(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
製造を行う衛生陶器の素地に対して実験を行うことにより焼成工程では温度、時間による収縮量及び温度、時間、単位応力による歪み量を把握し、乾燥工程では時間による収縮量及び時間、単位応力による歪み量を把握し、衛生陶器を乾燥、焼成して製造する工程において、製造条件から時間毎の収縮量及び単位応力で発生する歪みを計算し、前記工程をいくつかの区間に分割し、その区間での歪み量を発生させる見かけのヤング率及びその区間の収縮率を算出し、算出された前記見かけのヤング率及び収縮率と製造開始時の形状のメッシュモデルにもとづいて、有限要素法などの汎用構造解析プログラムを用いて各区間毎にシミュレーションを行い発生する変形を予測することを特徴とする衛生陶器製造時の変形の予測方法。
【請求項２】
製造を行う衛生陶器の素地に対して実験を行うことにより焼成工程では温度、時間による収縮量及び温度、時間、単位応力による歪み量を把握し、乾燥工程では時間による収縮量及び時間、単位応力による歪み量を把握し、衛生陶器を乾燥、焼成して製造する工程において、製造条件から時間毎の収縮量及び単位応力で発生する歪みを計算し、前記工程をいくつかの区間に分割し、その区間での歪み量を発生させる見かけのヤング率及びその区間の収縮率を算出し、算出された前記見かけのヤング率と重力の関係よりヤング率を一定として見かけの重力を算出し、算出した見かけの重力及び前記収縮率と製造開示時の形状のメッシュモデルにもとづいて有限要素法などの汎用構造解析プログラムを用いて各区間毎にまたは連続してシミュレーションを行い発生する変形を予測することを特徴とする衛生陶器製造時の変形の予測方法。
【請求項３】
製造を行う衛生陶器の素地に対して実験を行うことにより焼成工程では温度、時間による収縮量及び温度、時間、単位応力による歪み量を把握し、乾燥工程では時間による収縮量及び時間、単位応力による歪み量を把握し、衛生陶器を乾燥、焼成して製造する工程において、製造条件から時間毎の収縮量及び単位応力で発生する歪みを計算し、前記工程をいくつかの区間に分割し、その区間での歪み量を発生させる見かけのヤング率及びその区間の収縮率を算出し、算出された前記見かけのヤング率を用い重力の方向を逆方向に指定して前記収縮率に対応する膨張率を指定し、算出された前記見かけのヤング率及び前記膨張率と製造終了時に得たい形状のメッシュモデルにもとづいて実際の工程の逆の順番で各区間毎に有限要素法などの汎用構造解析プログラムを用いてシミュレーションを行い、製造後に得たい形状になるような製造開始時の形状を推定することを特徴とする衛生陶器製造時の変形の予測方法。
【請求項４】
製造を行う衛生陶器の素地に対して実験を行うことにより焼成工程では温度、時間による収縮量及び温度、時間、単位応力による歪み量を把握し、乾燥工程では時間による収縮量及び時間、単位応力による歪み量を把握し、衛生陶器を乾燥、焼成して製造する工程において、製造条件から時間毎の収縮量及び単位応力で発生する歪みを計算し、前記工程をいくつかの区間に分割し、その区間での歪み量を発生させる見かけのヤング率及びその区間の収縮率を算出し、算出された前記見かけのヤング率と重力の関係よりヤング率を一定として見かけの重力を算出し、この算出した見かけの重力の方向を逆方向に指定し、前記収縮率に対応する膨張率を指定し算出された前記見かけの重力及び前記膨張率と製造終了時に得たい形状のメッシュモデルにもとづいて有限要素法などの汎用構造解析プログラムを用いて実際の工程の逆の順番で各区間毎または連続してシミュレーションを行い製造後に得たい形状になるような製造開始時の形状を推定することを特徴とする衛生陶器製造時の変形の予測方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は衛生陶器の製造時の変形を予測する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
衛生陶器は型から脱型後、乾燥・焼成工程を経て製品となる。この乾燥・焼成工程で収縮・曲がりが発生し、大きく変形する。そのため、得たい製品形状を得るためにはこの変形を見込んだ形状で型を作製することが必要である。この変形は技術者が過去の経験や勘または類似した形状の製品から推定し、予測している。または、統計的手法を用いる方法もある。
【０００３】
