たに囲繞された閉領域を検出し、該閉領域に閉じこめられた気体の量の情報を該閉領域に対応づける閉領域検出ステップと、
該閉領域内が溶融材料で充填されて消滅した場合、該閉領域が消滅した座標上の点に、該消滅した閉領域に対応づけられた該気体量情報が対応づけられ、前記充填解析ステップにおいて溶融材料流れ速度に従い移動する仮想巻き込み点を設定する仮想巻き込み点設定ステップと、
をもつ解析工程と、を有することを特徴とする成型シミュレーション方法。
【請求項２】
前記閉領域検出ステップは、
前記閉領域が新たに２以上に分割された領域を再び前記閉領域として新たに検出し、
新たに検出された前記閉領域に対応づける前記気体量情報として、分割される前の前記閉領域に対応づけられた前記気体量情報を新たに検出された該閉領域の体積に応じて分割するステップを含む請求項１に記載の成型シミュレーション方法。
【請求項３】
前記解析工程の後に、前記仮想巻き込み点を対応づけられた前記気体量情報と共に表示する解析結果表示工程を有する請求項１又は２に記載の成型シミュレーション方法。
【請求項４】
溶融した材料の成型に用いる型の形状を座標系上に位置づけ、該座標系の空間を複数の微小要素に分割する要素作成手段と、
前記微小要素のそれぞれについて、該型の型領域に位置する場合には型要素と該型のキャビティ領域に位置する場合にはキャビティ要素と定義する要素定義手段と、
をもつ前処理手段と、
前記キャビティ要素のそれぞれについて、前記溶融材料の充填解析を行う充填解析手段と、
前記材料が充填されていない前記キャビティ要素のそれぞれについて、前記型要素及び／又は該材料で充填された該キャビティ要素によって新たに囲繞された閉領域を検出し、該閉領域に閉じこめられた気体の量の情報を該閉領域に対応づける閉領域検出手段と、
該閉領域内が溶融材料で充填されて消滅した場合、該閉領域が消滅した座標上の点に、該消滅した閉領域に対応づけられた該気体量情報が対応づけられ、前記充填解析手段において溶融材料流れ速度に従い移動する仮想巻き込み点を設定する仮想巻き込み点設定手段と、
をもつ解析手段と、を有することを特徴とする成型シミュレーション装置。
【請求項５】
前記閉領域検出手段は、
前記閉領域が新たに２以上に分割された領域を再び前記閉領域として新たに検出し、
新たに検出された前記閉領域に対応づける前記気体量情報として、分割される前の前記閉領域に対応づけられた前記気体量情報を新たに検出された該閉領域の体積に応じて分割する手段を含む請求項４に記載の成型シミュレーション装置。
【請求項６】
さらに、前記仮想巻き込み点を対応づけられた前記気体量情報と共に表示する解析結果表示手段を有する請求項４又は５に記載の成型シミュレーション装置。
【請求項７】
溶融した材料の成型に用いる型の形状を座標系上に位置づけ、該座標系の空間を複数の微小要素に分割する要素作成手段と、
前記微小要素のそれぞれについて、該型の型領域に位置する場合には型要素と該型のキャビティ領域に位置する場合にはキャビティ要素と定義する要素定義手段と、
をもつ前処理手段と、
前記キャビティ要素のそれぞれについて、前記溶融材料の充填解析を行う充填解析手段と、
前記材料が充填されていない前記キャビティ要素のそれぞれについて、前記型要素及び／又は該材料で充填された該キャビティ要素によって新たに囲繞された閉領域を検出し、該閉領域に閉じこめられた気体の量の情報を該閉領域に対応づける閉領域検出手段と、
該閉領域内が溶融材料で充填されて消滅した場合、該閉領域が消滅した座標上の点に、該消滅した閉領域に対応づけられた該気体量情報が対応づけられ、前記充填解析手段において溶融材料流れ速度に従い移動する仮想巻き込み点を設定する仮想巻き込み点設定手段と、
をもつ解析手段と、を有する成型シミュレーション手段としてコンピュータを機能させることを特徴とする成型シミュレーションプログラム。
【請求項８】
前記閉領域検出手段は、
前記閉領域が新たに２以上に分割された領域を再び前記閉領域として新たに検出し、
新たに検出された前記閉領域に対応づける前記気体量情報として、分割される前の前記閉領域に対応づけられた前記気体量情報を新たに検出された該閉領域の体積に応じて分割する手段を含む請求項７に記載の成型シミュレーションプログラム。
【請求項９】
さらに、前記仮想巻き込み点を対応づけられた前記気体量情報と共に表示する解析結果表示手段を有する請求項７又は８に記載の成型シミュレーションプログラム。
【請求項１０】
溶融した材料の成型に用いる型の形状を座標系上に位置づけ、該座標系の空間を複数の微小要素に分割する要素作成手段と、
前記微小要素のそれぞれについて、該型の型領域に位置する場合には型要素と該型のキャビティ領域に位置する場合にはキャビティ要素と定義する要素定義手段と、
をもつ前処理手段と、
前記キャビティ要素のそれぞれについて、前記溶融材料の充填解析を行う充填解析手段と、
前記材料が充填されていない前記キャビティ要素のそれぞれについて、前記型要素及び／又は該材料で充填された該キャビティ要素によって新たに囲繞された閉領域を検出し、該閉領域に閉じこめられた気体の量の情報を該閉領域に対応づける閉領域検出手段と、
該閉領域内が溶融材料で充填されて消滅した場合、該閉領域が消滅した座標上の点に、該消滅した閉領域に対応づけられた該気体量情報が対応づけられ、前記充填解析手段において溶融材料流れ速度に従い移動する仮想巻き込み点を設定する仮想巻き込み点設定手段と、
