JP2000343575A - 樹脂の流動解析方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 樹脂成型品の表面に発生する微少な凹凸の位
置とその高さまたは深さを予測することのできる、樹脂
の流動解析方法を提案する。 【解決手段】 本解析方法は、電子計算機による樹脂の
射出成型における流動解析に際し、少なくとも一つの射
出ゲートから金型内部へ樹脂を射出する解析モデルを用
い、前記各ゲートから射出された流動樹脂が相互に接触
するときに、当該接触部に生じるウェルドライン上に複
数の仮想粒子を生成し、当該仮想粒子の移動経路を求め
てその移動距離を算出することにより、前記流動樹脂の
一方が他方の流動樹脂内へ侵入した潜り込み距離を求
め、前記潜り込み距離から成型品の表面に生じる凹凸の
発生位置を予測する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電子計算機による
樹脂の射出成型における流動解析方法に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】樹脂を金型内に射出・流動させて成型品
を製造するに際し、成型品に生じる不具合、例えば巣や
引けの発生などを予測するため、金型および樹脂をモデ
ル化した解析モデルを用いた、電子計算機による射出成
型解析（流動解析）が従来より行われている。

【０００３】成型品に生じる不具合としては、前述した
巣や引けなどの他、成型品の表面に発生する、高さまた
は深さが数〜十数μｍ程度の微少な凹凸がある。こうし
た凹凸は、特に樹脂にタルクなどを混入した場合に発生
し易い。ところが、従来の流動解析では、この凹凸の発
生は、巣や引けなどと比較してその発生位置や量（深さ
または高さ）を予測することが非常に困難であった。そ
のため、凹凸の発生に対しては、実際の金型および樹脂
を用い、成型のための種々の異なる条件（樹脂温度、射
出圧力など）の下に試験を行い、凹凸の発生位置と量を
確認し、その結果から凹凸の発生が避けられるような条
件を見出すことにより、その対策を行っていた。このこ
とは、製品開発に要する時間の増大と、製造コストの増
加をもたらす要因の一つとなっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の問題
点を解決し、成型品の表面に発生する凹凸の位置と量の
予測を可能とする、樹脂の流動解析方法を提案するもの
である。

【０００５】

【課題を解決するための手段およびその作用・効果】上
記の目的を達成するため、本発明は、電子計算機による
樹脂の射出成型における流動解析に際し、少なくとも一
つの射出ゲートから金型内部へ樹脂を射出する解析モデ
ルを用いた流動解析において、前記各ゲートから射出さ
れた流動樹脂が相互に接触するときに、当該接触部に生
じるウェルドライン上に複数の仮想粒子を生成し、当該
仮想粒子の移動経路を求めてその移動距離を算出するこ
とにより、前記流動樹脂の一方が他方の流動樹脂内へ侵
入した潜り込み距離を求め、前記潜り込み距離から成型
品の表面に生じる凹凸の発生位置を予測することを特徴
とする。

【０００６】二つ以上のゲートから射出されて金型内部
を流動する、あるいは一つのゲートから射出されて金型
内部の突起などにより分離して流動する複数の流動樹脂
が相互に接触するとき、その接触部にウェルドラインと
呼ばれる境界線が発生する。このとき、相互に接触する
流動樹脂の間に微少な圧力差が存在する場合、一方の流
動樹脂が他方の流動樹脂内へ侵入（潜り込み）し、その
後固化する。本願発明者は、この潜り込んだ樹脂の先端
部分近傍に前記凹凸が発生し易いことを見出し、この潜
り込みを解析することにより、成型品の表面に生じる凹
凸の位置を予測することとしたものである。

【０００７】本発明による樹脂の流動解析方法は、前述
した樹脂の潜り込み距離を、複数の流動樹脂が接触する
部分に生じるウェルドラインを基点として、このウェル
ドライン上に仮想粒子を設定し、この仮想粒子の移動経
路を追跡することにより求め、得られた潜り込み距離か
ら成型品表面の凹凸の発生位置を予測している。それに
よって従来の解析方法では予測することが困難であった
凹凸の発生位置を知ることが可能となる。これにより、
従来のように実際に成型を試行錯誤により行う必要がな
くなるため、開発に要する時間の短縮化およびコストの
低減化を図ることができるようになる。

【０００８】また本発明による樹脂の流動解析方法は、
前記潜り込み距離と前記凹凸の量との相関を求め、その
結果より前記発生位置における凹凸量を予測することを
特徴とする。

