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技術 流体流動過程の解析装置、解析方法、射出成形過程の解析装置、解析方法、射出成形品および射出成形品の製造方法

出願人 東レ株式会社
発明者 中野亮
出願日 1995年7月6日 (25年5ヶ月経過) 出願番号 1995-171018
公開日 1996年4月16日 (24年8ヶ月経過) 公開番号 1996-099341
状態 特許登録済
技術分野 粘度、粘性・表面、境界、拡散効果の調査 チル鋳造・ダイキャスト プラスチック等の射出成形
主要キーワード 階微分項 プリプロセッサー コーナー状 移動境界 充填範囲 コントロールボリューム 数値計算手法 圧力変化分
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(1996年4月16日)のものです。
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図面 (17)

目的

本発明は、流体流動するキャビティ微小要素に分割した3次元モデルを用い、かつ、実用的な計算時間で射出成形過程をはじめとする流体の流動過程解析を行なう流体の流動過程の解析装置解析方法、射出成形過程の解析装置、解析方法および射出成形品および射出成形品の製造方法を提供する。

構成

本発明の流体の流動過程の解析装置および解析方法では、流体の流動するキャビティを多数の微小要素に分割した3次元モデルを構築し、微小要素がキャビティ壁面に近い位置にある場合は小さな値となるように、遠い位置にある場合は大きな値となるように流動コンダクタンスκを決定し、この流動コンダクタンスに基づいて各微小要素における圧力、圧力変化または流動速度を算出する。

概要

背景

一般に射出成形過程をはじめとする流体流動過程コンピュータシミュレーションにより再現する射出成形過程等の解析方法が広く実用化されている。以下流体流動過程の解析方法の具体例として、射出成形過程の解析方法を中心に説明する。

これらの射出成形過程の解析方法は、射出成形品等の製品開発において高品質化、効率化、低コスト化に貢献している。その活用方法などについては、たとえば特開平3−224712号公報、特開平4−152120号公報、特開平4−305424号公報、特開平4−331125号公報などに開示されている。こうした射出成形過程の解析方法は、いずれも2次元的なモデルを用いて各部の圧力や温度、あるいはせん断応力などの変化を求めるものである。

これら従来の射出成形過程等の解析方法においては、流体の流れ込むキャビティのモデル(射出成形品と同一形状を有する成形型のモデル)として2次元的なモデルを用いているため、キャビティ内部の各部を多数の三角形または四角形などの2次元的微小要素に分割し、コンピュータによる数値解析の手法を用いて、各微小要素における圧力や温度、あるいはせん断応力などの変化を求めている。従来の射出成形過程の解析方法では、キャビティの全体寸法に対してその厚さが薄い場合など、キャビティの形状が2次元図形の組み合わせなどによって近似できる場合には、精度の高い解析結果を得ることができる。

しかし、肉厚が5mmを越える製品や全体寸法が小さいコネクタなどの小物成形品では、肉厚方向への流動など3次元的な流動の影響が強く現れるために従来の解析方法では精度良く解析することができなかった。また、薄肉の成形品であっても段差部分やコーナー部分などの局所的な流動状態を精密に解析するためには、平面的な要素を用いる従来方法ではほとんど有用な情報は得ることができなかった。

たとえばT字型成形品の場合、従来の射出成形過程の解析方法によれば、図17のような2次元的なモデルを使用するため、交差部分の形状を正しく表現することができなかった。

そこで、図3のような3次元的なモデルを用い、有限要素法あるいは差分法などに代表される一般的な数値流体解析手法により解析する方法も考えられる。この場合は、対象のモデルは六面体三角三角柱などの3次元的な微小要素に分割される。このようなモデルを用い、一般的な数値流体解析手法により解析すれば、実際の形状に忠実モデル化が可能になり、解析の精度を高めることができる。

しかしながらこのような一般的な3次元解析の手法を適用すると、計算量が膨大となり、計算時間が非常に長くなり実用的ではない。これは以下のような理由による。すなわち、射出成形過程における流動は、時間と共に充填範囲が広がる移動境界問題である。また一般に射出成形材料は、流動特性を表す粘度が温度やせん断速度に依存して変化する非ニュートン流体であり、この粘度を左右する温度も時間と共に刻々と変化する。このように複雑な流動を3次元的に解析するためには膨大な計算時間と計算機容量を必要とした。そのため、実機による試作をシミュレーションで代替して効率化、低コスト化を図ることが実用上困難であった。

したがって、上記のような従来の射出成形過程の解析方法および解析装置によって射出成形品の射出成形条件を求めて射出成形品を製造する場合は、解析の精度が不十分なために好ましい条件で射出成形品を製造することができないか、生産性が非常に低いかのいずれかもしくは両方の問題が発生した。

また、かかる製造工程で製造された射出成形品は、最適の条件で製造されないために強度などの点に問題を有するものであった。

概要

本発明は、流体の流動するキャビティを微小要素に分割した3次元モデルを用い、かつ、実用的な計算時間で射出成形過程をはじめとする流体の流動過程の解析を行なう流体の流動過程の解析装置、解析方法、射出成形過程の解析装置、解析方法および射出成形品および射出成形品の製造方法を提供する。

本発明の流体の流動過程の解析装置および解析方法では、流体の流動するキャビティを多数の微小要素に分割した3次元モデルを構築し、微小要素がキャビティ壁面に近い位置にある場合は小さな値となるように、遠い位置にある場合は大きな値となるように流動コンダクタンスκを決定し、この流動コンダクタンスに基づいて各微小要素における圧力、圧力変化または流動速度を算出する。

目的

本発明の第1の目的は、上記問題点に鑑みなされたもので、流体流動過程の解析において、3次元的なモデルを用いて流体の流路の形状を忠実に再現し、なおかつ実用的な計算時間内に精密な解析を実現する流体流動過程の解析装置および解析方法を提供することにある。

また、本発明の第2の目的は、射出成形品の射出成形過程の解析において、3次元的なモデルを用いて成形品の形状を忠実に再現し、なおかつ実用的な計算時間内に精密な解析を実現する射出成形過程の解析装置および解析方法を提供することにある。

また、本発明の第3の目的は、かかる射出成形過程の解析装置を用いて、製品形状、成形型設計、材料選定などの射出成形条件を決定することにより高品質な射出成形品を効率良く製造する方法を提供することにある。

また、本発明の第4の目的は、かかる射出成形品の製造方法を用いて最適の条件で製造された射出成形品を提供することにある。

効果

実績

技術文献被引用数
5件
牽制数
2件

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請求項1

流体流動するキャビティの少なくとも一部を多数の微小要素に分割した3次元モデル構築する3次元モデル構築手段と、該各微小要素において該微小要素がキャビティ壁面に近い位置にある場合は小さい値となるように流体の流動コンダクタンスκを決定し、一方、遠い位置にある場合は大きい値となるように流体の流動コンダクタンスκを決定する流動コンダクタンス決定手段と、該流動コンダクタンスκに基づいて前記各微小要素における前記流体の圧力を求める圧力算出手段とを備えてなることを特徴とする、流体の流動過程解析装置