をもつ解析手段と、を有する成型シミュレーション手段としてコンピュータを機能させることを特徴とする成型シミュレーションプログラムを記録したコンピュータ読みとり可能な記録媒体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、気体の巻き込みを精度良く解析できる成型シミュレーション方法、成型シミュレーション装置及び成型シミュレーションプログラム並びに当該成型シミュレーションプログラムを記録したコンピュータ読みとり可能な記録媒体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鋳鉄・アルミ等による鋳造・ダイカスト等や、樹脂の射出成型のように、溶融した材料を型内に充填することで必要な形状をもつ成型品を製造する手法が汎用されている。
【０００３】
ダイカストを例に挙げて説明すると、欠陥の発生としては、空気等の巻き込み不良、湯回り不良、ひけ不良等が存在する。特に大きな問題となる欠陥として巻き込み不良に基づく巻き込み欠陥がある。たとえば、薄肉複雑形状の成型品を形成する場合には、型内への溶融材料の回りを良くするために充填時間を短くする必要がある。しかしながら型内への溶融材料の充填時間を短くすると、乱流が発生し、型内において空気等の気体を巻き込むこととなり巻き込み欠陥が発生しやすくなる。
【０００４】
この欠陥をなくすためには、成型品の形状、成型方案（ランナ、ゲート、オーバーフロー）、射出条件（低速速度、切り替えタイミング、高速速度等）、型温度制御を適正化する必要がある。
【０００５】
しかしながら溶融材料の充填成型方法で製造される成型品は、通常３次元的に複雑な形状且つ薄肉であり、溶融材料流れ、凝固現象は非常に複雑且つ短時間の現象であり、なかなか現象を解明できず、それゆえ適正条件を見出すことは容易ではない。実験的に巻き込み欠陥を系統的に解析することは容易ではなく、試行錯誤を繰り返すのが現状である。
【０００６】
ところで近年のコンピュータの計算能力の向上に伴い、溶融材料を型内に充填するときの溶融材料の挙動についてのコンピュータ上における成型シミュレーションの適用範囲が広がっている。成型シミュレーションは溶融材料の流れ及び凝固の挙動について理解を深めることを目的としており、適正な成型条件を探索する有用な手段として期待されている。
【０００７】
成型シミュレーション方法として、溶融材料の流れ解析と共に、型内のキャビティ領域中の気体についても流れの解析を行い、巻き込み欠陥中の気体の圧力をも考慮した解析を行えば、ある程度は巻き込み欠陥の発生を予測することが可能であると考えられる。しかしながら、実際の複雑形状の型を用いて溶融材料と気体との２相流についての解析を行うことは多大な計算時間を必要とし現実的ではない。また、将来的に計算能力が向上し、速やかに解析が遂行できるとしても、解析における計算を簡便に行い、解析時間を短縮することは有益である。
【０００８】
従来の成型シミュレーション方法としては、凝固現象を考慮した湯流れシミュレーション方法であって、充填不良箇所をもって湯回り不良などの欠陥発生位置を予測する方法が特開２００１−２７１７３４号公報に開示されている。そして、溶融材料を型に充填して成型する際に溶融材料中に気泡が巻き込まれて生じるボイドの挙動を電子計算機を用いて解析する方法であり、オペレータの過去の経験・知識に基づいて巻き込みが生じそうな微小空間を選択し、その微小空間に所定時間毎にトレース粒子を発生させて、発生させたトレース粒子を追跡することで巻き込み欠陥の発生位置を予測する方法が特開平５−３３７９９９号公報に開示されている。また、溶融材料が型内で合流する部位を算出し、その合流部位に巻き込み欠陥が発生すると推定する方法が、鋳物（大塚ら、第６０巻（１９８８）、第１２号）に開示されている。
【０００９】
そして、一般的な方法として、溶融材料の流れのシミュレーション結果を可視化し、その流れパターンを目視的にチェックして巻き込み部分を推定する方法がある。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開２００１−２７１７３４号公報に開示の方法では凝固現象に関連しない巻き込み欠陥の発生については推測できないこと、特開平５−３３７９９９号公報に開示の方法では結局、オペレータの経験により解析結果の精度が大きく変化し試行錯誤の域を出ないこと、そして、大塚らの方法では巻き込み欠陥の大きさや発生後の移動には対応できないこと及び目視的にチェックする方法では複雑な形状の場合に目視では正確な判断ができず欠陥の大きさや移動の予測が困難であるといった不都合があった。
【００１１】
そこで本発明では溶融材料の型への充填時に発生する巻き込み欠陥について、作業者の経験に頼らず、より正確に推測できる成型シミュレーション方法及び成型シミュレーション装置並びにそれらをコンピュータ上で実現する成型シミュレーションプログラム並びにそのプログラムを記録したコンピュータ読みとり可能な記録媒体を提供することを解決すべき課題とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する目的で本発明者等が鋭意研究を行った結果、従来の成型シミュレーション方法では、解析中に発生した巻き込み欠陥がその後の溶融材料の流れを解析する間に消失し、最終的な解析結果に反映されないことを見出した。その結果、溶融材料の流れの解析において巻き込み欠陥の発生が正確に予測できないことが判明した。前述したように、解析中に発生した巻き込み欠陥が消失しないようにするには型内のキャビティ領域中の気体についても流れの解析を行い、巻き込み欠陥中の気体の圧力をも考慮した解析を行えばある程度は実現可能であると考えられる。しかし、実際の複雑形状の型を用いて溶融材料と気体との２相流についての解析を行うことは多大な計算時間を必要とし現実的ではない。また、将来的に計算能力が向上し、速やかに解析が遂行できるとしても、解析における計算を簡便に行うことは有益である。
【００１３】