形状に左右されずに変形を予測する手法として、有限要素法などの構造解析プログラムがあるが、衛生陶器の製造時の変形は焼成時では焼成温度、時間、素地の物性値に影響され、また、乾燥では周りの温度、湿度、時間、素地の水分量、素地の物性値に影響される。このような因子に影響される衛生陶器製造時の変形をシミュレーションする手法はない。
【０００４】
セラミックスでは特開平１１−１５７９４６号公報の技術がある。これは焼結時の変形を粘弾性と近似し焼結前のセラミックスの成形体の密度を初期値として用い、（１）熱伝導解析に基づいて焼結過程での雰囲気温度における成形体各部の温度を算出し、（２）成形体各部の密度及び温度に基づいて、成形体各部に及ぼされる焼結応力及び体積粘性係数を求め、これらから成形体各部の歪み速度を算出し、（３）これら歪み速度から焼結収縮による形状変化を算出するという（１）〜（３）のステップを焼結開始時から最高焼結温度で保持終了まで繰り返すというものであり、（１）及び（３）のステップで有限要素法を用いるというものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
衛生陶器の乾燥・焼成工程での変形を類似した形状の製品から予測する方法や統計的手法を用いて予測する方法では、過去とは異なった形状の場合では予測できない。また、類似した形状でも断面形状の違いなどにより正確に予測できない。
前記特開平１１−１５７９４６号公報の技術の方法では前述したように工程が多く、手間と時間がかかる。セラミックスと衛生陶器では用途が異なっており、求められる製造誤差は衛生陶器の方が緩い。また、大きさも衛生陶器はかなり大きく変形の主因子も重力による変形であり、成形体各部の温度分布の違いに起因する焼結の進行の違いによる変形は無視できる。これらの理由から衛生陶器の分野で産業上、実際に使用することは効率的では無い。
また、前記特開平１１−１５７９４６号公報の技術の方法では、製造開始時の形状（型形状）からシミュレーションを用いて製造後の製品形状を求めるため、求める製品形状にするために製造開始時の形状（型形状）を変更してはシミュレーションを行うということを求める製品形状になるまで繰り返さなければならない。
本発明の目的は、汎用構造解析プログラムを用いて簡単に衛生陶器の製造時の変形を予測する方法を提供することと汎用構造解析プログラムを用いて製造後に得たい形状になるような製造開始時の形状を推定する方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の本発明の衛生陶器製造時の変形の予測方法は、製造を行う衛生陶器の素地に対して実験を行うことにより焼成工程では温度、時間による収縮量及び温度、時間、単位応力による歪み量を把握し、乾燥工程では時間による収縮量及び時間、単位応力による歪み量を把握し、衛生陶器を乾燥、焼成して製造する工程において、製造条件から時間毎の収縮量及び単位応力で発生する歪みを計算し、前記工程をいくつかの区間に分割し、その区間での歪み量を発生させる見かけのヤング率及びその区間の収縮率を算出し、算出された前記見かけのヤング率及び収縮率と製造開始時の形状のメッシュモデルにもとづいて有限要素法などの汎用構造解析プログラムを用いて各区間毎にシミュレーションを行い発生する変形を予測することを特徴とする。工業的に衛生陶器を製造する場合、使用する素地は管理されており、実験を行うことにより、焼成工程では焼成温度、時間に対する収縮との関係および焼成温度、時間、応力と歪みの関係を知ることが出来る。乾燥では周りの温度、湿度などの影響を受けるが工業的に衛生陶器を製造する場合、これらは管理されており一定であるため時間による応力と歪みの関係および時間と収縮の関係を知れば良く、実験を行うことにより知ることが出来る。これらを定式化し、プログラム化することにより、製造を行う条件で一定時間単位で発生する歪み及び収縮量を出力することが出来る。工程をいくつかに分けていくと各区間で発生する変形は弾性変形のように取り扱うことが出来る。この区間内での変形を弾性変形のように取り扱うと歪み量からその区間での見かけのヤング率が算出できる。このように見かけのヤング率は実際のヤング率とは異なり、歪み量から逆算したものである。また一定時間単位で算出された収縮量より各区間での収縮率も算出できる。衛生陶器は物が大きいため重力による変形が主である。温度分布の違いによる焼結進行度の違いによる変形は無視できるため、荷重条件として重力を与え、この各区間で算出された見かけのヤング率及び収縮率を用いて各区間で構造解析プログラムを用いてシミュレーションを繰り返し行うことにより衛生陶器の製造後の形状を簡単に得ることができる。