請求項2

流体の流動するキャビティの少なくとも一部を多数の微小要素に分割した3次元モデルを構築する3次元モデル構築手段と、該各微小要素において該微小要素がキャビティ壁面に近い位置にある場合は小さい値となるように流体の流動コンダクタンスκを決定し、一方、遠い位置にある場合は大きい値となるように流体の流動コンダクタンスκを決定する流動コンダクタンス決定手段と、該流動コンダクタンスκに基づいて前記各微小要素における前記流体の圧力変化を求める圧力変化算出手段とを備えてなることを特徴とする、流体の流動過程の解析装置。

請求項3

流体の流動するキャビティの少なくとも一部を多数の微小要素に分割した3次元モデルを構築する3次元モデル構築手段と、該各微小要素において該微小要素がキャビティ壁面に近い位置にある場合は小さい値となるように流体の流動コンダクタンスκを決定し、一方、遠い位置にある場合は大きい値となるように流体の流動コンダクタンスκを決定する流動コンダクタンス決定手段と、該流動コンダクタンスκに基づいて前記各微小要素における前記流体の流動速度を求める流動速度算出手段とを備えてなることを特徴とする、流体流動過程の解析装置。

請求項4

流体の流動するキャビティの少なくとも一部を多数の微小要素に分割した3次元モデルを構築し、該各微小要素における流体の流動コンダクタンスκを決定し、得られた該流動コンダクタンスκに基づいて前記各微小要素における前記流体の圧力を求め、得られた該圧力により前記流体の流動過程を解析することを特徴とする、流体の流動過程の解析方法

請求項5

流体の流動するキャビティの少なくとも一部を多数の微小要素に分割した3次元モデルを構築し、前記各微小要素における流体の流動コンダクタンスκを決定し、得られた該流動コンダクタンスκに基づいて前記各微小要素における前記流体の圧力変化を求め、得られた該圧力変化により前記流体の流動過程を解析することを特徴とする、流体の流動過程の解析方法。

請求項6

流体の流動するキャビティの少なくとも一部を多数の微小要素に分割した3次元モデルを構築し、流体の前記各微小要素における流動コンダクタンスκを決定し、得られた該流動コンダクタンスκに基づいて前記各微小要素における前記流体の流動速度を求め、得られた該流動速度により前記流体の流動過程を解析することを特徴とする流体の流動過程の解析方法。

請求項7

前記微小要素における流動コンダクタンスκを、前記各微小要素とキャビティ壁面との最短距離R の増加に伴って増加し、かつ、前記流体の材料粘度ηの増加に伴って減少する関数F(R,η) により決定することを特徴とする、請求項4〜6のいずれかの流体の流動過程の解析方法。

請求項8

前記微小要素における流動コンダクタンスκを、式

請求項

ID=000002HE=010 WI=069 LX=1155 LY=1000(ηは前記流体の材料粘度、x,y およびz は前記微小要素の位置を表わす)を解くことにより求めることを特徴とする、請求項4〜6のいずれかの流体の流動過程の解析方法。

請求項9

射出成形品の少なくとも一部を多数の微小要素に分割した3次元モデルを構築する3次元モデル構築手段と、該各微小要素において該微小要素が成形型表面に近い位置にある場合は小さい値となるように射出成形材料の流動コンダクタンスκを決定し、一方、遠い位置にある場合は大きい値となるように射出成形材料の流動コンダクタンスκを決定する流動コンダクタンス決定手段と、該流動コンダクタンスκに基づいて前記各微小要素における前記射出成形材料の圧力を求める圧力算出手段とを備えてなることを特徴とする射出成形過程の解析装置。

請求項10

射出成形品の少なくとも一部を多数の微小要素に分割した3次元モデルを構築する3次元モデル構築手段と、該各微小要素において該微小要素が成形型表面に近い位置にある場合は小さい値となるように射出成形材料の流動コンダクタンスκを決定し、一方、遠い位置にある場合は大きい値となるように射出成形材料の流動コンダクタンスκを決定する流動コンダクタンス決定手段と、該流動コンダクタンスκに基づいて前記各微小要素における前記射出成形材料の圧力変化を求める圧力変化算出手段とを備えてなることを特徴とする射出成形過程の解析装置。

請求項11

射出成形品の少なくとも一部を多数の微小要素に分割した3次元モデルを構築する3次元モデル構築手段と、該各微小要素において該微小要素が成形型表面に近い位置にある場合は小さい値となるように射出成形材料の流動コンダクタンスκを決定し、一方、遠い位置にある場合は大きい値となるように射出成形材料の流動コンダクタンスκを決定する流動コンダクタンス決定手段と、該流動コンダクタンスκに基づいて前記各微小要素における前記射出成形材料の流動速度を求める流動速度算出手段とを備えてなることを特徴とする射出成形過程の解析装置。

請求項12

射出成形品の少なくとも一部を多数の微小要素に分割した3次元モデルを構築し、該各微小要素における射出成形材料の流動コンダクタンスκを決定し、得られた該流動コンダクタンスκに基づいて前記各微小要素における前記射出成形材料の圧力を求め、得られた該圧力により前記射出成形品の射出成形過程を解析することを特徴とする射出成形過程の解析方法。

請求項13

射出成形品の少なくとも一部を多数の微小要素に分割した3次元モデルを構築し、前記各微小要素における射出成形材料の流動コンダクタンスκを決定し、得られた該流動コンダクタンスκに基づいて前記各微小要素における前記射出成形材料の圧力変化を求め、得られた該圧力変化により前記射出成形品の射出成形過程を解析することを特徴とする射出成形過程の解析方法。

請求項14

射出成形品の少なくとも一部を多数の微小要素に分割した3次元モデルを構築し、射出成形材料の前記各微小要素における流動コンダクタンスκを決定し、得られた該流動コンダクタンスκに基づいて前記各微小要素における前記射出成形材料の流動速度を求め、得られた該流動速度により前記射出成形品の射出成形過程を解析することを特徴とする射出成形過程の解析方法。

請求項15

前記微小要素における流動コンダクタンスκを、前記各微小要素と成形型表面との最短距離R の増加に伴って増加し、かつ、前記射出成形材料の材料粘度ηの増加に伴って減少する関数F(R ,η) により決定することを特徴とする請求項12〜14のいずれかの射出成形過程の解析方法。

請求項16

前記微小要素における流動コンダクタンスκを、式

請求項

ID=000003HE=010 WI=033 LX=0435 LY=2050(ηは前記射出成形材料の材料粘度、x,y およびz は前記微小要素の位置を表わす)を解くことにより求めることを特徴とする請求項12〜14のいずれかの射出成形過程の解析方法。

請求項17

射出成形品の射出成形条件を定め、該射出成形品の少なくとも一部を多数の微小要素に分割した3次元モデルを構築し、前記各微小要素において該微小要素が成形型表面に近い位置にある場合は小さい値となるように射出成形材料の流動コンダクタンスκを定め、一方、遠い位置にある場合は大きい値となるように射出成形材料の流動コンダクタンスκを定め、得られた該流動コンダクタンスκに基づいて前記各微小要素における前記射出成形材料の圧力を求め、得られた該圧力の分布に基づいて射出成形条件を最終決定し、該最終決定された該射出成形条件に基づいて射出成形品を製造することを特徴とする射出成形品の製造方法。