この知見に基づき、本発明者らは、溶融した材料の成型に用いる型の形状を座標系上に位置づけ、その座標系の空間を複数の微小要素に分割する要素作成ステップと、前記微小要素のそれぞれについて、その型の型領域に位置する場合には型要素とその型のキャビティ領域に位置する場合にはキャビティ要素と定義する要素定義ステップと、をもつ前処理工程と、前記キャビティ要素のそれぞれについて、前記溶融材料の充填解析を行う充填解析ステップと、前記材料が充填されていない前記キャビティ要素のそれぞれについて、前記型要素及び／又はその材料で充填されたそのキャビティ要素によって新たに囲繞された閉領域を検出し、その閉領域に閉じこめられた気体の量の情報をその閉領域に対応づける閉領域検出ステップと、その閉領域内が溶融材料で充填されて消滅した場合、その閉領域が消滅した座標上の点に、その消滅した閉領域に対応づけられたその気体量情報が対応づけられ、前記充填解析ステップにおいて溶融材料流れ速度に従い移動する仮想巻き込み点を設定する仮想巻き込み点設定ステップと、をもつ解析工程と、を有することを特徴とする成型シミュレーション方法を発明した（請求項１）。
【００１４】
つまり、一度、キャビティ要素内で発生した巻き込み欠陥を型要素等で囲繞された閉領域として検出し、内部に含まれる気体の量をその閉領域に対応づけることで、発生する巻き込み欠陥の大きさに影響を与える、閉領域内に閉じこめられた気体の量を解析中も保持することができる。最終的に溶融材料の充填によってその閉領域が消滅したときには、閉領域内部に閉じこめられた気体の量を情報としてもつ仮想巻き込み点を、その閉領域が消滅した点に設定し、溶融材料の流れに伴い移動させる。以上のように解析することで、最終的な溶融材料の充填解析後に残存する閉領域又は仮想巻き込み点に巻き込まれた気体が存在するとして発生する巻き込み欠陥の位置が精度良く解析できる。巻き込み欠陥の大きさは、閉領域又は仮想巻き込み点に対応づけられた気体の量により推測できる。
【００１５】
そして、前記閉領域検出ステップは、前記閉領域が新たに２以上に分割された領域を再び前記閉領域として新たに検出し、新たに検出された前記閉領域に対応づける前記気体量情報として、分割される前の前記閉領域に対応づけられた前記気体量情報を新たに検出されたその閉領域の体積に応じて分割するステップを含むことが好ましい（請求項２）。一度検出された閉領域についても、その後に再度分割されることを考慮することで、より現実に近い解析結果を得ることが可能となる。
【００１６】
また、前記解析工程の後に、前記仮想巻き込み点を対応づけられた前記気体量情報と共に表示する解析結果表示工程を有することが好ましい（請求項３）。仮想巻き込み点を対応づけられた気体量情報と共に表示することで、シミュレーション結果をオペレータに容易に理解させることが可能となり、より適正な成型条件等の設定を行うことが可能となる。
【００１７】
さらに、前記課題を解決する本発明の成型シミュレーション装置は上記した成型シミュレーション方法の各工程を実現する装置とすることができる（請求項４〜６）。
【００１８】
具体的には、溶融した材料の成型に用いる型の形状を座標系上に位置づけ、その座標系の空間を複数の微小要素に分割する要素作成手段と、前記微小要素のそれぞれについて、その型の型領域に位置する場合には型要素とその型のキャビティ領域に位置する場合にはキャビティ要素と定義する要素定義手段と、をもつ前処理手段と、前記キャビティ要素のそれぞれについて、前記溶融材料の充填解析を行う充填解析手段と、前記材料が充填されていない前記キャビティ要素のそれぞれについて、前記型要素及び／又はその材料で充填されたそのキャビティ要素によって新たに囲繞された閉領域を検出し、その閉領域に閉じこめられた気体の量の情報をその閉領域に対応づける閉領域検出手段と、その閉領域内が溶融材料で充填されて消滅した場合、その閉領域が消滅した座標上の点に、その消滅した閉領域に対応づけられたその気体量情報が対応づけられ、前記充填解析手段において溶融材料流れ速度に従い移動する仮想巻き込み点を設定する仮想巻き込み点設定手段と、をもつ解析手段と、を有することを特徴とする成型シミュレーション装置である（請求項４）。
【００１９】
そして、前記閉領域検出手段は、前記閉領域が新たに２以上に分割された領域を再び前記閉領域として新たに検出し、新たに検出された前記閉領域に対応づける前記気体量情報として、分割される前の前記閉領域に対応づけられた前記気体量情報を新たに検出されたその閉領域の体積に応じて分割する手段を含むことが好ましい（請求項５）。
【００２０】
また、前記仮想巻き込み点を対応づけられた前記気体量情報と共に表示する解析結果表示手段を有することが好ましい（請求項６）。
【００２１】
さらに、前記課題を解決する本発明の成型シミュレーションプログラムは上記した成型シミュレーション方法の各工程をコンピュータ上で実現するプログラムとすることができる（請求項７〜９）。また、それらのプログラムを記録したコンピュータ読みとり可能な記録媒体とすることができる（請求項１０）。
【００２２】
具体的には、溶融した材料の成型に用いる型の形状を座標系上に位置づけ、その座標系の空間を複数の微小要素に分割する要素作成手段と、前記微小要素のそれぞれについて、その型の型領域に位置する場合には型要素とその型のキャビティ領域に位置する場合にはキャビティ要素と定義する要素定義手段と、をもつ前処理手段と、前記キャビティ要素のそれぞれについて、前記溶融材料の充填解析を行う充填解析手段と、前記材料が充填されていない前記キャビティ要素のそれぞれについて、前記型要素及び／又はその材料で充填されたそのキャビティ要素によって新たに囲繞された閉領域を検出し、その閉領域に閉じこめられた気体の量の情報をその閉領域に対応づける閉領域検出手段と、その閉領域内が溶融材料で充填されて消滅した場合、その閉領域が消滅した座標上の点に、その消滅した閉領域に対応づけられたその気体量情報が対応づけられ、前記充填解析手段において溶融材料流れ速度に従い移動する仮想巻き込み点を設定する仮想巻き込み点設定手段と、をもつ解析手段と、を有する成型シミュレーション手段としてコンピュータを機能させることを特徴とする成型シミュレーションプログラムである（請求項７）。