【０００７】
請求項２記載の本発明の衛生陶器製造時の変形の予測方法は、製造を行う衛生陶器の素地に対して実験を行うことにより焼成工程では温度、時間による収縮量及び温度、時間、単位応力による歪み量を把握し、乾燥工程では時間による収縮量及び時間、単位応力による歪み量を把握し、衛生陶器を乾燥、焼成して製造する工程において、製造条件から時間毎の収縮量及び単位応力で発生する歪みを計算し、前記工程をいくつかの区間に分割し、その区間での歪み量を発生させる見かけのヤング率及びその区間の収縮率を算出し、算出された前記見かけのヤング率と重力の関係よりヤング率を一定として見かけの重力を算出し、算出した見かけの重力及び前記収縮率
と製造開始時の形状のメッシュモデルにもとづいて有限要素法などの汎用構造解析プログラムを用いて各区間毎にシミュレーションを行い発生する変形を予測することを特徴とする。変形はヤング率と重力に関係するためヤング率を固定し、見かけの重力を用いても同様の結果を得られる。このように見かけの重力は実際の重力とは異なり、見かけのヤング率と重力との関係よりヤング率の値を一定とした場合に算出されるものである。荷重条件、収縮率を連続して読み込める汎用構造解析プログラムであれば全区間の見かけの重力、収縮率を指定することにより計算結果を取り出すことなく連続してシミュレーションを行うことが出来る。
【０００８】
請求項３記載の本発明の衛生陶器製造時の変形の予測方法は、製造を行う衛生陶器の素地に対して実験を行うことにより焼成工程では温度、時間による収縮量及び温度、時間、単位応力による歪み量を把握し、乾燥工程では時間による収縮量及び時間、単位応力による歪み量を把握し、衛生陶器を乾燥、焼成して製造する工程において、製造条件から時間毎の収縮量及び単位応力で発生する歪みを計算し、前記工程をいくつかの区間に分割し、その区間での歪み量を発生させる見かけのヤング率及びその区間の収縮率を算出し、算出された前記見かけのヤング率を用い重力の方向を逆方向に指定して前記収縮率に対応する膨張率を指定し、算出された前記見かけのヤング率及び前記膨張率と製造終了時に得たい形状のメッシュモデルにもとづいて実際の工程の逆の順番で各区間毎に有限要素法などの汎用構造解析プログラムを用いてシミュレーションを行い、製造後に得たい形状になるような製造開始時の形状を推定することを特徴とする。重力の方向を逆方向に指定し、収縮率に対応する膨張率を指定して、シミュレーションを行うと近似的に変形前の形状を得ることができる。シミュレーションの順番を逆にし工程の最後の区間から工程の最初の区間まで行うと製造後に得たい形状になるような製造開始時の形状を得ることができる。製造開始時の形状（型形状）からシミュレーションを用いて製造後の製品形状を求める方法では、求める製品形状にするために製造開始時の形状（型形状）を変更してはシミュレーションを行うということを求める製品形状になるまで繰り返さなければならないが、この方法では簡単に製造後に得たい形状になるような製造開始時の形状を得ることができ、この形状で型を製作し製品を製造すると得たい形状の製品を製作することができる。
【０００９】
請求項４記載の本発明の衛生陶器製造時の変形の予測方法は、製造を行う衛生陶器の素地に対して実験を行うことにより焼成工程では温度、時間による収縮量及び温度、時間、単位応力による歪み量を把握し、乾燥工程では時間による収縮量及び時間、単位応力による歪み量を把握し、衛生陶器を乾燥、焼成して製造する工程において、製造条件から時間毎の収縮量及び単位応力で発生する歪みを計算し、前記工程をいくつかの区間に分割し、その区間での歪み量を発生させる見かけのヤング率及びその区間の収縮率を算出し、算出された前記見かけのヤング率と重力の関係よりヤング率を一定として見かけの重力を算出し、この算出した見かけの重力の方向を逆方向に指定し、前記収縮率に対応する膨張率を指定し算出された前記見かけの重力及び前記膨張率と製造終了時に得たい形状のメッシュモデルにもとづいて有限要素法などの汎用構造解析プログラムを用いて実際の工程の逆の順番で各区間毎または連続してシミュレーションを行い製造後に得たい形状になるような製造開始時の形状を推定することを特徴とする。重力の方向を逆方向に指定し、収縮率に対応する膨張率を指定して、シミュレーションを行うと近似的に変形前の形状を得ることができる。荷重条件、膨張率を連続して読み込める汎用構造解析プログラムであれば実際の工程の逆の順番で全区間の逆方向に指定した見かけの重力、膨張率を指定することにより計算結果を取り出すことなく連続してシミュレーションを行うことが出来、製造後に得たい形状になるような製造開始時の形状を簡単に得ることができる。その結果の形状で型を作製し製造を行うことにより得たい形状の製品を得ることが出来る。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について説明する。
