DE102004015530A1

DE102004015530A1 - Verfahren zum Designen einer Form, Verfahren zum Herstellen eines Spritzgießformteils, Programm und Spritzgießvorrichtung

Info

Publication number: DE102004015530A1
Application number: DE200410015530
Authority: DE
Inventors: Shinichi Ichihara Nagaoka; Tomoo Ichihara Hirota; Yoshiaki Togawa
Original assignee: Sumitomo Chemical Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Chemical Co Ltd
Priority date: 2003-03-31
Filing date: 2004-03-30
Publication date: 2004-11-11
Also published as: CN100471644C; US7465416B2; CN1539615A; US20050082706A1

Abstract

Durch die vorliegende Erfindung wird ein Verfahren zum Designen einer Form und ein Verfahren zum Herstellen eines Spritzgießformteils bereitgestellt, wobei eine Formschließkraft oder das Auftreten von Fließ- bzw. Bindenähten in einem Spritzgießprozeß für ein Harzprodukt exakter gesteuert werden können. Wenn ein Spritzgießprozeß unter Verwendung einer Form mit mehreren zu einem Formhohlraum CV führenden Harzzufuhrkanälen G1, G2 und G3 ausgeführt wird, wird durch eine Kombination aus einem numerischen Analyseverfahren zum Berechnen des Spritzgießprozesses und einem computerunterstützten Optimierungsverfahren ein Formdesignparameter bestimmt, der mit der Anordnung und/oder den Formen und/oder den Größen der Harzzufuhrkanäle in Beziehung steht, um eien bevorzugte Spritzgießbedinggung zu erhalten. Dadurch kann der Formdesignparameter ohne wiederholte manuelle empirisch-praktische Methoden direkt und exakt berechnet werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Designen einer Form zum Spritzgießen von Harz, ein Programm, das einen Computer veranlaßt, den Spritzgießprozeß auszuführen, ein Verfahren zum Herstellen eines Spritzgießformteils unter Verwendung der Form und eine Spritzgießvorrichtung.

Beim Spritzgießen sind in Abhängigkeit von der Größe und der Form eines Produkts mehrere Harzzufuhrkanäle erforderlich. Für diesen Fall sind, wie nachstehend beschrieben wird, mehrere Vorschläge zum Verbessern eines Gießprozesses oder der Produktqualität, z.B. eine Verminderung der erforderlichen Formschließkraft und eine Steuerung der Position von Fließ- bzw. Bindenähten, durch Steuern des Fließzustandes des über die Kanäle zugeführten geschmolzenen Materials unterbreitet worden.

Beispielsweise wird in der offengelegten japanischen Patentveröffentlichung Nr. 2002-355866, Seite 2, ein Fall beschrieben, gemäß dem, wenn sich die Produktform in Längsrichtung erstreckt, mehrere Kanäle, über die geschmolzenes Harz in einen Formenhohlraum eingespritzt wird, auf der Strecke von der Seite, an der der Harzeinfüllvorgang beginnt, zu der Seite angeordnet sind, an der der Harzeinfüllvorgang endet, wobei das geschmolzene Harz, ausgehend von dem Kanal, der an der Position angeordnet ist, an der der Einspritzvorgang beginnt, in einem vorgegebenen Intervall sequentiell in den Formenhohlraum eingespritzt wird, um eine für den Gießprozeß erforderliche Formschließkraft zu reduzieren.

In der offengelegten japanischen Patentveröffentlichung (Heisei) Nr. 8-118420, Seiten 2 bis 3, wird beschrieben, daß das Auftreten von Fließ- bzw. Bindenähten verhindert werden kann, indem ein erweichtes Harzmaterial von einem zweiten Kanal etwa zum gleichen Zeitpunkt in den Formenhohlraum eingespritzt wird, zu dem das von einem ersten Kanal eingespritzte Harz den zweiten Kanal passiert, oder nachdem das vom ersten Kanal eingespritzte Harz den zweiten Kanal passiert hat.

In der offengelegten japanischen Patentveröffentlichung Nr. 2001-277308, Seiten 7 bis 9, wird eine Technik zum Vorhersagen der Position von in einem Formteil erzeugten Fließ- bzw. Bindenähten durch eine Simulation des Fließverhaltens in einem Gießprozeß beschrieben, wobei die Form des Formteils in feine Elemente geteilt und der Öffnungs- oder Schließzustand von Ventilkanälen auf der Basis der derart vorhergesagten Fließ- bzw. Bindenähte eingestellt wird, um die Fließ- bzw. Bindenähte zu einer bevorzugten, modifizierten oder korrigierten Position zu verschieben.

Gemäß dem in der vorstehend erwähnten offengelegten japanischen Patentveröffentlichung Nr. 2002-355866, Seite 2 oder dem in der offengelegten japanischen Patentveröffentlichung (Heisei) Nr. 8-118420, Seiten 2 bis 3 beschriebenen Verfahren müssen jedoch wiederholt manuelle empirisch-praktische Methoden angewendet werden, ist intuitives Wissen erforderlich oder muß auf Erfahrungen zurückgegriffen werden, um den Start- oder Anfangszeitpunkt des Einspritzvorgangs, eine Drosselung des Zuflusses oder eine Unterbrechung des Zuflusses von einem Kanal zu bestimmen. Gemäß einem auf den Seiten 7 bis 9 der offengelegten japanischen Patentveröffentlichung Nr. 2001-277308 beschriebenen Verfahren wird nicht die Gesamtposition der Fließ- bzw. Bindenähte gesteuert, sondern es wird nur an einem spezifischen Punkt einer Fließ- bzw. Bindenaht ein Korrekturwert berechnet. Daher ist es schwierig, eine komplex geformte Fließ- bzw. Bindenaht zu steuern, wenn Harzflüsse von drei Richtungen zusammenfließen. Außerdem werden gemäß den Verfahren dieser Patentveröffentlichungen Kanäle unter der vorgegebenen Bedingung der Kanalposition gesteuert, so daß nicht immer optimale Ergebnisse erwartet werden können.

Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Designen einer Form, ein Verfahren zum Herstellen eines Spritzgießformteils, ein Programm und eine Spritzgießvorrichtung bereitzustellen, das/die eine Formschließkraft oder das Auftreten von Fließ- bzw. Bindenähten beim Spritzgießen eines Harzprodukts geeignet steuern kann. Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Patentansprüche gelöst.

Um die vorstehende Aufgabe zu lösen, wird erfindungsgemäß ein bei einem Spritzgießprozeß unter Verwendung einer Form mit mehreren zu einem Formenhohlraum führenden Harzzufuhrkanälen zu implementierendes Verfahren zum Designen einer Form mit dem Schritt zum Bestimmen eines Formdesignparameters, der mit der Anordnung und/oder den Formen und/oder den Größen der Harzzufuhrkanäle in Beziehung steht, durch eine Kombination aus einem numerischen Analyseverfahren zum Berechnen eines Spritzgießprozesses und einem computerunterstützten Optimierungsverfahren bereitgestellt, um eine gewünschte Spritzgießbedingung zu erhalten.

Daher kann der Formdesignparameter ohne wiederholte manuelle empirisch-praktische Methoden berechnet werden, indem der Formdesignparameter bezüglich der Anordnung und/oder den Formen und/oder den Größen der Harzzufuhrkanäle unter Verwendung der Kombination aus einem numerischen Analyseverfahren zum Berechnen eines Spritzgießprozesses und einem computerunterstützten Optimierungsverfahren bestimmt wird. Für den Optimierungsprozeß wird eine für die praktische Anwendung geeignete Zielfunktion zum Bewerten einer bevorzugten Spritzgießbedingung definiert, die durch ein numerisches Analyseverfahren berechnet wird. Der Ausdruck Spritzgießen soll hierin in einem weiten Sinne verstanden werden und bezieht sich auf ein allgemeines Spritzgießverfahren, z.B. Einspritz-Preßformen, Einspritz-Formpressen und Schaumstoff-Spritzgießen.