【００２３】
そして、前記閉領域検出手段は、前記閉領域が新たに２以上に分割された領域を再び前記閉領域として新たに検出し、新たに検出された前記閉領域に対応づける前記気体量情報として、分割される前の前記閉領域に対応づけられた前記気体量情報を新たに検出されたその閉領域の体積に応じて分割する手段を含むことが好ましい（請求項８）。
【００２４】
また、前記仮想巻き込み点を対応づけられた前記気体量情報と共に表示する解析結果表示手段を有することが好ましい（請求項９）。
【００２５】
【発明の実施の形態】
〔成型シミュレーション方法〕
本成型シミュレーション方法は前処理工程と解析工程とその他必要に応じた工程とを有する。前処理工程は要素作成ステップと要素定義ステップとをもち、型のモデルデータを作成して、型内への溶融材料の充填解析の準備を行う工程である。解析工程は作成された型のモデルデータに対して、充填解析ステップと閉領域検出ステップと仮想巻き込み点設定ステップとをもつ。本成型シミュレーション方法は、ダイカスト等の鋳造、プラスチックの射出成型等に適用してシミュレーションを行うことができる。
【００２６】
（前処理工程）
〈要素作成ステップ〉
要素作成ステップは、本成型シミュレーション方法の対象である型を座標系上に位置づけ、その座標系上の空間を多面体からなる複数の微小要素に分割するステップである。すなわち、座標系上の空間を解析用の微小要素に細分化するステップである。
【００２７】
座標系は、適当なものを選択することが可能である。この座標系上の空間には必要に応じた大きさで微小要素が形成される。微小要素に分割する方法としては有限差分法で採用されるような直交６面体の微小要素で分割する方法、有限要素法のように要素の形状を鋳造型のモデルデータに応じて比較的自由に変更できる方法等がある。有限差分法は微小要素への分割が容易であり、且つ解析が数学的に簡潔であるという利点がある。
【００２８】
なお、座標系空間のすべてに微小要素を規定する必要はなく、必要な部分（溶融材料が注入されるキャビティ領域とその周りに接する型領域等のように後述する解析工程で必要な部分）を最小限含むような範囲で規定すれば充分である。
【００２９】
そして作成する微小要素の大きさはできるだけ小さい方が解析の精度が向上できるが、より多くの解析時間が必要となる。したがって、微小要素の大きさは要求される精度やシミュレーションの原理的な制約、解析時間等から適正に決定できる。なお、微小要素の大きさはすべての部分について同じ大きさとする必要はなく、解析部位によって大きさを変更することができる。たとえば、成型品の肉厚が薄い部分では、局所的に微小要素の大きさを小さく設定し、解析精度を向上することが好ましい。
【００３０】
ところで、型を座標系上に位置づけるためには、型の形状がＣＡＤデータ型式等の数値データに変換されている必要がある。型の形状を数値データに変換する方法としては、特に限定されず、たとえば、最初から型の形状をＣＡＤにより設計したり、試作品の形状を３次元スキャナ等の何らかの方法で数値化しても良い。ここでＣＡＤにより型の数値データを作成した場合には、ＣＡＤ等により作成された型のデータを読み込み、型の外形データを抽出する必要がある。その方法については公知の方法が使用できる。また、本方法においてＣＡＤデータをそのまま使用できるようにしても良い。
【００３１】
〈要素定義ステップ〉
要素定義ステップは、前述の要素作成ステップにおいて規定された微小要素のそれぞれについて、型の型領域に位置する場合には型要素と定義し、型のキャビティ領域に位置する場合にはキャビティ要素と定義するステップである。すなわち、後述の解析工程用に各微小要素の属性を定義し、座標系上に型の形状を微小要素により構築するステップである。
【００３２】
なお、本ステップは、前述の要素作成ステップにおいて微小要素が規定された後に行われるステップであるが、すべての微小要素が規定された後に行う必要は必ずしもなく１以上の微小要素が規定される毎に本ステップを行い、その後に要素作成ステップを再度行うことを繰り返すこともできる。
【００３３】
ここで、型の「型領域」とは型自身を形成する領域であって、溶融材料が流れない部分であり、型の「キャビティ領域」とは溶融材料が流れ最終的に成型品が形成される部分である領域をそれぞれ意味する。
【００３４】
具体的に各微小要素を型要素とキャビティ要素とに定義する方法としては特に限定されず、公知の方法が採用可能である。以下に図を参照しながら一例を説明する。図１には、型の形状及び微小要素の一部を拡大して示す。また、図は記載及び説明の便宜上２次元上にて型及び微小要素を示し、以下の説明も２次元の図に基づいて行うが、その本質は３次元のものと異なるところはない。
【００３５】
図１に示すように、座標として直交座標を採用し、その座標系上に正方形の微小要素２０（形状は特に正方形に限定されるものではない。また、３次元上に適用する場合には直方体・立方体その他任意形状の多面体が要素の形として例示できる。以下同じ。）が規則的に規定されている。また、座標上には、型モデルデータの境界線が位置づけられている。
【００３６】
図１において、各微小要素２０それぞれの重心２１の位置が、型の型領域（斜線部分）に存在する場合にはその微小要素２０を型要素（以下「Ｍ要素」という。）と定義し、キャビティ領域に存在する場合にはその微小要素をキャビティ要素（以下「Ｃ要素」という。）と定義する。各微小要素２０をＭ要素及びＣ要素に定義した状態を図２に示す。図２では型領域に存在する重心２１を白丸で、キャビティ領域に存在する重心２１を黒丸で表す。なお、型領域及びキャビティ領域のいずれにも該当しない微小要素２０の扱いは特に限定しないが、計算上の負荷とならないように規定することが好ましい。