請求項18

射出成形品の射出成形条件を定め、該射出成形品の少なくとも一部を多数の微小要素に分割した3次元モデルを構築し、前記各微小要素において該微小要素が成形型表面に近い位置にある場合は小さい値となるように射出成形材料の流動コンダクタンスκを定め、一方、遠い位置にある場合は大きい値となるように射出成形材料の流動コンダクタンスκを定め、得られた該流動コンダクタンスκに基づいて前記各微小要素における前記射出成形材料の圧力変化を求め、得られた該圧力変化の分布に基づいて射出成形条件を最終決定し、該最終決定された該射出成形条件に基づいて射出成形品を製造することを特徴とする射出成形品の製造方法。

請求項19

射出成形品の射出成形条件を定め、該射出成形品の少なくとも一部を多数の微小要素に分割した3次元モデルを構築し、前記各微小要素において該微小要素が成形型表面に近い位置にある場合は小さい値となるように射出成形材料の流動コンダクタンスκを定め、一方、遠い位置にある場合は大きい値となるように射出成形材料の流動コンダクタンスκを定め、得られた該流動コンダクタンスκに基づいて前記各微小要素における前記射出成形材料の流動速度分布を求め、得られた該流動速度の分布に基づいて射出成形条件を最終決定し、該最終決定された該射出成形条件に基づいて射出成形品を製造することを特徴とする射出成形品の製造方法。

請求項20

前記射出成形条件は、前記射出成形品の形状、成形型形状、材料射出速度材料温度成形型温度および射出成形材料のうちのいずれかを含むものであることを特徴とする請求項17〜19のいずれかに記載の射出成形品の製造方法。

請求項21

請求項17〜20のいずれかの射出成形品の製造方法により製造された射出成形品。

技術分野

0001

本発明は流体流動過程における流体の圧力もしくは圧力変化もしくは流動速度分布を求め、これにより流体流動過程を解析する解析装置解析方法、これら装置または方法を射出成形過程に適用する解析装置、解析方法およびかかる射出成形過程の解析方法を用いて射出成形条件を決定して射出成形品を製造する方法およびかかる方法により製造された射出成形品に関する。

背景技術

0002

一般に射出成形過程をはじめとする流体流動過程をコンピュータシミュレーションにより再現する射出成形過程等の解析方法が広く実用化されている。以下流体流動過程の解析方法の具体例として、射出成形過程の解析方法を中心に説明する。

0003

これらの射出成形過程の解析方法は、射出成形品等の製品開発において高品質化、効率化、低コスト化に貢献している。その活用方法などについては、たとえば特開平3−224712号公報、特開平4−152120号公報、特開平4−305424号公報、特開平4−331125号公報などに開示されている。こうした射出成形過程の解析方法は、いずれも2次元的なモデルを用いて各部の圧力や温度、あるいはせん断応力などの変化を求めるものである。

0004

これら従来の射出成形過程等の解析方法においては、流体の流れ込むキャビティのモデル(射出成形品と同一形状を有する成形型のモデル)として2次元的なモデルを用いているため、キャビティ内部の各部を多数の三角形または四角形などの2次元的微小要素に分割し、コンピュータによる数値解析の手法を用いて、各微小要素における圧力や温度、あるいはせん断応力などの変化を求めている。従来の射出成形過程の解析方法では、キャビティの全体寸法に対してその厚さが薄い場合など、キャビティの形状が2次元図形の組み合わせなどによって近似できる場合には、精度の高い解析結果を得ることができる。

0005

しかし、肉厚が5mmを越える製品や全体寸法が小さいコネクタなどの小物成形品では、肉厚方向への流動など3次元的な流動の影響が強く現れるために従来の解析方法では精度良く解析することができなかった。また、薄肉の成形品であっても段差部分やコーナー部分などの局所的な流動状態を精密に解析するためには、平面的な要素を用いる従来方法ではほとんど有用な情報は得ることができなかった。

0006

たとえばT字型成形品の場合、従来の射出成形過程の解析方法によれば、図17のような2次元的なモデルを使用するため、交差部分の形状を正しく表現することができなかった。

0007

そこで、図3のような3次元的なモデルを用い、有限要素法あるいは差分法などに代表される一般的な数値流体解析手法により解析する方法も考えられる。この場合は、対象のモデルは六面体三角三角柱などの3次元的な微小要素に分割される。このようなモデルを用い、一般的な数値流体解析手法により解析すれば、実際の形状に忠実モデル化が可能になり、解析の精度を高めることができる。

0008

しかしながらこのような一般的な3次元解析の手法を適用すると、計算量が膨大となり、計算時間が非常に長くなり実用的ではない。これは以下のような理由による。すなわち、射出成形過程における流動は、時間と共に充填範囲が広がる移動境界問題である。また一般に射出成形材料は、流動特性を表す粘度が温度やせん断速度に依存して変化する非ニュートン流体であり、この粘度を左右する温度も時間と共に刻々と変化する。このように複雑な流動を3次元的に解析するためには膨大な計算時間と計算機容量を必要とした。そのため、実機による試作をシミュレーションで代替して効率化、低コスト化を図ることが実用上困難であった。

0009

したがって、上記のような従来の射出成形過程の解析方法および解析装置によって射出成形品の射出成形条件を求めて射出成形品を製造する場合は、解析の精度が不十分なために好ましい条件で射出成形品を製造することができないか、生産性が非常に低いかのいずれかもしくは両方の問題が発生した。

0010

また、かかる製造工程で製造された射出成形品は、最適の条件で製造されないために強度などの点に問題を有するものであった。

発明が解決しようとする課題

0011

本発明の第1の目的は、上記問題点に鑑みなされたもので、流体流動過程の解析において、3次元的なモデルを用いて流体の流路の形状を忠実に再現し、なおかつ実用的な計算時間内に精密な解析を実現する流体流動過程の解析装置および解析方法を提供することにある。

0012

また、本発明の第2の目的は、射出成形品の射出成形過程の解析において、3次元的なモデルを用いて成形品の形状を忠実に再現し、なおかつ実用的な計算時間内に精密な解析を実現する射出成形過程の解析装置および解析方法を提供することにある。

0013

また、本発明の第3の目的は、かかる射出成形過程の解析装置を用いて、製品形状、成形型設計、材料選定などの射出成形条件を決定することにより高品質な射出成形品を効率良く製造する方法を提供することにある。

0014

また、本発明の第4の目的は、かかる射出成形品の製造方法を用いて最適の条件で製造された射出成形品を提供することにある。

課題を解決するための手段

0015

本発明によれば、流体の流動するキャビティの少なくとも一部を多数の微小要素に分割した3次元モデル構築する3次元モデル構築手段と、該各微小要素において該微小要素がキャビティ壁面に近い位置にある場合は小さい値となるように流体の流動コンダクタンスκを決定し、一方、遠い位置にある場合は大きい値となるように流体の流動コンダクタンスκを決定する流動コンダクタンス決定手段と、該流動コンダクタンスκに基づいて前記各微小要素における前記流体の圧力を求める圧力算出手段とを備えてなることを特徴とする、流体の流動過程の解析装置である。