Der Formdesignparameter bezeichnet vorzugsweise die Anzahl und/oder die Positionen der Kanäle, die Zuflußöffnungen zu einem Hohlraum der Form sind, und zusätzlich die Form, den Durchmesser oder den Weg bzw. die Länge eines Verteilerkanals, der ein Zuflußkanal von einer Düse zu den Kanälen ist, und außerdem können der Durchmesser, der Winkel oder ähnliche Parameter der Kanäle als Formdesignparameter verwendet werden.

Im erfindungsgemäßen Formdesignverfahren kann die vorstehend beschriebene Aufgabe das Bestimmen einer Gießbedingung beinhalten, durch die eine für den Gießvorgang erforderliche Formschließkraft reduziert werden kann. Beispielsweise hat unter Thermoplastharzen auf Polypropylenbasis ein Material mit einer guten Schlagfestigkeit im geschmolzenen Zustand tendenziell ein geringeres Fließvermögen, so daß vorzugsweise ein Harz mit dem geringstmöglichen Fließvermögen ausgewählt wird, um die Schlagfestigkeit eines Produkts zu erhöhen. Wenn ein Harz mit einem geringen Fließvermögen jedoch unter Bedingungen für ein Harz mit hohem Fließvermögen gegossen wird, wird die erforderliche Formschließkraft extrem groß und überschreitet die Kapazität der Spritzgießvorrichtung, so daß die Vorrichtungskosten und die laufenden Kosten der Vorrichtung zunehmen. Auch für ein derartiges Harz wird eine für den Gießprozeß erforderliche Formschließkraft durch ein numerisches Analyseverfahren berechnet, und der Formdesignparameter wird derart bestimmt, daß durch ein Optimierungsverfahren eine Gießbedingung zum Reduzieren der berechneten Formschließkraft erhalten wird. Weil die erforderliche Formschließkraft durch eine derartige Gießbedingung vermindert wird, kann auch durch eine Formvorrichtung mit einer kleinen Formschließkraft ein geeigneter Gießprozeß ausgeführt werden, oder die Energiekosten für den Gießprozeß können gesenkt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann das Bestimmen einer Gießbedingung aufweisen, durch die das Auftreten von Fließ- bzw. Bindenähten im Formteil unterdrückt oder gesteuert wird. Das Maß des Auftretens oder die Position der Fließ- bzw. Bindenähte in einem Formteil hat einen wesentlichen Einfluß auf das Erscheinungsbild und die Festigkeit eines Produkts. In der vorliegenden Erfindung wird ein Formdesign parameter durch Optimieren des Maßes des Auftretens von Fließ- bzw. Bindenähten in einem Zielbereich als eine Zielfunktion durch ein numerisches Analyseverfahren derart bestimmt, daß das Auftreten von Fließ- bzw. Bindenähten optimal unterdrückt oder gesteuert werden kann. Dadurch kann ein Produkt mit einem guten Erscheinungsbild und einer geeigneten Festigkeit gegossen werden. Hinsichtlich des Maßes des Auftretens von Fließ- bzw. Bindenähten wird beispielsweise die Anzahl und die Länge der Fließ- bzw. Bindenähte bestimmt, und bei der Berechnung wird die Anzahl von Knoten, bei denen festgestellt wird, daß eine Fließ- bzw. Bindenaht auftritt, oder die Länge einer derartige sequentielle Knoten verbindenden Fließ- bzw. Bindenaht durch eine Finite-Elemente-Methode bestimmt.

Erfindungsgemäß ist es hinsichtlich eines Verfahrens zum Designen einer Form bevorzugt, wenn der Bereich, in dem das Auftreten von Fließ- bzw. Bindenähten unterdrückt oder gesteuert werden soll, in mehrere Bereiche geteilt ist, wobei ein gewichtetes Maß für das Auftreten von Fließ- bzw. Bindenähten in den mehreren Bereichen als Fließ- bzw. Bindenahtbewertungswert verwendet wird, wodurch veranlaßt oder vermieden wird, daß Fließ- bzw. Bindenähte in einem spezifizierten Bereich auftreten. Beim Einspritzen eines Harzmaterials von mehreren Kanälen ist das Auftreten von Fließ- bzw. Bindenähten in gewissem Grad unvermeidbar. Hinsichtlich eines Harzprodukts existieren einige Bereiche, in denen das Auftreten von Fließ- bzw. Bindenähten einen großen Einfluß auf die Produktqualität hat, während das Auftreten von Fließ- bzw. Bindenähten in einigen anderen Bereichen in einem gewissem Grad tolerierbar ist. Gemäß diesem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird das Maß für das Auftreten von Fließ- bzw. Bindenähten in Kombination damit vermindert, daß das Auftreten von Fließ- bzw. Bindenähten in Bereichen, in dem das Auftreten von Fließ- bzw. Bindenähten einen großen Einfluß auf die Produktqualität hat, vermieden und veranlaßt wird, daß Fließ- bzw. Bindenähte in einem Bereich erzeugt werden, in dem das Auftreten von Fließ- bzw. Bindenähten to lerierbar ist, so daß ein hochwertiges Produkt gegossen werden kann.

Erfindungsgemäß hat ein Verfahren zum Designen einer Form den Zweck, eine Gießbedingung zu erhalten, gemäß der sowohl eine für den Gießprozeß erforderliche Formschließkraft reduziert als auch das Auftreten von Fließ- bzw. Bindenähten in einem Gießprodukt unterdrückt oder gesteuert wird. In diesem Fall werden in der Optimierungsverarbeitung mehrere Ziele berücksichtigt, wodurch ein Formdesignparameter bestimmt wird, der es ermöglicht, die jeweiligen Ziele zu erreichen.

Im erfindungsgemäßen Verfahren zum Designen einer Form weist eine Zielfunktion für die Optimierungsverarbeitung vorzugsweise eine Summe aus einer gewichteten Formschließkraft für den Gießprozeß und einem gewichteten Fließ- oder Bindenahtbewertungswert zum Bewerten des Auftretens von Fließ- bzw. Bindenähten auf. Gemäß diesem Aspekt wird ein Gleichgewicht zwischen den beiden Zielen durch Gewichtung eingestellt.

Im erfindungsgemäßen Verfahren zum Designen einer Form weist der Formdesignparameter vorzugsweise die Anzahl und/oder die Positionen von Kanälen auf, die Zuflußöffnungen zum Formenhohlraum darstellen. Gemäß diesem Aspekt wird der Parameter bezüglich der Position der Kanäle für eine gewünschte Spritzgießbedingung bestimmt.

Im erfindungsgemäßen Verfahren zum Designen einer Form weist der Formdesignparameter vorzugsweise die Größen und/oder Formen der Kanäle auf, die Zuflußöffnungen zum Formenhohlraum darstellen. Gemäß diesem Aspekt wird der Parameter bezüglich den Größen und Formen der Kanäle für eine gewünschte Spritzgießbedingung bestimmt.

Im erfindungsgemäßen Verfahren zum Designen einer Form wird bei der Bestimmung des Formdesignparameters vorzugsweise zusammen mit dem Formdesignparameter ein Prozeßparameter zum Setzen eines Harzzuflusses in einem Gießprozeß gesetzt. Gemäß diesem Aspekt wird der bestimmte Parameter des Harzzu flusses im Gießprozeß für die gewünschte Spritzgießbedingung bestimmt.

Im erfindungsgemäßen Verfahren zum Designen einer Form ist der Prozeßparameter vorzugsweise ein Parameter, der die Betätigung von in mehreren Harzzufuhrkanälen angeordneten Harzzuflußregelventilen steuert. Gemäß diesem Aspekt wird der Parameter zum Steuern der Betätigung der in den mehreren Harzzufuhrkanälen angeordneten Harzzuflußregelventile bestimmt.

Im erfindungsgemäßen Verfahren zum Designen einer Form werden die Prozeßparameter vorzugsweise unter einer Bedingung optimiert, daß zu einem bestimmten Zeitpunkt während eines Harzeinfüllprozesses mindestens ein Zuflußregelventil geöffnet ist. Gemäß diesem Aspekt wird ein optimaler Parameter unter der praktischen Bedingung bestimmt, daß mindestens ein Zuflußregelventil geöffnet ist.

Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines Spritzgießformteils bereitgestellt, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Bestimmen eines Formdesignparameters für einen Spritzgießprozeß, in dem eine Form mit mehreren zu einem Formenhohlraum führenden Harzzufuhrkanälen verwendet wird, bezüglich der Anordnung und/oder den Formen und/oder den Größen der Harzzufuhrkanäle durch Kombinieren eines numerischen Analyseverfahrens zum Berechnen eines Spritzgießprozesses und eines computerunterstützten Optimierungsverfahrens zum Bestimmen einer gewünschten Spritzgießbedingung; Herstellen der Form basierend auf dem bestimmten Formdesignparameter; und Ausführen eines Spritzgießprozesses unter Verwendung der hergestellten Form. Erfindungsgemäß wird der Spritzgießprozeß unter Verwendung einer Form ausgeführt, die basierend auf einem durch die Optimierungsverarbeitung erhaltenen Formdesignparameter unter der gewünschten Spritzgießbedingung hergestellt wurde, so daß gewünschte Ergebnisse des Gießprozesses erhalten werden.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Programm zum Bestimmen einer gewünschten Spritz gießbedingung bereitgestellt, gemäß dem in einem Spritzgießprozeß, in dem eine Form mit mehreren zu einem Formenhohlraum führenden Harzzufuhrkanälen verwendet wird, eine Verarbeitung zum Bestimmen eines Formdesignparameters bezüglich der Anordnung und/oder den Formen und/oder den Größen der Harzzufuhrkanäle durch Kombinieren eines numerischen Analyseverfahrens zum Berechnen eines Spritzgießprozesses und eines computerunterstützten Optimierungsverfahrens zum Bestimmen einer gewünschten Spritzgießbedingung durch einen Computer ausgeführt wird. Erfindungsgemäß kann der Formdesignparameter durch einen Computer direkt und exakt berechnet werden, ohne daß wiederholte manuelle empirisch-praktische Methoden erforderlich sind.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Spritzgießvorrichtung bereitgestellt, mit: einem Gießvorrichtungshauptkörper zum Zuführen von Harzmaterial zu einer Form, in der mehrere zu einem Formenhohlraum führende Harzzufuhrkanäle ausgebildet sind, über die Harzzufuhrkanäle; einem Speicherabschnitt zum Speichern von Prozeßparametern, die durch Kombinieren eines numerischen Analyseverfahrens zum Berechnen eines Spritzgießprozesses und eines computerunterstützten Optimierungsverfahrens bestimmt werden; und einem Steuerabschnitt zum Steuern des Gießvorrichtungshauptkörpers basierend auf Prozeßparametern gemäß der zu verwendenden Form und zum Ausführen des Spritzgießprozesses durch Steuern des zeitlichen Ablaufs des Zuflusses von Harzmaterial von den Harzzufuhrkanälen zur Form.

Erfindungsgemäß können der Harzkomponente ein oder mehrere Zusatzstoffe hinzugefügt werden, vorausgesetzt, daß diese den erfindungsgemäßen Zweck nicht beeinträchtigen. Zusatzstoffe sind beispielsweise faserförmige Verstärkungsmaterialien, z.B. Glasfasern, Silika-Aluminiumoxidfasern, Aluminiumoxidfasern, Kohlenstofffasern, aus Pflanzen, wie beispielsweise Hanf und Kenaf, gewonnene organische Fasern und synthetische Fasern; nadelförmige Verstärkungsmaterialien, z.B. Aluminiumboratwhiskerkristalle und Kaliumtitanatwhiskerkristalle; anorganische Füllstoffe, z.B. Glasperlen, Talk, Mika, Grafit, Wollastonit und Dolomit; Formentrennmittel, z.B. Fluorharze und Metallseifen; Färbungsmittel, z.B. Farbstoffe und Pigmente; Oxydationsinhibitoren; Wärmestabilisatoren; UV-Lichtabsorptionsmittel; Antistatikmittel; und grenzflächenaktive Stoffe.

Das erfindungsgemäß verwendete Harzmaterial ist vorzugsweise ein Thermoplastharz. Das Thermoplastharz kann ein beliebiges allgemein als Thermoplastharz bezeichnetes Material sein, wie beispielsweise ein amorphes Polymer, ein halbkristallines Polymer, ein kristallines Polymer und ein Flüssigkristallpolymer. Das Thermoplastharz kann aus einem Polymertyp oder aus einer Mischung aus mehreren Polymerkomponenten bestehen. Insbesondere kann das Thermoplastharz ein Olefinharz sein, wie beispielsweise ein Polyethylen mit niedriger Dichte, ein Polyethylen mit hoher Dichte, ein Propylenharz und ein Ethylen-Propylen-Copolymer; Styrolharz, z.B. Polystyrol, hochschlagfestes Polystyrol und ABS-Harz; ein Acrylharz, z.B. Polymethylmethacrylat; Polyesterharz, z.B Polyethylenterephthalat und Polybutylenterephthalat; Polycarbonatharz, z.B. Polycarbonat und modifiziertes Polycarbonat; Polyamidharz, z.B. Polyamid 66, Polyamid 6 und Polyamid 46; Polyacetalharz, z.B. Polyoxymethylen-Copolymer und Polyoxymethylen-Homopolymer; ein technischer Kunststoff (engineering plastics) und ein technischer Hochleistungskunststoff (super engineering plastics), z.B. Polyethersulfon, Polyetherimid, thermoplastisches Polyimid, Polyetherketon, Polyetheretherketon und Polyphenylensulfid; ein Zellulosederivat, z.B. Zelluloseacetat, Zelluloseacetatbutyrat und Ethylzellulose; ein flüssigkristallförmiges Polymer, z.B. Flüssigkristallpolymer und aromatisches Flüssigkristallpolyester; und ein thermoplastisches Elastomer, z.B. thermoplastisches Polyurethanelastomer, thermoplastisches Styrol-Butadien-Elastomer, thermoplastisches Polyolefinelastomer, thermoplastisches Polyesterelastomer, thermoplastisches Vinylchloridelastomer und thermoplastisches Polyamidelastomer.

Das bevorzugte Harzmaterial beinhaltet auch ein Thermoplastharz auf Polypropylenbasis, Beispiele von Thermoplast harzen auf Polypropylenbasis sind Homo-Polypropylen, ein Blockcopolymer oder ein beliebiges Copolymer von Polypropylen mit einem anderen Olefin oder ein Gemisch davon.

1 zeigt einen Formenhohlraum und die Position von Kanälen für einen Spritzgießprozeß zum Erläutern einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

2 zeigt einen Formenhohlraum und Harzzufuhrkanäle für einen Spritzgießprozeß zum Erläutern der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

3 zeigt ein Ablaufdiagramm zum Erläutern einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Gießen eines Harzprodukts;

4 zeigt einen in der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Gießen eines Harzprodukts vorgesehenen Fließ- oder Bindenahtsteuerungsprozeß;

5 zeigt einen Formenhohlraum und die Position von Kanälen zum Erläutern einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

6 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Verteilerkanalabschnitts in 5;

7A zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Mittenkanalabschnitts in 5;

7B zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Seitenkanalabschnitts in 5;

8 zeigt ein Ablaufdiagramm zum Erläutern der zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Gießen eines Harzprodukts;

9A zeigt einen Verschiebungsbereich des Seitenkanals in der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

9B zeigt den Fließ- oder Bindenahtbewertungsbereich in der zweiten Ausfürhungsform der vorliegenden Erfindung;

10A zeigt ein Fließ- oder Bindenahtsteuerungsergebnis für eine Anfangsbedingung (für den Fall, daß keine Optimierung vorgenommen wurde) in der zweiten Ausführungs form des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Gießen eines Harzprodukts;

10B zeigt ein Fließ- oder Bindenahtsteuerungsergebnis für den Fall, daß in der zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Gießen eines Harzprodukts eine Optimierung vorgenommen wurde; und

11 zeigt ein Beispiel einer Konfiguration einer erfindungsgemäßen Spritzgießvorrichtung.