【００３７】
（解析工程）
〈充填解析ステップ〉
充填解析ステップは、Ｃ要素のそれぞれについて、溶融材料の充填解析を行うステップである。すなわち、型内における注入された溶融材料の物理的挙動を解析するステップであり、微小要素毎に微小時間毎の溶融材料の物理的挙動を解析する。
【００３８】
基本的な溶湯の充填解析の方法については、特に限定されるものではなく、たとえば、ＶＯＦ（Ｖｏｌｕｍｅ  ｏｆ  Ｆｌｕｉｄ）、ＳＯＬＡ、ＦＡＮ及びそれらの改良された方法等の公知技術・慣用技術等を適用することができる。
【００３９】
〈閉領域検出ステップ〉
閉領域検出ステップは、前述した充填解析ステップにおいて材料が充填されていないＣ要素（以下「未充填Ｃ要素」と称する）について適用されるステップである。具体的には、材料で充填されたＣ要素（以下、「充填Ｃ要素」と称する）及び／又はＭ要素によって囲繞された未充填Ｃ要素からなる領域を閉領域として検出する。なお、「未充填Ｃ要素」として材料が一部充填されているものの完全には充填されていないＣ要素をも含むものとし、「充填要素」として材料が完全に充填されているＣ要素を意味させることもできる。
【００４０】
本ステップで充填Ｃ要素及び／又はＭ要素で完全に囲繞された未充填Ｃ要素を検出する方法を例示すると、すべての未充填Ｃ要素について、その未充填Ｃ要素を起点に周りの微小要素を充填Ｃ要素又はＭ要素に到達するまで順次探索していき探索が終了したときに「Ｃ要素及びＭ要素」以外の微小要素等（たとえば、型内の気体を抜くためのベントホール等のように、Ｃ要素でもＭ要素でも無い微小要素や座標空間であって微小要素に分割されていない部分との境界等である。以下同じ）を探索できない場合にはその未充填Ｃ要素からなる領域は閉領域であると判断することができる。未充填Ｃ要素からなるある領域が閉領域であると判断された場合にはその閉領域の体積とキャビティ領域内の気体の圧力とから、その閉領域内の気体の量が求められる。求められた気体の量は気体量情報としてその閉領域に対応づけられる。キャビティ領域内の気体の圧力はベントホール等からの気体の流出量を考慮して決定できる。
【００４１】
さらに一度検出された閉領域が新たに２以上に分割された場合には分割される前の閉領域に対応づけられた気体量情報を新たに検出された分割された閉領域の体積に応じて配分するステップをもつことが好ましい。
【００４２】
本ステップは上述した充填解析ステップと同頻度で解析を行っても良いし、充填解析ステップよりも低頻度で解析を行っても良い。
【００４３】
〈仮想巻き込み点設定ステップ〉
仮想巻き込み点設定ステップは、閉領域検出ステップで検出されたそれぞれの閉領域に対して適用されるステップである。具体的には、充填解析ステップで閉領域が溶融材料により完全に充填されて消滅した場合に、その閉領域が消滅した座標上の部位に、仮想巻き込み点を設定するステップである。設定される仮想巻き込み点は、前述した充填解析ステップにおいて溶融材料の流れに従ってキャビティ内を移動する。つまり、仮想巻き込み点が位置する部位における充填解析ステップで計算された溶融材料の流れに従って移動する。仮想巻き込み点の移動の計算は溶融材料の流れに従う他に溶融材料内での浮力を考慮して決定しても良い。また、仮想巻き込み点には消滅する前の閉領域に対応づけられた気体量情報が対応づけられている。
【００４４】
本解析工程が終了したときに、存在する仮想巻き込み点の位置に、その仮想巻き込み点に対応づけられた気体量情報に応じた大きさの欠陥が存在するものと判断する。
【００４５】
（その他の工程）
本シミュレーション方法はその他に、型内のキャビティ内での溶融材料の凝固課程をシミュレーションする凝固解析ステップを解析工程に有することができる。凝固解析ステップは前述の解析工程に含ませることができる。その他にも欠陥予測解析（引け巣予測、湯回り及び湯境予測等）、ＤＣスリーブ内流動解析、中子ガス発生解析、残留応力解析等を行うこともできる。
【００４６】
これらの解析を併せて行うことにより、空気の巻き込みの解析のみならず、全体として、引け巣、めざし、型温分布、湯境、湯しわ、ブリスター、残留歪、割れ、耐久強度（静的、疲労、衝撃）、特性予測等を精度及び効率よく行うことができる。
【００４７】
さらに、本実施形態の方法に含ませることができるその他の工程としては、解析結果を出力する工程や解析結果を表示する工程が例示できる。
【００４８】
解析結果を出力する工程としては、たとえば、独自形式乃至は他の汎用ＣＡＤ等にて読み込み可能なファイル形式で出力・保存したり、前述の解析結果を出力する工程に出力することができるものである。
【００４９】
解析結果を表示する工程は、本実施形態の成型シミュレーション方法における解析結果を可視化する工程である。可視化することにより解析結果の把握がより容易となる。
【００５０】
解析結果を出力（可視化）する場合には解析工程で解析した空気の巻き込みの解析結果（仮想巻き込み点の位置と対応づけられる気体量情報に応じた巻き込み欠陥の大きさの情報）を併せて出力（可視化）することが好ましい。
【００５１】
〔成型シミュレーション装置〕
以下に本発明の成型シミュレーション装置について実施形態に基づいて詳細に説明する。本実施形態の成型シミュレーション装置は、前処理手段と解析手段とを有する。また、本実施形態の成型シミュレーション装置は、必要に応じて、その他の手段を含むことができる。本実施形態の各手段はすべてコンピュータ上のロジックとして実現可能であり、また、コンピュータ上のロジックとして実現することが好ましい。