（実施例１）
まず、見かけのヤング率及び収縮率を算出し、有限要素法などの汎用構造解析プログラムを用いて各区間毎にシミュレーションを行い、発生する変形を予測する方法について図１をもとに説明する。図１のように見かけの物性値算出部１、メッシュモデル作成部２、シミュレーションデータ作成部３、シミュレーション部４、シミュレーション結果出力部５からなる機能構成により発生する変形を予測する。シミュレーション部４は汎用構造解析プログラムを用いている。
見かけの物性値算出部１は製造を行う衛生陶器の素地に対して実験を行うことにより焼成工程では温度、時間による収縮量及び温度、時間、単位応力による歪み量を把握し、乾燥工程では時間による収縮量及び時間、単位応力による歪み量を把握し、定式化し、プログラム化し作成する。見かけの物性値算出部１では製造を行う衛生陶器の素地に対して焼成条件・乾燥条件により、その工程で発生する単位応力による歪みおよび収縮量を時間毎に計算する。いくつかの区間に分けてその区間の歪み量を計算し、歪み量に等価な見かけのヤング率１１を算出する。また、時間毎に計算された収縮量からその区間での収縮率１２を算出する。
【００１１】
図２は見かけの物性値算出部１の本実施例の説明図である。２００分間の焼成を行なう場合、２００分間の焼成条件を入力する。見かけの物性値算出部１は１分間隔で単位応力により発生する歪み量ε１〜ε２００及び収縮量Ｌ１〜L２００を算出する。次にいくつかの区間に分ける。この場合では１０分毎に２０の区間に分ける。区間１で発生する歪み量△ε１を算出する。次にこの区間内の変形を弾性変形として取扱い、△ε１を発生させるに等価な見かけのヤング率Ｅ１を出力する。またこの区間で発生する収縮量Ｌ１〜L１０からこの区間での収縮率α１を算出する。これらを各区間行い、見かけのヤング率１１（Ｅ１〜Ｅ２０）、収縮率１２（α１〜α２０）を算出する。
【００１２】
メッシュモデル作成部２はメッシュモデル生成プログラムからなる。対象とする形状（製造開始時の形状）のメッシュモデルを作成しメッシュモデルデータ１３を出力する。
【００１３】
シミュレーションデータ作成部３ではメッシュモデルデータ１３に、ポアソン比、境界条件、荷重条件（重力）、最初の区間の見かけのヤング率Ｅ１、収縮率α１を指定し、シミュレーション部４で使用する汎用構造解析プログラムのフォ−マットでシミュレーションデ−タ１４を出力する。収縮率を直接指定できないプログラムであれば熱膨張を利用し、熱膨張係数と温度下降値を収縮率に見合うように与えれば良い。
【００１４】
シミュレーション部４は有限要素法などの汎用構造解析プログラムからなる。シミュレーションデ−タ１４を用いて最初の区間のシミュレ−ションを行い、シミュレーション結果データ１５を出力する。結果を取り出しシミュレーションデータ作成部３で次の区間の見かけのヤング率Ｅ２、収縮率α２を指定し再度シミュレーションデ−タ１４を出力し、シミュレーション部４でシミュレ−ションを行う。これを繰り返し全ての区間を行う。全区間終了後、全区間シミューレーション結果データ１６を出力する。
【００１５】
シミュレーション結果出力部５では全区間シミューレーション結果データ１６を読み込み表示する。衛生陶器製造後の形状が表示される。これらのことを行うことにより衛生陶器製造後の変形を知ることができる。
【００１６】
（実施例２）
次に、見かけの重力の方向を逆方向に指定し、収縮率に対応する膨張率を指定し有限要素法などの汎用構造解析プログラムを用いて逆の順番でシミュレーションを行い、製造後に得たい形状になるような製造開始時の形状を推定する方法について図３をもとに説明する。図３のように見かけの物性値算出部１、メッシュモデル作成部２、シミュレーションデータ作成部３、シミュレーション部４、シミュレーション結果出力部５からなる機能構成により製造開始時の形状を推定する。シミュレーション部４は汎用構造解析プログラムを用いる。