Nachstehend wird eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezug auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben. Diese Ausführungsform bezieht sich auf die Herstellung eines sich in eine Richtung erstreckenden plattenförmigen Elements (Verhältnis Länge/Breite = 3/16) (vergl. 1) durch ein Spritzgießverfahren unter Verwendung eines vorgegebenen Harzmaterials. Wie in 2 dargestellt ist, weist ein Formenhohlraum CV in der Mitte, rechts und links auf einer Seite der Platte drei Kanäle (G1, G2 und G3) auf. Erfindungsgemäß muß die Anzahl der Kanäle lediglich zwei oder mehr betragen und kann in Abhängigkeit von der Form und den Abmessungen eines Harzprodukts geeignet festgelegt werden.
In der vorliegenden Erfindung ist die Konfiguration derart, daß mindestens ein Kanal ein Ventilkanal ist, der durch Bewegen eines Ventils geöffnet und geschlossen werden kann, wobei der Spritzgießvorgang derart ausgeführt wird, daß durch Regeln des Öffnungsgrades der Ventilkanäle Fließ- oder Bindenähte an gewünschten Positionen erzeugt werden. Diese Ausführungsform ist derart konfiguriert, daß alle drei Kanäle Ventilkanäle sind, wie in 2 dargestellt ist. Wenn als Ergebnis des später beschriebenen Optimierungsvorgangs festgelegt wird, daß mindestens einer der Kanäle vollständig geöffnet oder geschlossen gehalten wird, muß dieser Kanal für einen realen Gießvorgang nicht notwendigerweise ein Ventil aufweisen. Jeder der Kanäle ist über einen Verteilerkanal R mit dem vorderen Ende einer Düse N verbunden. Der Verteilerkanal R ist als sogenannter Heißkanal konstruiert, der so gesteuert wird, daß er eine vorgegebene Temperatur aufrechterhält, um zu verhindern, daß das Harz sich im Verteilerkanal R verfestigt. Der Verteilerkanal R und die Kanäle G1, G2 und G3 bilden Harzzufuhrkanäle.
11 zeigt ein Konfigurationsbeispiel einer Spritzgießvorrichtung gemäß dieser Ausführungsform. Wie in 11 dargestellt ist, weist die Spritzgießvorrichtung 10 auf: einen Gießvorrichtungshauptkörper 11 zum Zuführen von geschmolzenem Harz von der in 2 dargestellten Düse N; einen Speicherabschnitt 12 zum Speichern von Prozeßparametern, die durch eine Kombination aus einem numerischen Analyseverfahren zum Berechnen eines Spritzgießprozesses und einem computerunterstützten Optimierungsverfahren bestimmt werden; und einen Steuerabschnitt 13 zum Ausführen eines Spritzgießvorgangs, während der Gießvorrichtungshauptkörper 11 basierend auf den bestimmten Prozeßparametern gemäß der zu verwendenden Form gesteuert wird, und zum Steuern des zeitlichen Ablaufs des Zuflusses des geschmolzenen Harzes.
In der vorliegenden Ausführungsform wird ein Formdesignparameter zum Erhalten der bevorzugten Einspritzbedingung, der mit der Anordnung und/oder den Formen und/oder den Größen der Harzzufuhrkanäle in Beziehung steht, durch eine Kombination aus einem numerischen Analyseverfahren zum Berechnen eines Spritzgießprozesses und einem computerunterstützten Optimierungsverfahren bestimmt, und zusammen damit wird ein Prozeßparameter zum Festlegen des Harzzuflusses im Spritzgießprozeß bestimmt. Wenn, wie in der später beschriebenen zweiten Ausführungsform, kein Ventilkanal verwendet wird, kann auch nur der Formdesignparameter bestimmt werden.
Hinsichtlich des numerischen Analyseverfahrens zum Berechnen des Spritzgießprozesses ist in den letzten Jahren ein Verfahren in die Praxis umgesetzt worden, in dem das Verhalten des Harzes basierend auf einer Finite-Elemente-Methode unter Verwendung von Gleichungen auf der Basis der während des Gießvorgangs zwischen Elementen wirkenden Beziehung analysiert wird. In der vorliegenden Ausführungsform wird ein durch Moldflow Corporation hergestelltes Material mit der Handelsbezeichnung Moldflow Plastics Insight 2.0 rev1 verwendet. Es sind viele ähnliche computerunterstützte Optimierungsverfahren entwickelt worden. In der vorliegenden Ausführungsform wurde ein durch Engineous Software Inc. hergestelltes Programm mit der Handelsbezeichnung iSIGHT 6.0 verwendet. Weil bei der Analyse ein Problem hinsichtlich einer wesentlichen Nichtlinearität auftritt, wurde ein Simulated-Annealing-(SA-)Verfahren verwendet, das den Designraum in einer globalen Basis untersuchen konnte und daher als leicht erreichbares globales Optimum betrachtet wurde, ohne daß die Gefahr besteht, daß das Verfahren in einem lokalen Optimum endet. Nachstehend wird das gesamte Ablaufschema der Analyse unter Bezug auf das Ablaufdiagramm von 3 beschrieben.
(1) Vorbereitung des Simulationsmodells
Zunächst wird in Schritt (st) 2 das Simulationsmodell zum Analysieren des Harzflusses während des Spritzgießprozesses erzeugt. In der vorliegenden Ausführungsform wird ein nachstehend spezifiziertes Modell einer breiten und flachen Platte verwendet.
Abmessungen: Breite 1600 mm, Länge 300 mm, Dicke 3 mm;
Anzahl der Elemente: 2862;
Anzahl der Knoten: 1558;
Drei Kanäle an einer Seite.
Verteilerkanaldurchmesser: ∅ 6 mm (Heißkanal) Kanal: ∅ 4 mm × Länge 7,5 mm (Ventilkanal)
(2) Bestimmung der Gießbedingungen
In Schritt 3 werden die Bedingungen für den Spritzgießprozeß festgelegt. Zunächst müssen Daten eingegeben werden, z.B. die physikalischen oder mechanischen Eigenschaften des als Material ausgewählten Harzes. Das hierin verwendete Harz ist ein Harz auf Polypropylenbasis mit der Handelsbezeichnung Sumitomo Noblen NP156 von Sumitomo Chemical Co., Ltd. (Stapel- oder Schnittfasern GFPP, GF 30 Gew.-%). Die erforderlichen physikalischen Eigenschaften sind beispielsweise die Wärmeleitfähigkeit, die spezifische Wärmekapazität, die Temperatur für den nicht fließfähigen Zustand und die Viskosität.
Hinsichtlich anderer Gießbedingungen wurden die Harztemperatur, die Temperatur des Heißkanals und die Formtemperatur auf 230°C, 230°C bzw. 50°C eingestellt, die Einspritzrate wurde auf einen konstanten Wert eingestellt, und die Einspritzzeit wurde auf etwa 8 Sekunden eingestellt.
(3) Computerunterstützte Optimierungsstufe
Schritt (st) 4 und die folgenden Schritte stellen die computerunterstützte Optimierungsstufe dar. In Schritt 4 wird der Anfangswert der erforderlichen Parameter definiert (im vorliegenden Fall stellen die Parameter die Öffnungs-/Schließzeit der Ventilkanäle und die Anzahl und die Position der Kanäle dar), die als Designvariablen bezeichnet werden. In Schritt 5 werden die entsprechenden Abschnitte eines Simulationsmodells gemäß den anfangs gesetzten Werten der Designvariablen korrigiert. In Schritt 6 wird ein Zuflußprozeß für das Harz berechnet, und in Schritt 7 wird die Ergebnisdatei ausgegeben. In Schritt 8 wird basierend auf der Ergebnisdatei eine Zielfunktion bezüglich einer Formschließkraft und des Auftretens von Fließ- bzw. Bindenähten berechnet. In Schritt 9 wird entschieden, ob der berechnete Wert zu einer optimalen Lösung hin konvergiert. Wenn dies nicht der Fall ist, werden in Schritt 10 die Designvariablen basierend auf dem Algorithmus des Optimierungsverfahrens korrigiert, und die Schritte 5 bis 10 werden wiederholt. Wenn in Schritt 9 festgestellt wird, daß die Zielfunktion zur optimalen Lösung hin konvergiert, wird die Optimierungsstufe beendet.
In der vorliegenden Ausführungsform wird das Simulated-Annealing-Verfahren als Algorithmus des Optimierungsverfahrens verwendet. Beim langsamen Abkühlen von Metall wird die Energie der einzelnen Moleküle von einem hohen Niveau auf ein niedriges Niveau gebracht. Das Simulated-Annealing-Verfahren verwendet dies als Modell. D.h., das Simulated-Annealing-Verfahren ist kein Verfahren zum schnellen Herlei ten der optimalen Lösung, sondern ein Verfahren, das durch Erzeugen unterschiedlicher Lösungen eine allgemeine Untersuchung ermöglicht, während eine lokale Verschlechterung der Lösung zulässig ist. Die Konvergenz zur optimalen Lösung hin wird nach vorgegebenen Recheniterationen beurteilt.
(4) Zwangsbedingungen bei der Bestimmung der Öffnungs- /Schließzeit
In der vorliegenden Ausführungsform werden drei Ventilkanäle verwendet. Es kann vorausgesetzt werden, daß die Öffnungs-/Schließzeit für jeden einzelnen Ventilkanal unabhängig bestimmt wird. In einigen Fällen können diese Ventilkanäle jedoch aufgrund von Einschränkungen bezüglich des realen Betriebs nicht unabhängig voneinander manipuliert werden. Es ist effizient, die Optimierung unter weiter eingeschränkten Bedingungen auszuführen. Zu diesem Zweck wurden die folgenden Zwangsbedingungen festgelegt.