【００５２】
前処理手段は要素作成手段と要素定義手段とをもち、型内への溶融材料の充填解析の準備を行う手段である。解析手段は充填解析手段と閉領域検出手段と仮想巻き込み点設定手段とをもつ。
【００５３】
（前処理手段）
〈要素作成手段〉
要素作成手段は、本成型シミュレーション手段の解析対象である型を座標系上に位置づけ、その座標系上の空間を多面体からなる複数の微小要素に分割する手段である。すなわち、座標系上の空間を解析用の微小要素に細分化する手段である。なお、本手段についての説明は、前述の成型シミュレーション方法における要素作成ステップにおけるものとほぼ同様であるので先の説明をもって本手段の説明に代える。
【００５４】
〈要素定義手段〉
要素定義手段は、前述の要素作成手段において規定された微小要素のそれぞれについて、型の型領域に位置する場合には型要素と定義し、型のキャビティ領域に位置する場合にはキャビティ要素と定義する手段である。すなわち、後述の解析手段用に各微小要素の属性を定義し、座標系上に型の形状を微小要素により構築する。なお、本手段についての説明は、前述の成型シミュレーション方法における要素定義ステップにおけるものとほぼ同様であるので先の説明をもって本手段の説明に代える。
【００５５】
（解析手段）
〈充填解析手段〉
充填解析手段は、Ｃ要素のそれぞれについて、溶融材料の充填解析を行う手段である。すなわち、型内における注入された溶融材料の物理的挙動を解析する手段であり、微小要素毎に微小時間毎の溶融材料の物理的挙動を解析する。なお、本手段についての説明は、前述の成型シミュレーション方法における充填解析ステップにおけるものとほぼ同様であるので先の説明をもって本手段の説明に代える。
【００５６】
〈閉領域検出手段〉
閉領域検出手段は、前述した充填解析手段において材料が充填されていないＣ要素（以下「未充填Ｃ要素」と称する）について適用される手段である。具体的には、材料で充填されたＣ要素（以下、「充填Ｃ要素」と称する）及び／又はＭ要素によって囲繞された未充填Ｃ要素からなる領域を閉領域として検出する手段である。なお、本手段についての説明は、前述の成型シミュレーション方法における閉領域検出ステップにおけるものとほぼ同様であるので先の説明をもって本手段の説明に代える。
【００５７】
〈仮想巻き込み点設定手段〉
仮想巻き込み点設定手段は、閉領域検出手段で検出されたそれぞれの閉領域に対して適用される手段である。具体的には、充填解析手段の解析により閉領域が溶融材料により完全に充填されて消滅した場合に、その閉領域が消滅した座標上の部位に、仮想巻き込み点を設定する手段である。なお、本手段についての説明は、前述の成型シミュレーション方法における仮想巻き込み点設定ステップにおけるものとほぼ同様であるので先の説明をもって本手段の説明に代える。
【００５８】
（その他の手段）
本実施形態の装置に含ませることができるその他の手段としては、前述したシミュレーション方法で説明したように、型内のキャビティ内での溶融材料の凝固課程をシミュレーションする凝固解析手段、解析結果を出力する手段や解析結果を表示する手段が例示できる。なお、これらの手段についての説明は、前述の成型シミュレーション方法におけるものとほぼ同様であるので先の説明をもってこれらの手段の説明に代える。
【００５９】
〔成型シミュレーションプログラム〕
本成型シミュレーションプログラムは、使用されるコンピュータ上において前述した成型シミュレーション装置が有する各手段を実現可能としたロジックであり、そのコンピュータ上で実行可能な形式で作成されている。また、本プログラムはＣＤ−ＲＯＭ等の記録媒体上に記録されていても良い。本成型シミュレーションプログラムの各構成要素については前述の成型シミュレーション方法及び装置の各構成要素の説明と概ね同一であるので、先の説明をもって本構成要素の説明に代える。
【００６０】
【実施例】
（実施例１）
本実施例では溶融材料としての溶湯の湯流れ及び凝固の解析を行うダイカストにおける成型シミュレーション方法に基づき、本発明の成型シミュレーション方法についてさらに詳しく説明する。本方法では型としての鋳造型をＣＡＤで作成し、その鋳造型のモデルデータを用いて成型シミュレーションを行う方法である。
【００６１】
本方法は、図３に示すように、大きく分類すると、前処理工程Ｓ１と解析工程Ｓ２とからなる。
【００６２】
（１）前処理工程Ｓ１
座標系としてｘ、ｙ、ｚの３軸をもつ直交座標系を採用した。鋳造型の型モデルデータはＣＡＤデータとして作成される（型モデルデータ作成Ｓ１１）。
【００６３】
説明を簡略化するためにｘ、ｙで表す２次元での説明を図５に示す。以下に行う２次元での説明は単純にそのまま３次元に拡張可能である。まず、型モデルデータＤを２次元の座標系上に配置する。そして、座標系をｘ、ｙ軸方向で微小要素に分割する（要素作成ステップＳ１２）。この微小要素の重心位置が型モデルデータＤの鋳造型内に位置する要素をＭ要素、キャビティ内に位置する要素をＣ要素と定義する（要素定義ステップＳ１３）。本鋳造型は図面右下に溶湯が注入されるゲートＧが、左上にキャビティ領域内の空気を排出するためのベントホールＶが配置されている。
【００６４】
（２）解析工程Ｓ２
▲１▼解析工程Ｓ２は充填解析ステップＳ２１と凝固解析ステップＳ２２と閉領域検出ステップＳ２３と仮想巻き込み点設定ステップＳ２４とをもつ。
【００６５】
充填解析ステップ２１は有限差分法のうちＳＯＬＡ−ＶＯＦ法と称される方法を用いて湯流れを解析し、凝固解析ステップＳ２２は非定常熱伝導計算法により凝固解析を行う。充填解析ステップＳ２１ではＣ要素について溶湯の充填割合を所定時間間隔で順次計算していく。ここでＣ要素は要素内が１００％溶湯で充填された充填Ｃ要素と、溶湯の充填量が１００％未満である未充填Ｃ要素とに大別される。なお。本充填解析ステップＳ２１ではキャビティ領域内の背圧については考慮せずに計算を行っている。