0016

また、本発明によれば、流体の流動するキャビティの少なくとも一部を多数の微小要素に分割した3次元モデルを構築する3次元モデル構築手段と、該各微小要素において該微小要素がキャビティ壁面に近い位置にある場合は小さい値となるように流体の流動コンダクタンスκを決定し、一方、遠い位置にある場合は大きい値となるように流体の流動コンダクタンスκを決定する流動コンダクタンス決定手段と、該流動コンダクタンスκに基づいて前記各微小要素における前記流体の圧力変化を求める圧力変化算出手段とを備えてなることを特徴とする、流体の流動過程の解析装置が提供される。

0017

また、本発明によれば、流体の流動するキャビティの少なくとも一部を多数の微小要素に分割した3次元モデルを構築する3次元モデル構築手段と、該各微小要素において該微小要素がキャビティ壁面に近い位置にある場合は小さい値となるように流体の流動コンダクタンスκを決定し、一方、遠い位置にある場合は大きい値となるように流体の流動コンダクタンスκを決定する流動コンダクタンス決定手段と、該流動コンダクタンスκに基づいて前記各微小要素における前記流体の流動速度を求める流動速度算出手段とを備えてなることを特徴とする、流体流動過程の解析装置が提供される。

0018

また、本発明によれば、流体の流動するキャビティの少なくとも一部を多数の微小要素に分割した3次元モデルを構築し、該各微小要素における流体の流動コンダクタンスκを決定し、得られた該流動コンダクタンスκに基づいて前記各微小要素における前記射出成形材料の圧力を求め、得られた該圧力により前記流体の流動過程を解析することを特徴とする、流体の流動過程の解析方法が提供される。

0019

また、本発明によれば、流体の流動するキャビティの少なくとも一部を多数の多数の微小要素に分割した3次元モデルを構築し、前記各微小要素における流体の流動コンダクタンスκを決定し、得られた該流動コンダクタンスκに基づいて前記各微小要素における前記流体の圧力変化を求め、得られた該圧力変化により前記流体の流動過程を解析することを特徴とする、流体の流動過程の解析方法が提供される。

0020

また、本発明によれば、流体の流動するキャビティの少なくとも一部を多数の微小要素に分割した3次元モデルを構築し、流体の前記各微小要素における流動コンダクタンスκを決定し、得られた該流動コンダクタンスκに基づいて前記各微小要素における前記流体の流動速度を求め、得られた該流動速度により前記流体の流動過程を解析することを特徴としている。

0021

また、本発明によれば、流体の流動過程の解析方法の好ましい態様は、前記微小要素における流動コンダクタンスκを、前記各微小要素とキャビティ壁面との最短距離R の増加に伴って増加し、かつ、前記流体の粘度ηの増加に伴って減少する関数F(R,η) により決定することを特徴とする、流体の流動過程の解析方法の好ましい態様が提供される。

0022

また、本発明によれば、前記微小要素における流動コンダクタンスκを、式

0023

本発明によれば、射出成形品の少なくとも一部を多数の微小要素に分割した3次元モデルを構築する3次元モデル構築手段と、該各微小要素において該微小要素が成形型表面に近い位置にある場合は小さい値となるように射出成形材料の流動コンダクタンスκを決定し、一方、遠い位置にある場合は大きい値となるように射出成形材料の流動コンダクタンスκを決定する流動コンダクタンス決定手段と、該流動コンダクタンスκに基づいて前記各微小要素における前記射出成形材料の圧力を求める圧力算出手段とを備えてなることを特徴とする、射出成形過程の解析装置が提供される。

0024

また、本発明によれば、射出成形品の少なくとも一部を多数の微小要素に分割した3次元モデルを構築する3次元モデル構築手段と、該各微小要素において該微小要素が成形型表面に近い位置にある場合は小さい値となるように射出成形材料の流動コンダクタンスκを決定し、一方、遠い位置にある場合は大きい値となるように射出成形材料の流動コンダクタンスκを決定する流動コンダクタンス決定手段と、該流動コンダクタンスκに基づいて前記各微小要素における前記射出成形材料の圧力変化を求める圧力変化算出手段とを備えてなることを特徴とする、射出成形過程の解析装置が提供される。

0025

また、本発明によれば、射出成形品の少なくとも一部を多数の微小要素に分割した3次元モデルを構築する3次元モデル構築手段と、該各微小要素において該微小要素が成形型表面に近い位置にある場合は小さい値となるように射出成形材料の流動コンダクタンスκを決定し、一方、遠い位置にある場合は大きい値となるように射出成形材料の流動コンダクタンスκを決定する流動コンダクタンス決定手段と、該流動コンダクタンスκに基づいて前記各微小要素における前記射出成形材料の流動速度を求める流動速度算出手段とを備えてなることを特徴とする、射出成形過程の解析装置が提供される。

0026

また、本発明によれば、射出成形品の少なくとも一部を多数の微小要素に分割した3次元モデルを構築し、該各微小要素における射出成形材料の流動コンダクタンスκを決定し、得られた該流動コンダクタンスκに基づいて前記各微小要素における前記射出成形材料の圧力を求め、得られた該圧力により前記射出成形品の射出成形過程を解析することを特徴とする、射出成形過程の解析方法が提供される。

0027

また、本発明によれば、射出成形品の少なくとも一部を多数の微小要素に分割した3次元モデルを構築し、前記各微小要素における射出成形材料の流動コンダクタンスκを決定し、得られた該流動コンダクタンスκに基づいて前記各微小要素における前記射出成形材料の圧力変化を求め、得られた該圧力変化により前記射出成形品の射出成形過程を解析することを特徴とする、射出成形過程の解析方法が提供される。

0028

また、本発明によれば、射出成形品の少なくとも一部を多数の微小要素に分割した3次元モデルを構築し、射出成形材料の前記各微小要素における流動コンダクタンスκを決定し、得られた該流動コンダクタンスκに基づいて前記各微小要素における前記射出成形材料の流動速度を求め、得られた該流動速度により前記射出成形品の射出成形過程を解析することを特徴とする、射出成形過程の解析方法が提供される。

0029

また、本発明によれば、前記微小要素における流動コンダクタンスκを、前記各微小要素と成形型表面との最短距離R の増加に伴って増加し、かつ、前記射出成形材料の材料粘度ηの増加に伴って減少する関数F(R,η) により決定することを特徴とする、射出成形過程の解析方法の好ましい態様が提供される。

0030

また、本発明によれば、前記微小要素における流動コンダクタンスκを、式

0031

また、本発明によれば、射出成形品の射出成形条件を定め、該射出成形品の少なくとも一部を多数の微小要素に分割した3次元モデルを構築し、前記各微小要素において該微小要素が成形型表面に近い位置にある場合は小さい値となるように射出成形材料の流動コンダクタンスκを定め、一方、遠い位置にある場合は大きい値となるように射出成形材料の流動コンダクタンスκを定め、得られた該流動コンダクタンスκに基づいて前記各微小要素における前記射出成形材料の圧力を求め、得られた該圧力の分布に基づいて射出成形条件を最終決定し、該最終決定された該射出成形条件に基づいて射出成形品を製造することを特徴とする、射出成形品の製造方法が提供される。