Zunächst wird in der vorliegenden Ausführungsform der Öffnungsgrad jedes Ventilkanals nicht kontinuierlich oder schrittweise eingestellt, sondern hinsichtlich der praktischen Anwendung werden lediglich zwei Stellungen, "offen" und "geschlossen", verwendet. Weil das Harz sich im Heißkanal nicht verfestigt, kann jeder Ventilkanal auch nach Beginn des Spritzgießvorgangs im geschlossenen Zustand verharren und zu einem beliebigen Zeitpunkt danach geöffnet werden. Außerdem kann ein Ventilkanal, der einmal geöffnet wurde, um Harz durchzulassen, geschlossen werden. Wenn ein Ventilkanal, der einmal geöffnet war und dann geschlossen wurde, erneut geöffnet wird, kann sich das Harz strömungsabwärtsseitig vom Ventil jedoch in Abhängigkeit von der Zeitdauer des geschlossenen Zustands verfestigen, so daß das Produkt Gießdefekte aufweisen kann, beispielsweise kann sein Erscheinungsbild beeinträchtigt sein. Infolgedessen ergeben sich insgesamt fünf Betätigungsmuster für einen einzelnen Ventilkanal: (1) permanent offen; (2) permanent geschlossen; (3) geschlossen → offen; (4) offen → geschlossen; und (5) geschlossen → offen → geschlossen. Diese Möglichkeiten wur den als erste Zwangsbedingung definiert. Als einfachere Zwangsbedingung ist eine Modifikation denkbar, die nicht das Muster (offen → geschlossen] verwendet. D.h., eine Modifikation mit den drei Mustern: (1) permanent offen; (2) permanent geschlossen; (3) geschlossen → offen wird als Zwangsbedingung 1b definiert.
Bei einem realen Gießvorgang sollten, wenn alle Kanäle gleichzeitig geschlossen sind, die Verteilerkanäle und Kanäle und Ventile einem abnormal hohen Druck ausgesetzt werden, so daß durch die Analyse aufgrund der Programmeigenschaften Fehler induziert werden. Als Gegenmaßnahme für dieses Problem wurde als Zwangsbedingung 2a festgelegt, daß während des Gießprozesses immer mindestens ein Kanal offen gehalten wird. Als einfachere Zwangsbedingung kann ein Ventilkanal permanent offen gehalten werden, was als Zwangsbedingung 2b definiert wird.
(5) Bestimmung der Öffnungs-/Schließzeit als Designvariable
Durch eine Kombination aus der Zwangsbedingung 1a oder 1b und der Zwangsbedingung 2a oder 2b werden verschiedene Zwangsbedingungen für Ventilbetätigungen erhalten. Hierin wurde die einfachste Kombination der Zwangsbedingungen 1b und 2b verwendet. D.h., zunächst wird unter den drei Kanälen ein Kanal als abhängiger Kanal ausgewählt, der immer offen gehalten wird, und dann werden die anderen beiden Kanäle als unabhängig regelbare Kanäle bestimmt, und die Öffnungszeiten der beiden Kanäle werden als unabhängige Variablen optimiert. In der vorliegenden Ausführungsform wurde die Optimierung sowohl für den Fall, daß Kanal G1 permanent offen gehalten wird, als auch für den Fall ausgeführt, daß Kanal G2 permanent offen gehalten wird.
(6) Kanalposition als Designvariable
Hierbei wurden die x-Koordinaten einer Kanalposition als Designvariable (reale Zahl) festgelegt. Weil ein Kanalabschnitt und ein Produktabschnitt verbunden sein (einen ge meinsamen Knoten aufweisen) mußten, wurde der gesamte Kanalabschnitt parallel verschoben, so daß der Kanal zu einer Position (x-Koordinate nach der Korrektur) versetzt wurde, der die berechnete Knotenposition des Produktabschnitts darstellt, die nach der Versetzung oder Verschiebung am nähesten zur Kanalposition angeordnet ist. Nach dem Versetzen des Kanalabschnitts wurde jeder Verteilerkanal durch Verschieben des Knotens des Vertteilerkanals zur entsprechenden Position erweitert/bewegt.
(7) Zielfunktion
In der vorliegenden Ausführungsform wird [(das Auftreten von Fließ- bzw. Bindenähten + die zum Spritzgießen erforderliche Formschließkraft)] als Zielfunktion verwendet. Das Steuern des Auftretens von Fließ- bzw. Bindenähten ist für das Erscheinungsbild und die Festigkeit eines Produkts wesentlich. Eine Verminderung der Formschließkraft führt zu einer Reduktion der Größe einer Vorrichtung, zu Energieeinsparungen und zum Schutz einer Form, wodurch die Kosten gesenkt werden. Jeder dieser Punkte wird nachstehend beschrieben.
(7-1) Bewertung des Auftretens von Fließ- bzw. Bindenähten
(1) Fließ- bzw. Bindenahtbeurteilung
Der Winkel, unter dem die Fronten des zusammenfließenden Harzmaterials aufeinandertreffen, wird für jeden Knoten eines Simulationsmodells berechnet, und basierend darauf werden die Fließ- bzw. Bindenähte beurteilt.
(2) Fließ- bzw. Bindenahterfassung in einem spezifizierten Bereich
Für einige Formprodukte muß lediglich verhindert werden, daß Fließ- bzw. Bindenähte in spezifizierten Bereichen auftreten (indem die Fließ- bzw. Bindenähte zu anderen Bereichen verschoben werden). Um diese Anforderung zu erfüllen, wurde ein Programm bereitgestellt, das Fließ- bzw. Bindenähte nur in spezifizierten Bereichen erfaßt (vergl. 4). Das Programm zählt die Punkte, an denen Fließ- bzw. Bindenähte auftreten, nur in vorgegebenen Bereichen (rechteckige Bereiche mit der gleichen Mitte und der gleichen Längsausrichtung wie das Produkt, wobei die Bereiche ein Abschnitt mit einer Breite von 400 mm und einer Länge von 100 mm und ein Abschnitt mit einer Breite von 800 mm und einer Länge von 100 mm sind), und gibt den Zählwert an eine Datei aus. Hinsichtlich der Bestimmung eines spezifizierten Bereichs kann beispielsweise durch Ungleichungen oder auf ähnliche Weise unter Verwendung von Koordinaten ein Polygonbereich definiert werden. Ein Bereich mit einer beliebigen Form kann durch ein Verfahren zum Speichern der Knoten im Bereich definiert werden.
(7-2) Für den Gießprozeß erforderliche Formschließkraft
Die Formschließkraft wird durch Multiplizieren des unter Verwendung eines Simulationsmodells erhaltenen Harzdrucks im Formenhohlraum mit der projizierten Fläche bestimmt.
(7-3) Endzielfunktion
Die Zielfunktion ist gegeben durch: Zielfunktion = A × δ + B,wobei A die Anzahl von innerhalb eines spezifizierten Bereichs gebildeten Fließ- bzw. Bindenähten (Anzahl von Knoten), B (Tonnen) die für den Gießprozeß erforderliche Formschließkraft und δ einen Gewichtungsfaktor bezeichnen. Wenn dem Auftreten von Fließ- bzw. Bindenähten eine hohe Priorität oder Wichtigkeit zugeordnet werden soll, sollte der Wert von δ erhöht werden. In der vorliegenden Ausführungsform wurde δ = 1000 verwendet, um der Vermeidung des Auftretens von Fließ- bzw. Bindenähten Priorität zu geben. Obwohl die Fließ- bzw. Bindenahtbewertung einfach wird, wenn die vorstehend beschriebene Anzahl von Knoten verwendet wird, ist es bevorzugt, daß, wenn die Knotenintervalle im Simulations modell ungleich sind, die Anzahl der Knoten in eine Fließ- bzw. Bindenahtlänge umgewandelt wird. Wenn auch die Fließ- bzw. Bindenahtfestigkeit in die Bewertung eingehen soll, wird, wenn zusätzlich auch die Temperatur und der Druck des zusammenfließenden Harzes berücksichtigt werden, ein exakteres Ergebnis erhalten.
(8) Optimierungs-Rechenbeispiel
Die Kanalpositionen und die Kanalöffnungs-/Schließzeiten während eines Spritzgießprozesses für das in 1 dargestellte Produkt wurden unter Anwendung der folgenden Anfangsbedingungen und Zwangsbedingungen optimiert.
(Bedingung A)
Der Kanal G1 wird permanent offen gehalten, und die Öffnungszeiten der Kanäle G2 und G3 sind variabel.
Zwangsbedingung: 1100 ≤ x1 ≤ 1500; 600 ≤ x2 ≤ 1000; 100 ≤ x3 ≤ 500, 0 ≤ t2 ≤ 8,0s; 0 ≤ t3 ≤ 8,0s
Anfangsbedingung: x1 = 1300; x2 = 800; x3 = 300; t2 = 4,0s; t3 = 4,0 s
(Bedingung B)
Der Kanal G2 wird permanent offen gehalten, und die Öffnungszeiten der Kanäle G1 und G3 sind variabel.
Zwangsbedingung: 1100 ≤ x1 ≤ 1500; 600 ≤ x2 ≤ 1000; 100 ≤ x3 ≤ 500, 0 ≤ t1 ≤ 8,0s; 0 ≤ t3 ≤ 8,0s
Anfangsbedingung: x1 = 1300; x2 = 800; x3 = 300; t1 = 4,0s; t3 = 4,0 s
Hierin bezeichnen x1, x2 und x3 (mm) die x-Koordinaten des Kanals G1, des Kanals G2 bzw. des Kanals G3, und t1, t2 und t3 bezeichnen die Öffnungszeiten des Kanals G1, des Kanals G2 bzw. des Kanals G3.
Die Ergebnisse sind in den Tabellen 1 und 2 dargestellt.
[Tabelle 1]
[Tabelle 2]
(9) Ergebnis der Betrachtungen