【００６６】
閉領域検出ステップＳ２３は、図４に示すように、Ｃ要素のうちから任意に未充填Ｃ要素を選出する（Ｓ２３１）。そして、選出された未充填Ｃ要素を起点として隣接する微小要素を順次探索する。
【００６７】
次に、選出された未充填Ｃ要素について識別可能な識別符号を付す（Ｓ２３２）。その識別符号を付した未充填Ｃ要素について隣接する微小要素を検出していき（Ｓ２３３）、隣接する微小要素がさらに未充填Ｃ要素である場合には（Ｓ２３６）、その隣接する未充填Ｃ要素にも先の未充填Ｃ要素と同じ識別符号を付す（Ｓ２３７）。その結果、最終的に同一の符号を付している未充填Ｃ要素は連続した未充填Ｃ要素の領域を表すこととなり、その領域内では気体の自由な移動が可能である。
【００６８】
隣接する微小要素が未充填Ｃ要素である場合には、その隣接する未充填Ｃ要素についても更に同様に隣接する微小要素について探索を継続する（Ｓ２３３）。隣接する微小要素が探索済みの未充填Ｃ要素であるか、Ｍ要素、充填Ｃ要素又は「Ｃ要素及びＭ要素」以外の微小要素等である場合には、それ以上隣接する微小要素の探索は行わず、その種類を記録する（Ｓ２３８）。隣接する微小要素をすべて探索してそれ以上未充填Ｃ要素が存在しない場合には、その他に、識別符号を付していない未探索の未充填Ｃ要素が存在するか否かを探索し（Ｓ２３４）、未探索の未充填Ｃ要素が存在する場合にはその中から新たに未充填Ｃ要素を選出して（Ｓ２３１）、その未充填Ｃ要素について別の識別符号を付して（Ｓ２３２）、以下同様に隣接する微小要素を探索する工程を繰り返し行う。
【００６９】
すべての未充填Ｃ要素について探索を終了したときに（Ｓ２３４）、同一識別符号が付された未充填Ｃ要素に隣接する微小要素が充填Ｃ要素及びＭ要素のいずれかのみであるときには、その同一識別符号が付された未充填Ｃ要素からなる領域は閉領域であると判断する（Ｓ２３５）。最初に閉領域であると判断された場合にはその符号が付されたすべての未充填Ｃ要素の体積の和を求め、その時のキャビティ領域内の気体圧力を乗じて、気体量情報として、その識別符号をもつ未充填Ｃ要素に対応づける（Ｓ２３５）。すでに気体量情報が対応づけられている閉領域については後述するように閉領域の分割が起こった場合以外には気体量情報の更新は行わない。
【００７０】
一方、同一符号が付された未充填Ｃ要素のうち、１つでも「Ｃ要素及びＭ要素」以外の微小要素等と隣接する未充填Ｃ要素が存在するときには、その同一識別符号が付された未充填Ｃ要素からなる領域は閉領域ではないと判断する。
【００７１】
本実施例ではキャビティ領域は、ベントホール以外には鋳造型により、ほぼ完全に囲繞されている。したがって、「Ｃ要素及びＭ要素」以外の微小要素等とはベントホールＶ部分のことを意味する。
【００７２】
仮想巻き込み点設定ステップＳ２４は閉領域検出ステップＳ２３で検出された閉領域内の未充填Ｃ要素が更なる充填解析ステップＳ２１による解析によりすべて充填Ｃ要素となって消滅した場合に消滅した閉領域に対応づけられた気体量情報を対応づけられた仮想巻き込み点を閉領域が消滅した部位に設定するステップである。この仮想巻き込み点は充填解析ステップＳ２１において溶湯の流れに従いキャビティ領域内を移動する。
【００７３】
以下に解析工程Ｓ２を具体的に説明する。図５でしめす鋳造型内のキャビティ領域にゲートＧから溶湯を射出すると、充填解析ステップＳ２１により解析が進行していき、射出開始から幾らか後に、未充填Ｃ要素Ｃのうち、ゲートＧ部分からキャビティ領域内の幾らかが充填Ｃ要素Ｃ’となる（図６）。この場合の閉領域検出ステップＳ２３を解説する。
【００７４】
すべての未充填Ｃ要素Ｃのうち、任意の未充填Ｃ要素（たとえば未充填Ｃ要素Ｃ１）を選出し（Ｓ２３１）、その未充填Ｃ要素Ｃ１に識別符号を付す。選出された未充填Ｃ要素Ｃ１について隣接する微小要素を探索すると（Ｓ２３３）、ｙ軸方向の２つはＭ要素、ｘ軸下方向は未充填Ｃ要素Ｃ２、ｘ軸上方向はベントホールＶである。Ｍ要素とベントホールＶとにあたる微小要素についてはそれ以上の探索を行わないが、ｘ軸下方向の未充填Ｃ要素Ｃ２については更に隣接する微小要素を探索していき、隣接する微小要素がすべて未充填Ｃ要素以外となるまで探索する（Ｓ２３６〜２３８）。
【００７５】
隣接する微小要素が未充填Ｃ要素であるときにはその未充填Ｃ要素には同一の識別符号を付す（Ｓ２３７）。図６の場合にはすべての未充填Ｃ要素は連続しており、すべて同一の識別符号が付されることとなる。図６では未充填Ｃ要素Ｃ１がベントホールＶと隣接するので、これらの未充填Ｃ要素は閉領域ではないと判断される（Ｓ２３５）。
【００７６】
解析が進行すると、充填Ｃ要素の先端がＣ２’まで到達する（図７）。この場合に未充填Ｃ要素Ｃ１から順に探索する領域は図６の場合と同様にベントホールＶと接しているので、閉領域ではないが、未充填Ｃ要素Ｃ３を含む領域についてはＭ要素と充填Ｃ要素Ｃ’とにより完全に囲繞されているので、閉領域であると判断される。図７の時点においてこの閉領域が初めて検出されたとすると、この時点での閉領域内の空気の量を気体量情報としてこの閉領域に対応づける。空気の量は閉領域の大きさ（図７では微小要素が４４個分）と閉領域内の圧力（キャビティ領域内の空気の量と、ベントホールＶから排出される量とから算出できる）とを乗じて算出する。
【００７７】
より解析が進行して図８に示すように図７の時点で検出された閉領域が２つに分裂した場合には分裂した領域の大きさに応じた割合でそれぞれの閉領域に対して、先に対応づけた気体量情報を配分する。図８においては図面上方向の閉領域は微小要素が１３個分、下方向の閉領域は微小要素が５個分であり、先に対応づけられた気体量情報を１３：５の割合で配分する。