0032

また、本発明によれば、射出成形品の射出成形条件を定め、該射出成形品の少なくとも一部を多数の微小要素に分割した3次元モデルを構築し、前記各微小要素において該微小要素が成形型表面に近い位置にある場合は小さい値となるように射出成形材料の流動コンダクタンスκを定め、一方、遠い位置にある場合は大きい値となるように射出成形材料の流動コンダクタンスκを定め、得られた該流動コンダクタンスκに基づいて前記各微小要素における前記射出成形材料の圧力変化を求め、得られた該圧力変化の分布に基づいて射出成形条件を最終決定し、該最終決定された該射出成形条件に基づいて射出成形品を製造することを特徴とする、射出成形品の製造方法が提供される。

0033

また、本発明によれば、射出成形品の射出成形条件を定め、該射出成形品の少なくとも一部を多数の微小要素に分割した3次元モデルを構築し、前記各微小要素において該微小要素が成形型表面に近い位置にある場合は小さい値となるように射出成形材料の流動コンダクタンスκを定め、一方、遠い位置にある場合は大きい値となるように射出成形材料の流動コンダクタンスκを定め、得られた該流動コンダクタンスκに基づいて前記各微小要素における前記射出成形材料の流動速度分布を求め、得られた該流動速度の分布に基づいて射出成形条件を最終決定し、該最終決定された該射出成形条件に基づいて射出成形品を製造することを特徴とする、射出成形品の製造方法が提供される。

0034

また、本発明によれば、前記射出成形条件として前記射出成形品の形状、成形型形状、材料射出速度材料温度成形型温度および射出成形材料のうちのいずれかを含むものであることを特徴とする、射出成形品の製造方法が提供される。また、本発明によれば、上記いずれかの射出成形品の製造方法により製造された射出成形品が提供される。

発明を実施するための最良の形態

0035

以下に、本発明による流体流動過程の解析装置および解析方法の一例である、射出成形過程の解析装置、解析方法の好ましい態様の例を図面を参照しながら詳細に説明する。また、射出成形品の製造方法の好ましい態様の例を合わせて説明する。

0036

図1は、本発明の射出成形過程の解析装置のハードウェア構成例を示す図である。コンピュータ101に入力装置103、表示装置104および補助記憶装置102が接続されている。入力装置103により、たとえば解析する射出成形品の射出成形条件と3次元的なモデルのデータの入力が受け付けられ、こうしたデータは補助記憶装置102に格納される。オペレータの指示によりコンピュータ101がこのデータを内部のRAM(ランダムアクセス可能な揮発性メモリ)に読み込み、解析を行なう。得られた解析結果はたとえば表示装置104により表示される。必要に応じて、オペレータが射出成形条件を変更し再び解析を行なうことができる。また、解析結果の出力は別途用意したプリンタ装置に対して行なってもよく、補助記憶装置102に格納してもよい。この場合はたとえば別の解析装置の入力データとしてこの出力を利用することもできる。

0037

図2は本発明の射出成形過程の解析装置、解析方法およびかかる解析装置を利用した射出成形品の製造方法における手順の例を示したフローチャートである。射出成形過程の解析では、はじめに、射出成形品の射出成形条件(たとえば射出成形品の形状、成形型形状、材料射出速度、材料温度、成形型温度あるいは射出成形材料など)を入力する(ステップ1)。次に、形状をたとえば図3に示したように立体的な微小要素に分割して製品の3次元モデルを構築する(ステップ2)。次に各微小要素における流動コンダクタンスκを決定する(ステップ3)。続いて、ステップ3で決定した各微小要素の流動コンダクタンスκを利用して、各微小要素における射出成形材料の圧力(以下「材料圧力」という。)を得る(ステップ4)。ここで各微小要素の圧力の変化を求めてもよい。あるいは求めた材料圧力分布から、あるいは直接に各微小要素における射出成形材料の流動速度を求めてもよい。こうして得られた解析結果をたとえばグラフィック処理して、等高線あるいはグラフなどの形式で表示する(ステップ5)。上述のようにプリンタ装置などに出力してもよい。

0038

さらに、こうした射出成形過程の解析結果を用いて射出成形品を製造する場合は、上記のように得られた圧力、圧力変化あるいは流動速度を評価する(ステップ6)。この評価はたとえば、異常な圧力、圧力変化あるいは流動速度を得た領域があれば、成形不良が発生する可能性が高いと判定することにより行なう。もし、得られた解析結果より成形不良が予測される場合は、射出成形条件を変更し(ステップ7)、再びステップ1に戻って解析を行なう。こうしたステップをくり返し、射出成形が良好に行なわれると予測される結果を得たならば、その射出成形条件により射出成形を行ない、射出成形品を製造する(ステップ8)。

0039

つぎに、各微小要素における材料圧力、圧力変化および流動速度を求める方法を詳しく説明する。

0040

射出成形における材料圧力を求める方法は、一般に知られる連続の式(1) を用いる。式(1) は流体中の任意領域への流入流量流出流量の総和がであることを表す式であり、流体を非圧縮性仮定することで成立する。流体が圧縮性を持つ場合には右辺が非零となるが、以下の議論は同様に成立する。

0041

ID=000006HE=010 WI=072 LX=1140 LY=0750
ここで、x 、y 、z は3次元の空間座標であり、U 、V 、W はそれぞれの座標軸方向射出成形材料の流動速度である。この式1はU 、V 、W を未知変数とする方程式であり、一般にはこの式および圧力P と流動速度から導かれるせん断応力とを未知変数とする運動方程式解く必要があるとされ、3次元の流動を扱う場合は未知変数が4個となる。

0042

本発明者は、この式(1) を解くにあたって次に示す式(2) を使用することにより各方向の流動速度U 、V 、W を式(1) から消去し、未知変数の数を4個から圧力のみの1個に減らすことにより計算時間を大幅に減少することができることを見出した。この場合、3次元モデルを用いた場合の計算時間は1/16程度となると同時にコンピュータの所要RAM容量を1/4程度とすることができる。これによって初めて実用的な速度と精度を有する3次元の射出成形過程の解析を可能とした。

0043

ID=000007HE=015 WI=082 LX=0640 LY=1850
上記の式(2) においてκは流動コンダクタンスである。この式2はダルシー流れの式と呼ばれ、多孔質中の浸透流を表わす式である。すなわち3次元の座標軸x 、y 、z 方向の流動速度U 、V 、W はそれぞれの方向の圧力勾配などに比例するものと仮定したものである。

0044

式(2) を式(1) に代入することで次の式(3) が得られる。

0045

ID=000008HE=015 WI=076 LX=0220 LY=2450
式(3) は一般の熱伝導を表す方程式と同形である。熱伝導問題では任意の微小要素分割された領域について、領域境界の温度T あるいは温度勾配境界条件として予め設定すれば、領域内部の温度分布を有限要素法、差分法、コントロールボリューム法などの数値解析手法により求めることができる。したがって任意の微小要素分割された領域について、領域境界の圧力P あるいは圧力勾配を境界条件として設定すれば、熱伝導問題のための解析手法解析プログラムを用いることによって式(3) も同様に解くことが可能であり、材料の圧力分布を求めることができる。

0046

境界条件の設定方法については、たとえば、材料流入部分では射出圧力値あるいは射出流量より求められる圧力勾配値を設定し、成形型表面に接する領域境界では流入流出がないことから圧力勾配零を設定し、さらに自由表面である流動先端部分の圧力は大気圧と設定する。