In den Tabellen ist unter (1) – (8) ein herkömmliches Verfahren dargestellt, und in jedem dieser Verfahren sind die Positionen der Kanäle fest. Hinsichtlich der Kanalöffnungszeit beziehen sich (1) und (6) auf einen Einpunktkanal und (2) und (7) auf eine sogenannte "Kaskadensteuerung", gemäß der, wenn Harz, das über den Kanal zugeführt wird, der zuerst geöffnet worden ist, einen anderen Kanal erreicht, der Kanal geöffnet wird. Gemäß (3) werden zwei Kanäle permanent offen gehalten, und gemäß (4) werden drei Kanäle permanent offen gehalten. Die Optimierung wurde für (5) und (8) ausgeführt, wobei beabsichtigt war, das Auftreten von Fließ- oder Bindenähten im Mittenbereich 1 zu vermeiden, der ein Bereich ist, der schmaler ist als unter den Bedingungen A, B der Ausführungsform, wobei nur die Öffnungszeiten der Kanäle optimiert wurden. Anhand dieser Ergebnisse konnten Gießbedingungen, gemäß denen keine Fließ- oder Bindenähte im Mittenbereich 2 eines Produkts auftreten und die Formschließkraft gering war, nicht erhalten werden.
Andererseits wurde in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durch Steuern der Kanalpositionen und der Kanalöffnungszeiten das Auftreten von Fließ- oder Bindenähten im gewünschten Bereich (Mittenbereich 2) unterdrückt, und außerdem wurde die Formschließkraft auf einem niedrigen Wert gehalten. Insbesondere wurde im Fall der Bedingung A für die erste Hälfte des Gießprozesses das Harz von den Kanälen G1, G3 auf beiden Seiten eingespritzt, und für die zweite Hälfte des Gießprozesses wurde der Mittenkanal G2 geöffnet, wodurch das Auftreten von Fließ- oder Bindenähten unterdrückt und die Formschließkraft vermindert werden konnte. Daher kann durch dieses Verfahren eine Form basierend auf einer Produktgestalt und einem Spritzgießprozeß designt werden, und außerdem kann unter Verwendung des Designergebnisses ein praktisches Gießverfahren bereitgestellt werden.
In der vorstehenden Ausführungsform ist nur ein einzelner Bereich als Zielbereich zum Unterdrücken des Auftretens von Fließ- oder Bindenähten definiert. Verteilte Bereiche können jedoch auf ähnliche Weise behandelt werden, indem die Zielfunktion als Summe einzelner erzeugter Fließ- oder Bindenähte strukturiert wird. Außerdem können durch die gewichtete Summe in jedem Bereich mehrere Teilbereiche gehandhabt werden, denen verschiedene Prioritäten zugeordnet sind. Wie vorstehend beschrieben wurde, können die Positionen, an denen Fließ- bzw. Bindenähte auftreten, durch Steuern des Auftretens von Fließ- bzw. Bindenähten in einzelnen Bereichen feiner gesteuert werden.
Nachstehend wird die zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert. Die in 5 dargestellte zweite Ausführungsform stellt einen Fall dar, in dem ein nahezu quadratischer, trapezförmiger flacher Artikel (Verhältnis Länge/Breite = 8/10) mit einer Öffnung im Inneren durch ein Spritzgießverfahren hergestellt wird. Wie in den 5 und 6 dargestellt ist, ist ein erster Kanal (Mittenkanal) G4 im Mittenabschnitt des flachen Artikels in einem Formenhohlraum CV angeordnet, und ein zweiter Kanal (Seitenkanal) G5 ist an einer Seite quer über die Öffnung angeordnet.
In dieser Ausführungsform ist keiner der Kanäle ein Ventilkanal, sondern die Kanäle sind normale Kanäle, die permanent offen gehalten werden, und die Optimierungsverarbeitung wurde unter Verwendung der Größen oder Positionen der Kanäle als Designvariablen ausgeführt. Der Mittenkanal G4 ist vertikal zum Formenhohlraum CV ausgebildet, und der Seitenkanal G5 ist senkrecht zur Seitenlinie in der gleichen Ebene wie der Formenhohlraum CV ausgebildet. Wie in 7A dargestellt ist, ist der Mittenkanal G4 so konstruiert, daß ein Ende des Heißkanals HR über einen Eingußkanal SR, der einen kleineren Durchmesser hat als das Ende, mit dem Formenhohlraum verbunden ist. In dieser Ausführungsform ist der Eingußkanal SR konisch ausgebildet, wobei sich sein Durchmesser von der Seite des Heißkanals zur Formenhohlraumseite hin erweitert. Der Seitenkanal G5 ist, wie in 7B dargestellt ist, so konstruiert, daß am Ende des Heißkanals HR ein konischer Eingußkanal SR ausgebildet ist, und das vordere Ende des Eingußkanals SR bildet einen Kaltkanal CR, der entlang der Fläche des Formenhohlraums CV gebogen ist und einen stegförmigen oder Stegabschnitt LD mit einem rechteckigen Querschnitt an einem Ende aufweist. Der Heißkanal HR wird auf eine vorgegebene Temperatur geregelt, so daß das Harz sich in seinem Inneren nicht verfestigt, während ein Abschnitt hinter dem Eingußkanal SR eine Temperatur aufweist, die niedriger ist als der Schmelzpunkt und der Formtemperatur ähnlich ist. Ein Harzzufuhrkanal besteht aus dem Heißkanal HR und den Kanälen G4, G5 und schließt den Eingußkanal SR, den Kaltkanal CR und den Stegabschnitt LD ein.
In der vorliegenden Ausführungsform werden, weil kein Ventilkanal verwendet wird, als Designvariablen keine Prozeßparameter verwendet, die sich während des Gießprozesses ändern, sondern durch eine Kombination aus einem numerischen Analyseverfahren zum Berechnen eines Spritzgießprozesses und einem computerunterstützten Optimierungsverfahren werden nur Formdesignparameter bestimmt, die mit der Anordnung und/oder den Formen und/oder den Größen der Harzzufuhrkanäle in Beziehung stehen, um eine bevorzugte Gießbedingung bereitzustellen. Für das numerisches Analyseverfahren zum Berechnen des Spritzgießprozesses wurde ein durch Moldflow Corporation hergestelltes Material mit der Handelsbezeichnung Moldflow Plastics Insight 2.0 rev1 verwendet, und für das computerunterstützte Optimierungsverfahren wurde ein durch Engineous Software Inc. hergestelltes Programm mit der Handelsbezeichnung iSIGHT 6.0 verwendet. Der Ablauf der Analyse wird nachstehend in Verbindung mit dem Ablaufdiagramm von 8 erläutert.
(1) Vorbereitung des Simulationsmodells
Zunächst wird in Schritt (st) 22 ein nachstehend spezifiziertes flaches Modell verwendet.
Abmessungen: Breite 1000 mm, Länge 800 mm, Dicke 2,0 mm und 3,5 mm;
Öffnung: Breite 400 mm, Länge 100 mm
Anzahl der Elemente: 8136;
Anzahl der Knoten: 4053;
Kanäle: Zwei Kanäle in der Mitte und an einer Seite.
Verteilerkanaldurchmesser: ∅ 16 mm (Heißkanal);
∅ 8 mm (Kaltkanal)
Stegform des Seitenkanals: rechteckiger Querschnitt;
Länge 10 mm
Form des Mittenkanals: ∅ 4,8 mm (Ende) → ∅ 8,0 mm (Produkt)
(2) Bestimmung der Gießbedingungen
In Schritt 23 werden die Bedingungen für den Spritzgießprozeß festgelegt. Zunächst müssen Daten eingegeben werden, z.B. die physikalischen oder mechanischen Eigenschaften des als Material ausgewählten Harzes. Die hierin verwendeten Harze sind Thermoplastharze auf Polypropylenbasis mit der Handelsbezeichnung Sumitomo Noblen AZ564. Die physikalischen Eigenschaften sind beispielsweise die Wärmeleitfähigkeit, die spezifische Wärmekapazität, die Temperatur für den nicht fließfähigen Zustand und die Viskosität. Hinsichtlich anderer Gießbedingungen wurden die Harztemperatur, die Temperatur des Heißkanals und die Formtemperatur auf 210°C, 210°C bzw. 40°C eingestellt, die Einspritzrate wurde auf einen konstanten Wert eingestellt, und die Einspritzzeit wurde auf etwa 2 Sekunden eingestellt.
(3) Computerunterstützte Optimierungsstufe
Schritt (st) 24 und die folgenden Schritte stellen die computerunterstützte Optimierungsstufe dar. In Schritt 24 werden die Anfangswerte der Designvariablen (die Position des Seitenkanals G5 und die Größen beider Kanäle) bestimmt. In Schritt 25 wird ein Simulationsmodell in Abhängigkeit von den Anfangswerten der bestimmten Designvariablen korrigiert. In Schritt 26 wird ein Harzzuflußprozeß berechnet, und in Schritt 27 wird die Ergebnisdatei ausgegeben. In Schritt 28 wird eine Zielfunktion bezüglich der Formschließkraft und des Auftretens von Fließ- bzw. Bindenähten basierend auf der Ergebnisdatei berechnet, und in Schritt 29 wird entschieden, ob der berechnete Wert zu einer optimalen Lösung hin konvergiert. Wenn dies nicht der Fall ist, werden in Schritt 30 die Designvariablen basierend auf dem Algorithmus des Optimierungsverfahrens korrigiert, und die Schritte 25 bis 30 werden wiederholt. Wenn in Schritt 29 festgestellt wird, daß die Zielfunktion zur optimalen Lösung hin konvergiert, wird die Optimierungsstufe beendet.
(4) Designvariable
Hierin werden die folgenden Parameter bezüglich zwei Kanälen als Designvariablen definiert.