【００７８】
更に解析が進行していくと、図９に示すように、検出された閉領域のいくつかは消滅することがある。これは充填解析ステップＳ２１において背圧を考慮していないからである。ここで、もし背圧を考慮して充填解析ステップＳ２１を行ったとすると、溶湯の充填に従い閉領域の大きさは徐々に小さくなるのみであるが、微小要素の大きさは有限であるので小さな閉領域については表現しきれない場合がある。また、背圧を考慮することで計算時間が増大する。閉領域が消滅すると、仮想巻き込み点設定ステップＳ２４により、その閉領域が消滅した部位に仮想巻き込み点が設定される。この仮想巻き込み点は前述の充填解析ステップＳ２１において溶湯の流れに従って移動する。
【００７９】
（３）解析結果表示工程（図略）
最終的に充填解析ステップＳ２１及び凝固解析ステップＳ２２が終了した後に、シミュレーション結果を可視化する。キャビティ領域内への溶湯の充填の様子を可視化することの他に、最終的に製造される成型品について空気の巻き込み欠陥の予測位置を表示する。空気の巻き込み欠陥は、実際に空気を巻き込んで成型品内に空洞（閉領域）が生じた部分の他、仮想巻き込み点が最終的に移動していった先に発生するものと予測する。巻き込み欠陥の大きさとしては、最終的に残存した仮想巻き込み点又は閉領域に対応づけられた気体量情報の大きさをもって予測する。
【００８０】
本実施例の鋳造シミュレーション方法は従来行うことが出来なかった高精度の巻き込み欠陥の予測を行うことが可能となり、より実用的な鋳造シミュレーション結果を実用的な時間で得ることが可能となった。
【００８１】
（実施例２）
以下に本発明の成型シミュレーション方法を用いた鋳造条件の適正化方法を示す。本適正化方法を図１０に示す。まず、初期条件としての初期製品形状、方案及び射出条件を暫定的に決定する（Ｓ９１）。
【００８２】
Ｓ９１で決定された条件でスリーブ内の湯流れを解析する（Ｓ９３）。この湯流れ解析は前述した実施例１の方法がそのまま採用できる。解析した結果、巻き込み欠陥の数及び大きさが容認できる範囲にない場合にはスリーブ内の射出条件を適正化する（Ｓ９２）。射出条件の適正化方法としては、巻き込み欠陥の発生抑制のために射出速度を低速化したり、スリーブ内を溶湯で充填するまで低速で射出を行い、その後に高速化する２段階の射出条件としたりすることで行う。また、巻き込み欠陥が容認できる範囲でできるだけ射出速度を高速化することが好ましい。
【００８３】
スリーブ内の射出条件を適正化した後に、製品形状及び方案についての適正化を行う。まず製品の溶湯流れ計算を行う（Ｓ９６）。この計算は実施例１の方法がそのまま適用できる。その結果、巻き込み欠陥及びその他の欠陥が容認できるか否かを判断する（Ｓ９７、Ｓ９８）。欠陥が容認できない場合には、製品形状や方案を適正化する（Ｓ９５）。製品形状及び方案の適正化を行う方法としては、巻き込み欠陥等が発生する場所について製品形状を変更したりゲート位置、ベントホール位置、真空条件等を変更して湯流れを改善する。また、その他必要に応じて、型温制御、溶湯温度、地金材料等についても変更して適正化できる。
【００８４】
本発明の成型シミュレーション方法は高精度且つ簡便に巻き込み欠陥の予測を行うことが可能であるので、実際に鋳造型を作成して実験を行うことなく非常に短時間に鋳造条件を適正化することが可能となる。その結果、リードタイムの短縮、品質向上、コスト低減等を図ることができる。
【００８５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の成型シミュレーション方法によれば、溶融材料内への気体の巻き込みを閉領域又は仮想巻き込み点として表すことで、型のキャビティ領域内に存する気体の巻き込み欠陥の発生を高精度で推測することが可能となる。結果として、成型シミュレーションにおける精度のさらなる向上が達成できる。
【００８６】
同様に本発明の成型シミュレーション装置及び成型シミュレーションプログラムによれば、成型シミュレーションにおける精度のさらなる向上が達成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】微小要素を定義する方法の一例を示した図である。
【図２】微小要素を定義する方法の一例を示した図である。
【図３】実施例１の鋳造シミュレーション方法のフローチャートである。
【図４】実施例１の鋳造シミュレーション方法の閉領域検出ステップのフローチャートである。
【図５】実施例１における鋳造型の様子を示した概略図である。
【図６】実施例１における鋳造型内への溶湯の充填の様子と、充填に伴う閉領域の発生を示した概略図である。
【図７】実施例１における鋳造型内への溶湯の充填の様子と、充填に伴う閉領域の発生を示した概略図である。
【図８】実施例１における鋳造型内への溶湯の充填の様子と、充填に伴う閉領域の発生を示した概略図である。
【図９】実施例１における鋳造型内への溶湯の充填の様子と、充填に伴う閉領域の発生を示した概略図である。
【図１０】実施例２の適正化方法のフローチャートである。
【符号の説明】
Ｄ…型モデルデータ
Ｃ、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３…未充填キャビティ要素（未充填Ｃ要素）
Ｃ’、Ｃ２’…充填キャビティ要素（充填Ｃ要素）
Ｍ…型要素（Ｍ要素）
Ｇ…ゲート
Ｖ…ベントホール
【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】
0004032755.tif 000009
【図９】
0004032755.tif 000010
【図１０】
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