0047

さらに射出成形では材料の充填部分が時間と共に増加することから、圧力分布も時間と共に変化する。このような圧力分布の時間的変化(圧力変化の分布)は、新たに充填された材料の総量に従って充填領域形状の変化を求め再び式(3) を解くことで得ることができる。充填領域形状の変化を求める方法としては従来の射出成形過程の解析方法で用いられているコントロールボリューム法やFAN 法(Flow Analysis Network Method)などが用いられる。

0048

また、流動速度は、たとえば、上述のように圧力分布P を求めこれを式(1) に代入することにより簡単に求めることができる。

0049

なお、実際の射出成形品は部分的には厚み方向の射出成形材料の流動を考慮する必要がない程度に肉薄の部位を持っている場合もある。このような部位については、2次元的なモデルを用い、次の式(4) を式(2) の代わりに使用して2次元的に解析してもよい。これにより、全体の計算速度をさらに向上させることができる。

0050

ID=000009HE=020 WI=080 LX=0200 LY=1200
ここでH は材料流路の厚さ、ηは材料粘度である。

0051

次に図2のステップ3の流動コンダクタンスκの決定方法について詳しく述べる。

0052

2次元的なモデルを用いて射出成形過程の解析を行なう部分については式(4)に示したように流動コンダクタンスは流路形状と材料粘度より一意に定めることができるので、この値を用いるのが好ましい。

0053

3次元的なモデルを用いる解析ではκを定める方法としては、たとえば、以下に示す本発明者が見出した方法が好ましく用いられる。

0054

本発明者の知見によると、射出成形材料の流動性は成形型表面から遠ざかるほど高く、近づくほど低くなる。したがって、一般に流動コンダクタンスを微小要素が成形型表面(すなわち、キャビティ壁面)に近い位置にある場合は小さい値となるように、遠い位置にある場合は大きい値となるように決定するのが好ましい。そこで、流動コンダクタンスκが、このような傾向を示す関数にしたがって変化するものと仮定することにより解析結果に良好な近似を得ることができる。すなわち、このような場合の流動コンダクタンスκとして、次に示す式(5) を用いるのが好ましい。

0055

ID=000010HE=015 WI=065 LX=1175 LY=0650
ここでR は各微小要素重心から成形型表面への最短距離あるいは各微小要素頂点から成形型表面への最短距離であり、ηは材料粘度である。

0056

式(5) の関数F は成形型表面から遠いほど、すなわちR が大きいほど成形型と材料間の摩擦力の効果が低下するために流動コンダクタンスκが増加し、また材料粘度ηが大きいほど流動性が低いために流動コンダクタンスκが減少する関数であり、たとえば、κ=aR/η+bのようにR の増加に対しκは増加し、ηの増加に対してκは減少するような関数として定義する。この場合、a は正の比例係数であり、b はR=0 即ち成形型表面での流動コンダクタンスを示す係数である。これら定数a およびb は、たとえば、代表的な射出成形品の例などで実験することなどにより決定する。ここに例示したR/ηに関する一次式は関数F を明示する最も単純な態様として計算時間が短時間に終了する特徴を有する。また、射出成形品のタイプにより、解析結果と実際の成形の結果がよく一致する別な形の計算式を用いてもよい。

0057

また材料粘度ηは温度とせん断速度などに従って変化し、式(6) に示すような近似式で表すことができる。ここでA 、B 、C は材料に特有の係数であり粘度測定装置により実験的に求めることができる。式(6) による材料粘度の近似値を式(5) に代入することにより、せん断速度と温度の変化にともなう材料粘度の変化の影響も流動コンダクタンス計算に簡単に取り入れることができる。

0058

ID=000011HE=010 WI=100 LX=0550 LY=2200
また、流動コンダクタンスκは次のようにして求めてもよい。

0059

すなわち、本発明者は式(7) に示す微分方程式を解くことにより流動コンダクタンスκを求める方法を見いだした。ここでx 、y 、z は3次元空間座標軸、ηは材料粘度である。

0060

ID=000012HE=015 WI=078 LX=1110 LY=2300
本発明者は、この式(7) は粘性力が支配的となる流れの場における力の釣合を表す方程式である式(8) に式(2) の第1式を代入して流動速度U を消去し、さらに圧力P のx 、y 、z に関する2階微分項を省略することによって得られることを見出した。この2階微分項を省略することによって以下に述べる簡便な方法によりκを求めることが可能となった。

0061

ID=000013HE=015 WI=078 LX=0210 LY=0400
式(7) は一般の熱伝導を表す方程式と同形である。熱伝導問題では任意形状の領域について、領域境界の温度T あるいは温度勾配を境界条件として予め設定すれば、領域内部の温度分布を有限要素法、境界要素法、差分法、コントロールボリューム法などの数値解析手法により求め得ることが知られている。従って領域境界である成形型表面でのκを零とする境界条件を設定し、式(7) を解くことにより成形型表面に近いほど小さく、遠いほど大きいκの分布を熱伝導問題のための解析方法や解析プログラムを用いて得ることができる。なおκ=0の境界条件は式(1) から明らかなように、成形型表面での速度が0 であると仮定することに相当する。ここで成形型表面での材料の滑りを考慮する場合にはκ=0.01mm 2 /(Pa・sec)などの零でない小さい値を代入することで実現できる。

0062

また式(6) による材料粘度の近似値を式(7) に代入することにより、せん断速度と温度の変化にともなう材料粘度の変化の影響も流動コンダクタンス計算に簡単に取り入れることができる。

0063

この方法によれば上述の式(5) を用いて流動コンダクタンスκを決定する方法に比べ、熱伝導方程式を解く必要が生じるために計算時間はかかるが、任意の形状に対して精度良く流動コンダクタンスを求めることが可能となる。また、上述のように式(7) は粘性力が支配的となる流れの場における力の釣合を表す方程式である式(8)を基礎として導かれたものなので、式(5) を用いる方法よりも得られる値の物理的な妥当性が高い。したがって、射出成形品の形状や、微小要素への分割のモデルなどに影響されず、常に精度良い解析結果を与えることができる。

0064

たとえば図4および図5に示すような断面形状を有する微小要素を用いた場合、式5を用いる流動コンダクタンスの決定方法によれば、図4に示すように規則的に分割された微小要素形状では正確かつ高速に流動コンダクタンスが決定できるが、図5のように不規則な微小要素形状では隣合う要素重心位置が成形型表面に対して一定とならないため、得られる流動コンダクタンスも不正確となる場合がある。

0065

一般に、数値解析に使用するための微小要素分割はプリプロセッサーと呼ばれるソフトウェアにより自動的に実施することができ、特に突起部や穴部の多い複雑形状の製品に対しても容易に分割することができる。こうした自動的な分割を行った場合には一般的に微小要素形状は不規則となるが、式(7) を用いた方法によれば微小要素形状の影響を小さく抑えることができ、複雑な形状の射出成形品に適用しても精度の高い解析が可能となる。