(1) Eine Position des Seitenkanals G5 an der unteren Seitenlinie des Formenhohlraums CV in 5. Wenn der Punkt der linken unteren Ecke als Koordinatenursprung betrachtet wird, wird, wenn die x-Koordinaten (sx) sich ändern, der Seitenkanal G5 wie in 9A dargestellt verschoben.
(2) Stegbreite (sw) des Seitenkanals G5;
(3) Stegdicke (st) des Seitenkanals G5;
(4) Kaltkanaldurchmesser (sd) des Seitenkanals G5;
(5) Kanaldurchmesser (cd) des Mittenkanals G4
(5) Zielfunktion

Die Zielfunktion besteht wie bei den vorangehenden Ausführungsformen aus einer Summe aus einer durch die Spritzgießanalyse erhaltenen Formschließkraft und dem Fließ- bzw. Bindenahtbewertungswert, bei der vorliegenden Ausführungsform ist jedoch beabsichtigt, zu veranlassen, daß Fließ- bzw. Bindenähte in einem Umfangsabschnitt der Öffnung zu einem spezifizierten Bereich auftreten. D.h., wie in 9B dargestellt ist, ist ein Umfangsabschnitt der Öffnung eines Gießkörpers in 20 Bereiche geteilt, die jeweils einen Öffnungsrand mit der gleichen Länge aufweisen. Diese Bereiche werden als Bereiche (1, 3–9, 11, 13–19) bezeichnet, die in einem Randabschnitt der Öffnung angeordnet sind, und als Bereiche (2, 10, 12, 20), die an den vier Ecken davon angeordnet sind. Für jeden Bereich wird ein Gewichtungsfaktor gesetzt, und ein Fließ- bzw. Bindenahtbewertungswert wird als Summe des Produkts der in jedem Bereich erfaßten Anzahl von Fließ- bzw. Bindenähten und dem Gewichtungsfaktor definiert. Der Gewichtungsfaktor 1 wurde dem Bereich zugeordnet, in denen das Auftreten von Fließ- bzw. Bindenähten erwünscht ist, und der Gewichtungsfaktor 2500 wurde dem Bereich zugeordnet, der am weitesten vom Bereich entfernt ist, in denen das Auftreten von Fließ- bzw. Bindenähten erwünscht ist. Die Gewichtungsfaktoren im Bereich von 1 bis 2500 wurden diesen Bereichen schrittweise zugewiesen.
Fließ- bzw. Bindenahtbewertungswert = ΣAs·Wswobei s die Bereichnummer (s = 1 bis 20) in einem Umfangsabschnitt der Öffnung, As den Gewichtungsfaktor für den entsprechenden Bereich und Ws die Anzahl von in jedem Bereich auftretenden Fließ- bzw. Bindenähten (Anzahl von Knoten) bezeichnen. Die Summe aus dem vorstehend dargestellten Fließ- bzw. Bindenahtbewertungswert und der für den Gießprozeß erforderlichen Formschließkraft wurde als Gesamtzielfunktion verwendet.
Zielfunktion = (Fließ- bzw. Bindenahtbewertungswert-Formschließkraft)
(6) Optimierungs-Rechenbeispiel
Die Optimierungsverarbeitung wurde ausgeführt, nachdem die Anfangsbedingungen, die Zwangsbedingungen und die Gewichtung wie nachstehend dargestellt festgelegt wurden.
Anfangsbedingungen [mm] : sx = 400, sw = 5, st = 1, sd = 8, cd = 8
Zwangsbedingungen: 300 ≤ sx ≤ 700; 3 ≤ sw ≤ 15; 1 ≤ st ≤ 3; 4 ≤ sd ≤ 12 ; 4 ≤ c d ≤ 12
Hinsichtlich der Gewichtung wurde der Gewichtungsfaktor As folgendermaßen zugewiesen, um in den Bereichen 10 und 20 Fließ- bzw. Bindenähte zu induzieren.
A10, A20 ..1
A1, A9, A11, A19 ..500
A2, A8, A12, A18 ..1000
A3, A7, A13, A17 ..1500
A4, A6, A14, A16 ..2000
A5, A15 ..2500
Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 und in den 10A und 10B dargestellt. [Tabelle 3]
10A zeigt das Ergebnis für die Anfangsbedingungen, und 10B zeigt das Ergebnis nach der Optimierung. Im erstgenannten Fall tritt eine Fließ- bzw. Bindenaht an einer anderen Position auf als in den Bereichen 10, 20, und im letztgenannten Fall tritt lediglich im Bereich 20 eine Fließ- bzw. Bindenaht mit kurzer Länge auf. Die Ausführungsform hat den Zweck, die rechte Fließ- bzw. Bindenaht in den Bereich 10 zu versetzen, während die linke Fließ- bzw. Bindenaht im Bereich 20 verbleibt, beim Versetzen der Position der rechten Fließ- bzw. Bindenaht in den Bereich 10 ist die rechte Fließ- bzw. Bindenaht jedoch verschwunden. Dadurch ist ersichtlich, daß das Auftreten von Fließ- bzw. Bindenähten in von den Bereichen 10, 20 verschiedenen Bereichen durch gleichzeitiges Optimieren der Kanalposition und des Kanal-/Kaltkanaldurchmessers vermieden und die Formschließkraft auf weniger als 60% des Anfangswertes reduziert werden konnte.
In der vorstehenden Ausführungsform wird zwar die Formschließkraft als zusätzliche Zielfunktion verwendet, als Zielfunktion können jedoch auch entsprechend den einzelnen Bedingungen geeignete Parameter verwendet werden. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Zielfunktion als Summe mehrerer elementarer Zielfunktionen strukturiert, in Abhängigkeit von Situationen kann jedoch eine geeignete Berechnung verwendet werden.
Wie vorstehend beschrieben wurde, kann erfindungsgemäß ein Formdesignparameter, der mit der Anordnung, und/oder den Formen und/oder den Größen der Harzzufuhrkanäle in Beziehung steht, direkt und exakt berechnet werden, ohne daß wiederholte manuell empirisch-praktische Methoden angewendet werden müssen. Dadurch kann auch beim Spritzgießen eines Harzprodukts mit einer beliebigen Form das Designergebnis einer Form erhalten werden, gemäß der das Auftreten von Fließ- bzw. Bindenähten gesteuert und die Formschließkraft reduziert werden kann. Unter Verwendung eines derartigen Designergebnisses kann ein Produkt mit einem guten Leistungsvermögen hinsichtlich seines Anwendungszwecks gegossen werden, so daß Vorrichtungskosten und der Arbeitsaufwand zum Herstellen des Produkts gesenkt bzw. reduziert werden können.