見かけの物性値算出部１は前記実施例１と同様にして作成する。見かけの物性値算出部１では製造を行う素地に対して焼成条件・乾燥条件により、その工程で発生する単位応力による歪みおよび収縮率を時間毎に計算する。いくつかの区間に分けてその区間の歪み量を計算し、歪み量に等価な見かけのヤング率を算出する。次に、重力とヤング率の関係よりヤング率をＥ＊と固定した場合の見かけの重力１７を算出する。また時間毎に計算された収縮量からその区間での収縮率を算出する。変形後から変形前の状態をシミュレーションするため収縮という現象は膨張として取り扱う必要がある。そのため収縮率に見合う膨張率１８を計算する。
【００１７】
図４は見かけの物性値算出部１の本実施例の説明図である。２００分間の焼成を行なう場合、２００分間の焼成条件を入力する。見かけの物性値算出部１は１分間隔で単位応力により発生する歪み量ε１〜ε２００及び収縮量Ｌ１〜L２００を算出する。次にいくつかの区間に分ける。この場合では１０分毎に２０の区間に分ける。区間１で発生する歪み量△ε１を算出する。次にこの区間内の変形を弾性変形として取扱い、△ε１を発生させるに等価な見かけのヤング率Ｅ１を計算し、重力とヤング率の関係からヤング率をＥ＊と固定した場合の見かけの重力Ｇ１を出力する。またこの区間で発生する収縮量Ｌ１〜L１０からこの区間での収縮率α１を算出し、この収縮率α１に対応する膨張率β１を出力する。これらを各区間行い、見かけの重力１７（Ｇ１〜Ｇ２０）、膨張率１８（β１〜β２０）を算出する。
【００１８】
メッシュモデル作成部２はメッシュモデル生成プログラムからなる。対象とする形状（製造終了時に得たい形状）のメッシュモデルを作成しメッシュモデルデータ１３を出力する。
【００１９】
シミュレーションデータ作成部３では、シミュレーション部４で使用するプログラムが荷重、収縮を連続して自動で読み込めるものであれば、メッシュモデルデータ１３に、境界条件、固定したヤング率Ｅ＊、ポアソン比を指定し、見かけの重力１７（Ｇ１〜Ｇ２０）、膨張率１８（β１〜β２０）を指定する。変形後の状態から変形前の状態をシミュレーションするため見かけの重力１７（Ｇ１〜Ｇ２０）、膨張率１８（β１〜β２０）は逆の順序で指定する必要があるため見かけの重力１７（Ｇ１〜Ｇ２０）、膨張率１８（β１〜β２０）ともＧ２０、β２０から指定していき、最後にＧ１、β１を指定する。また、見かけの重力１７（Ｇ１〜Ｇ２０）の方向は実際の重力の向きに対して逆向きに指定する。膨張率を直接指定できないプログラムであれば熱膨張を利用し、熱膨張係数と温度上昇値を膨張率に見合うように与えれば良い。シミュレーション部４で使用する汎用構造解析プログラムのフォ−マットでシミュレーションデ−タ１４を出力する。
【００２０】
シミュレーション部４は汎用構造解析プログラムからなる。シミュレーションデ−タ１４を用いてシミュレ−ションを行い、全区間シミューレーション結果データ１６を出力する。
【００２１】
シミュレーション結果出力部５では全区間シミューレーション結果データ１６を読み込み表示する。製造開始時の形状が表示される。これらのことを行うことにより製造後に得たい形状になるような製造開始時の形状を推定することができる。
【００２２】
【発明の効果】
本発明は上記構成により、衛生陶器を乾燥、焼成して製造する工程において発生する変形を予測することができる。また、衛生陶器の製造後に得たい形状になるような製造開始時の形状を推定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】見かけのヤング率と収縮率を用い発生する変形を予測する場合の説明図。
【図２】見かけのヤング率と収縮率を用い発生する変形を予測する場合の見かけの物性値算出部の説明図。
【図３】見かけの重力と膨張率を用い製造開始時の形状を推定する場合の説明図。
【図４】見かけの重力と膨張率を用い製造開始時の形状を推定する場合の見かけの物性値算出部の説明図。
【符号の説明】
１…見かけの物性値算出部
２…メッシュモデル作成部
３…シミュレーションデータ作成部
４…シミュレーション部
５…シミュレーション結果出力部
１１…見かけのヤング率
１２…収縮率
１３…メッシュモデルデータ
１４…シミュレーションデータ
１５…シミュレーション結果データ
１６…全区間シミュレーション結果データ
１７…見かけの重力
１８…膨張率
【図１】
0003800003.tif 000002
【図２】
0003800003.tif 000003
【図３】
0003800003.tif 000004
【図４】
0003800003.tif 000005