0066

上記のほかにも流動コンダクタンスを決定する方法には種々のものがあり、特に特定の形状の場合に高い計算精度と計算速度を実現する方法が考えられる。

0067

次に、上述のような方法によって射出成形過程を解析し、その結果に基づいて射出成形条件を決定して射出成形品を製造する方法について述べる。

0068

上述のようにして与えられた射出成形条件のもとで射出成形品を製造した場合の材料圧力、圧力変化あるいは射出成形材料の流動速度の分布を得ることができる。このとき、こうした結果は以下のようにして射出成形条件の変更・決定に活用することができる。

0069

一般に射出成形では低応力で歪の少ない成形品を得るために、材料圧力はできるだけ低いことが望ましく、圧力勾配も極端に急激な部分や極端に勾配の小さい部分がなくできるだけ均一な勾配であることが好ましい。また圧力の時間的変化についても急激な圧力上昇によるピーク圧力の発生は好ましくない。このような圧力の判定基準を適用することにより、成形状態良否を判定することができる。また、上述のようにして得られた流動速度に基づく判定基準を適用することが好ましく行なわれる。

0070

成形状態の判定方法としては、ほかに流動速度勾配、せん断速度や応力、充填領域の進行パターンなどをもとにして判定することもできる。これらのデータは、上述の方法により得られる圧力分布、圧力変化あるいは流動速度の分布の情報を加工することにより、簡単に得ることができる。たとえば、微小要素間の速度勾配をせん断速度とし、せん断速度に材料粘度を乗じることでせん断応力を求めることができる。また、流動先端部分の速度より次に充填する部分を順次定めることで充填領域の進行パターンを解析することができる。

0071

上記の判定方法により不良が予想された場合には、以下に示す方法により成形型設計、製品設計成形条件あるいは使用材料修正することにより、不良のない射出成形品を製造することができる。

0072

修正方法の第1は、成形型形状を修正し材料流路などを変更する方法である。ここで成形型形状とは一般にスプルーランナーあるいはゲートと呼ばれる、材料の溶融射出ノズルから製品形状部分に至るまでの材料流路を意味している。たとえばノズルから製品末端にいたるまでの流動長が長いために圧力損失が大き過ぎると判定された場合には、ランナーを分岐させて複数のゲートより製品形状部分に流入させることで流動長を低下させることができる。

0073

修正方法の第2は、射出成形品の形状を修正し、材料流路を変更する方法である。たとえば製品形状部分での圧力勾配が大きく、大きな流動歪が発生することが予想される場合には、製品肉厚を増すことで圧力勾配を低下させることができる。

0074

修正方法の第3は、材料射出速度、材料温度あるいは成形型温度などの成形条件を変更する方法である。たとえばある時刻での材料注入口の圧力上昇が激しく、成形が困難であることが予想される場合には、この時刻での材料射出速度を低下したり、あるいは材料温度や成形型温度を上げることで圧力上昇を低下させることができる。

0075

修正方法の第4は、射出成形材料を変更を変更する方法である。たとえば材料圧力損失が激しく、成形が困難であることが予想される場合には、粘度の低い良流動性材料に変更することで圧力損失を低下させることができる。

0076

以上の修正方法はそれぞれ別個に実施しても、あるいはいくつかを組み合わせて実施してもよい。また、エキスパートシステムなどを利用して、上記のような修正を自動的に行なうのが好ましい。

0077

上述のように射出成形条件を再検討し、好ましい射出成形結果を得ると考えられる条件で再び上記の射出成形過程の解析装置により解析し、最適な結果を得る射出成形条件を見出すまでこれを繰り返す。最適な結果が得られる射出成形条件を見出したならば、その条件にて射出成形を実施し、射出成形品を製造する。

0078

本発明は、射出成形製品のあらゆる形状に対して原理的に適用可能であるが、特に3次元的な形状効果の現れ易い製品に対して特に効果的である。

0079

3次元的な形状効果の現れ易い製品とは、肉厚が5mmを越えるような厚肉成形品や、あるいは1〜2mm程度の薄肉であっても製品全体寸法が10mm程度の小物成形品で、相対的に肉厚方向への流動の影響が現れやすいものを指す。また、段差部分やコーナー状部分の流動など流れが厚さ方向に急変する部位の局所流動についても3次元的な解析が有効である。

0080

さらに、本発明に係わる射出成形過程の解析方法は、従来の2次元的手法と組み合わせて用いることも可能であり、3次元的な流動が問題とならない箇所については従来の2次元的要素を用いて解析の効率を向上することも可能である。

0081

本発明において成形型としては、金属を放電加工などの精密な加工手段により加工した金型などが用いられる。

0082

本発明の流体の流動過程の解析装置および解析方法は、射出成形過程に限らず、一般の流体の流動過程の解析に好ましく用いることができる。たとえば、特に押出成形ダイ内の材料流動押出機スクリュー溝内流動、混練機内流動などの3次元的な材料流動を伴う流動過程の解析に適している。

0083

すなわち、丸棒平板押出成形、あるいは異形押出成形の成形時のダイ内流動において、押出流動時の圧力分布、圧力変化の分布または材料の流動速度分布を求めることに適用できる。圧力勾配や流動速度が0 に近い部分では材料の滞留熱劣化が生じるなど成形品の品質低下につながるため、滞留部の発生しないようダイ形状などの押出成形条件を決定する必要がある。本発明はこのような用途にも適している。

0084

また、射出成形機押出成形機スクリュー部分でも同様に、滞留部分の少ないスクリューデザインなどの条件決定に適用できる。また、押出機混練機においてスクリュー溝内のせん断応力分布を算出し、せん断応力値を極大化するための設計に利用することもできる。

0085

以下に、本発明による流体の流動過程解析装置および解析方法の例である、射出成形過程の解析装置、解析方法および射出成形品の製造方法の実施例を図面を参照しながら詳細に説明する。図2は本発明を構成する方法の手順を示すフローチャートである。

0086

[実施例1]ここでは図6に示すような、肉厚5mmから10mmへの段差を有する有する成形品への実施例について示す。

0087

まず図2のステップ1において射出成形条件(使用材料:ナイロン樹脂射出温度:280℃、金型温度:80℃、充填時間:1sec )を入力した。つづいてステップ2において射出成形品形状を図6に示すように複数の立体的微小要素14に分割し、射出成形品の3次元モデルを構築した。本実施例では8個の頂点よりなる6面体を微小要素として、射出成形品形状を規則的な格子状の3次元形状微小要素に分割した。

0088

続いて図2のステップ3において流動コンダクタンスκを式(5) (κ=aR/η+b, a=0.4mm,b=0.0mm 2 /(Pa・sec), η=100Pa・sec )に基づいて求めた。なお、式(5) で成形型と各微小要素の重心との距離をR とした。

0089

図7図6の微小要素分割モデルを用いて、式5に基づいて求めた流動コンダクタンスκの断面内の分布を等高線表示したものであり、成形型表面に近い部分15では流動コンダクタンスが0に近く、一方肉厚中心に近い部分16では流動コンダクタンスが0.02mm2 /(Pa・sec)と大きく流れ易いことを表している。このようになめらかなκ分布が得られた。