Claims

Verfahren zum Designen einer Form für einen Spritzgießprozeß unter Verwendung einer Form mit mehreren zu einem Formenhohlraum führenden Harzzufuhrkanälen, mit: einem Schritt zum Bestimmen eines Formdesignparameters, der mit der Anordnung und/oder den Formen und/oder den Größen der Harzzufuhrkanäle in Beziehung steht, durch eine Kombination aus einem numerischen Analyseverfahren zum Berechnen eines Spritzgießprozesses und einem computerunterstützten Optimierungsverfahren, um eine gewünschte Spritzgießbedingung zu erhalten.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Spritzgießbedingung darin besteht, die für einen Gießprozeß erforderliche Formschließkraft zu reduzieren.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Spritzgießbedingung darin besteht, das Auftreten von Fließ- bzw. Bindenähten in einem Gießprozeß zu unterdrücken oder zu steuern.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei ein Bereich, in dem das Auftreten von Fließ- bzw. Bindenähten unterdrückt oder gesteuert werden soll, in mehrere Bereiche geteilt wird, und wobei ein gewichtetes Maß für das Auftreten von Fließ- bzw. Bindenähten in den mehreren Bereichen als Fließ- bzw. Bindenahtbewertungswert verwendet wird, um Fließ- bzw. Bindenähte in einem spezifizierten Bereich zu induzieren oder zu unterdrücken.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Spritzgießbedingung darin besteht, eine für einen Gießprozeß erforderliche Formschließkraft zu reduzieren und das Auftreten von Fließ- bzw. Bindenähten in einem Gießprodukt zu unterdrücken oder zu steuern.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei eine für eine Optimierung verwendete Zielfunktion eine gewichtete Summe aus der für einen Gießprozeß erforderlichen Formschließkraft und einem Fließ- bzw. Bindenahtbewertungswert zum Bewerten des Auftretens von Fließ- bzw. Bindenähten ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Formdesignparameter Anzahlen und/oder Positionen von Kanälen aufweist, die Zufuhrkanäle zum Formenhohlraum sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Formdesignparameter die Größen und/oder Formen von Kanälen aufweist, die Zufuhrkanäle zum Formenhohlraum sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei bei der Bestimmung des Formdesignparameters zusammen mit dem Formdesignparameter ein Prozeßparameter zum Festlegen des Harzzuflusses bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Prozeßparameter ein Parameter zum Steuern von Betätigungen von Zuflußregelventilen ist, die in mehreren Harzzufuhrkanälen angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Prozeßparameter unter der Bedingung optimiert werden, daß während des Harzeinfüllvorgangs zu einem beliebigen Zeitpunkt mindestens ein Zuflußregelventil geöffnet ist.
Verfahren zum Herstellen eines Spritzgießformteils in einem Spritzgießprozeß unter Verwendung einer Form, in der mehrere zu einem Formenhohlraum führende Harzzufuhrkanäle ausgebildet sind, mit den Schritten: Bestimmen eines Formdesignparameters, der mit der Anordnung und/oder den Formen und/oder den Größen der Harzzufuhrkanäle in Beziehung steht, durch Kombinieren eines numerischen Analyseverfahrens zum Berechnen eines Spritzgießprozesses mit einem computerunterstützten Optimierungsverfahren, um eine gewünschte Spritzgießbedingung zu erhalten; Herstellen einer Form basierend auf dem bestimmten Formdesignparameter; und Ausführen des Spritzgießprozesses mit der hergestellten Form.
Programm zum Erhalten einer gewünschten Spritzgießbedingung für einen Spritzgießprozeß unter Verwendung einer Form mit mehreren zu einem Formenhohlraum führenden Harzzufuhrkanälen, wodurch eine Verarbeitung zum Bestimmen eines Formdesignparameters, der mit der Anordnung und/oder den Formen und/oder den Größen der Harzzufuhrkanäle in Beziehung steht, durch Kombinieren eines numerischen Analyseverfahrens zum Berechnen eines Spritzgießprozesses und eines computerunterstützten Optimierungsverfahren durch einen Computer ausgeführt wird.
Spritzgießvorrichtung mit: einem Gießvorrichtungshauptkörper zum Zuführen von Harzmaterial zu einer Form, in der mehrere zu einem Formenhohlraum führende Harzzufuhrkanäle ausgebildet sind, über die Harzzufuhrkanäle; einem Speicherabschnitt zum Speichern von Prozeßsparametern, die durch eine Kombination aus einem numerischen Analyseverfahren zum Berechnen eines Spritzgießprozesses und einem computerunterstützten Optimierungsverfahren bestimmt werden; und einem Steuerabschnitt zum Steuern des Gießvorrichtungshauptkörpers basierend auf den derart erhaltenen Prozeßparametern gemäß der zu verwendenden Form und zum Ausführen eines Spritzgießprozesses durch Steuern des zeitlichen Ablaufs des Zuflusses von Harzmaterial von den Harzzufuhrkanälen zur Form.