0090

続いて図2のステップ4において図7のκ分布をもとに式(3) を熱伝導解析と同様の数値演算プログラムにて解くことで各微小要素の射出成形中の圧力分布を求めた。さらにステップ5にてこれらの結果をグラフィック処理し、図8に示すような圧力分布を得た。この圧力分布の圧力範囲は0.1 〜10MPa であった。ここでは、各微小要素の圧力を等高線表示した。ステップ2以下の一連の計算はエンジニアリングワークステーションを用いて90秒程度の非常に短い時間で完了した。

0091

得られた圧力分布に基づいてさらに圧力変化分布(図9)と流動速度分布(図10)とを求めた。さらにせん断応力分布なども求めた。得られたこれらの解析結果によれば、たとえば、流動速度は30〜100mm/sec 、せん断応力は1000Pa以下であり射出成形に特に問題がないと判断されたので、この射出成形品を製造した。製造された射出成形品は最適な条件で製造されているため、強度などの特性が優れていた。

0092

もしも、ここでたとえば極端な圧力勾配部分が発生するなど成形不良が予想される場合には、成形品形状や成形条件あるいは材料などを変更してステップ1から繰り返すことにより、適正な製品設計や成形型設計、成形条件などを得る。

0093

[実施例2]実施例1と同一の射出成形品について、図11に示すような不規則な微小要素分割モデルを用いた他は上記と同じ条件で、式(5) に基づいて流動コンダクタンスκの分布を求めたところ、図12のように成形型境界付近で不規則に流動コンダクタンスκが変化する結果を得た。この結果は物理的には説明できるものではなく、計算誤差であることが明らかである。これは、本質的にはほぼ同一となるべき隣合う要素重心位置と成形型表面との距離が微小要素の分割方法に影響されて同一とならないためと考えられる。

0094

このようなケースでは厳密な解析結果を得ることは困難な場合があるが、上記のような不規則な微小要素分割モデルは射出成形品形状から自動的に発生させることができるため簡便であり、かつ式(5) に基づいて流動コンダクタンスκを得るのは計算速度が高いため、射出成形条件決定の初期において概略の条件を決定する場合に有効に用いることができる。

0095

[実施例3]実施例1および2と同一の射出成形品について、実施例2と同じ図11に示すような微小要素分割モデルを用い、式(7) に基づいて流動コンダクタンスκの分布を求め、これを用いて射出成形過程を解析したことの他はすべて同一の条件で射出成形過程の解析を行なった。

0096

図13図11の微小要素分割モデルを用いて、式7に基づいて求めた流動コンダクタンスκの断面内の分布を等高線表示したものである。やや長い計算時間を要したが図7と同様のなめらかなκ分布(分布範囲:0 〜0.02mm2 /(Pa・sec))が得られた。

0097

続いて図2のステップ4において図13で得られたκ分布をもとに各微小要素の射出成形中の圧力分布を求め、図14に示すように0.1 〜10MPa の圧力分布を得た。ここでも、各微小要素の圧力を等高線表示した。得られた圧力分布は図8に示したものとほぼ同様となった。ステップ2以下の一連の計算は上記と同様のエンジニアリングワークステーションを用いて160 秒程度とやや長い時間で完了した。なお、従来の一般的な数値計算手法を用いて計算した場合は、同一の対象について圧力分布を求めると、たとえば2500秒程度の時間を要する。

0098

得られた圧力分布に基づいてさらに圧力変化(図15)と流動速度分布(図16)を求めた。さらにせん断応力分布なども求めた。これらの結果はやはり実施例1とほぼ同様のものであった。得られたこれらの解析結果から、射出成形に特に問題がないと判断され製造されたので、この射出成形品を製造した。この射出成形品は、実施例1の場合と同様の最適な条件で製造されているため、強度などの特性が優れていた。

0099

実施例1の場合と同様に、ここでたとえば極端な圧力勾配部分が発生するなど成形不良が予想される場合には、成形品形状や成形条件あるいは材料などを変更してステップ1から繰り返すことにより、適正な製品設計や成形型設計、成形条件などを得る。

発明の効果

0100

本発明の射出成形過程の解析装置および解析方法によれば、流動コンダクタンスκを用いて圧力分布などを求めるため、射出成形品の射出成形過程の解析において、3次元的なモデルを用いて成形品の形状を忠実に再現し、なおかつ実用的な計算時間内に精密な解析行なうことができる。

0101

また、本発明の射出成形過程の解析装置および解析方法によれば、流動コンダクタンスκを式5や式7といった高速かつ精密な解法確立した方程式などを用いて決定するため、流動コンダクタンスκを容易に求めることができ、実用的な計算時間で精度良い解析結果を得ることができる。

0102

また、本発明の射出成形品の製造方法によれば、上記のような射出成形過程の解析装置を用いて、製品形状、成形型設計、材料選定などの射出成形条件を決定することにより高品質な射出成形品を効率良く製造することができる。

図面の簡単な説明

0103

図1本発明の流体流動過程(射出成形過程)の解析装置のハードウェア構成例を示す図である。
図2本発明の射出成形過程の解析方法および射出成形品の製造方法の手順の例を示すフローチャートである。
図3本発明において用いる3次元的な微小要素分割モデルの例を示す図である。
図4本発明において用いる流動コンダクタンスの決定する方法の一例を示す概念図である。
図5本発明において用いる流動コンダクタンスの決定する方法の一例を示す概念図である。
図6本発明の一実施例における対象の微小要素の決定の様子を示す図である。
図7本発明の一実施例における射出成形品断面の流動コンダクタンスκの分布状態計算結果を示す図である。
図8図7の流動コンダクタンスκの分布に基づいて射出成形品内部の圧力分布を解析した結果を示す等高線図である。
図9図7の流動コンダクタンスκの分布に基づいて射出成形品内部の圧力変化の分布を解析した結果を示す等高線図である。
図10図7の流動コンダクタンスκの分布に基づいて射出成形品内部の材料の流動速度分布を解析した結果を示す図である。
図11本発明の一実施例における対象の微小要素の決定の様子である。
図12本発明の一実施例における射出成形品断面の流動コンダクタンスκの分布状態を示す計算結果である。
図13本発明の一実施例における射出成形品断面の流動コンダクタンスκの分布状態を示す計算結果である。
図14図13の流動コンダクタンスκの分布に基づいて射出成形品内部の圧力分布を解析した結果を示す等高線図である。
図15図13の流動コンダクタンスκの分布に基づいて射出成形品内部の圧力変化の分布を解析した結果を示す等高線図である。
図16図13の流動コンダクタンスκの分布に基づいて射出成形品内部の材料の流動速度分布を解析した結果を示す図である。
図17従来の射出成形過程の解析で用いられている2次元的な微小要素分割モデルの例を示す図である。

--

0104

1:2次元的4角形微小要素
2:3次元的6面体微小要素
3:微小要素重心
4:微小要素重心から成形型表面への最短距離
5:微小要素分割した製品と成形型表面との接触部分
6:微小要素断面
7:微小要素
8:微小要素重心
9:微小要素重心から成形型表面への最短距離
10:微小要素分割した製品と成形型表面との接触部分
11:微小要素断面
12:微小要素
13:段差付き形状解析モデル
14:微小要素
15:κ等高線
16:κ等高線
17:微小要素
18:κ等高線
20:κ等高線
21:圧力等高線
22:圧力等高線
101:コンピュータ
102:補助記憶装置
103:入力装置
104:表示装置

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