【０００９】本願発明者は、樹脂の潜り込み距離と、成
型品表面に発生する凹凸の量（高さまたは深さ）との間
に相関が存在することをも見出し、この相関に基づい
て、成型品表面に発生する凹凸の位置とその高さまたは
深さをも予測することとしている。それによって、凹凸
の発生位置のみならず、その量をも予測することが可能
となる。

【００１０】また本発明による樹脂の流動解析方法の好
適な実施形態においては、解析対象となる樹脂がタルク
（滑石を粉砕して製造した粉末）を混入したものとす
る。これは、前述したように、タルクなどを混入した樹
脂において成型品表面に凹凸が生じやすいことによるも
のであり、本発明により、タルクなどを混入した樹脂の
成型品の凹凸発生位置とその量を予測することができる
ようになる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の好
適な実施形態について説明する。

【００１２】図１は、樹脂の潜り込みを模式的に示すも
のである。図では、図示しない金型内を流動する二つの
樹脂の流れ1A，1Bが会合し、これら樹脂の間の微少な圧
力差（ここでは樹脂1Aの圧力がわずかに高い）によって
樹脂1Aが樹脂1B内に潜り込んだ状態を示す。また両者の
会合（接触）した部分には、ウェルドライン２が形成さ
れている。なお、樹脂1Aおよび1Bは共に同種のものであ
るが、本図では、説明の便宜上、両者を異なる色で示し
ている。

【００１３】図２は、樹脂の潜り込みと、成型品表面で
発生する凹凸との関係の一例を示すものであり、ここで
は、平行な上型3Aと下型3Bとの間に図示しない二つの射
出ゲートから樹脂4A，4Bを射出・流動させた場合の結果
を示すものである。図では右側の樹脂4Aが左側の樹脂4B
内に潜り込み、その後これら樹脂が固化して得られた成
型品の表面粗さを、樹脂4Aの潜り込み方向に沿って測定
した結果を示している。なお、本例に用いた樹脂は、タ
ルクを混合した樹脂である。

【００１４】図より明らかなように、樹脂4Aの潜り込み
先端部の位置Ｘとその近傍において、表面粗さが大きく
なっていることがわかる。すなわち、樹脂の潜り込みの
先端部とその近傍において、成型品の表面に凹凸が発生
することが理解される。

【００１５】図３は、樹脂の潜り込み長さと表面凹凸と
の関係を模式的に示すものである。図では、樹脂5Aが樹
脂5B内に潜り込み、成型品表面に突起６が発生した状態
を示している。ここで、樹脂の潜り込み長さを、ウェル
ドラインＷと、潜り込み先端部Ｘとの間の距離Ｌである
と定義すると、前述した図２からも明らかなように、潜
り込み長さＬと、凹凸発生位置との間に一定の関係があ
ることがわかる。それ故、潜り込み長さＬを知ることに
より、表面凹凸の発生位置を予測することが可能とな
る。

【００１６】さらに、潜り込み長さ（距離）Ｌと表面凹
凸の量（図３では突起６の高さＨ）との関係を知ること
により、表面凹凸の量、すなわち高さまたは深さをも予
測できることとなる。

【００１７】図４は、潜り込み長さと表面凹凸量（高さ
または深さ）との相関を示すものである。図示の例では
タルク入り樹脂を用いた結果であるが、両者に相関（図
では式ｙ＝ａｘ＋ｂで表される直線）が存在することが
理解される。

【００１８】図５は、本発明による樹脂の流動解析の手
順を示すフローチャートである。以下、その手順を説明
する。

【００１９】まずステップ11で、樹脂の流動解析の計算
を１ステップ行う。ここで、計算は、樹脂の流れを逐次
求めるために単位時間毎に行う。これが１ステップの計
算である。なお、流動解析の計算方法としては、従来の
方法、例えば差分法や有限要素法を用い、解析を行うた
めのモデル（解析モデル）も、従来のモデル作成方法に
より作成するものとする。

【００２０】次にステップ12で、複数の樹脂の流れが接
触してウェルドラインが発生したか否かを判定する。も
し、ウェルドラインが発生していれば、ステップ13へ進
み、ウェルドラインが発生していなければ、ステップ11
へ戻り、流動解析の計算をさらに１ステップ行う。ここ
で、ウェルドライン発生の有無の判定は以下のように行
う。すなわち、互いに異なる方向から来る二つの樹脂の
流れが接触して合流する際の会合角、換言すれば、これ
ら合流する流動樹脂の先端部分（メルトフロント）が互
いになす角度を求め、その値が所定値以下であった場合
にウェルドラインが発生したと判断する。

【００２１】続くステップ13では、発生したウェルドラ
インが新たに発生したものか、あるいは既に発生してい
たものかを判定する。もし新規に発生したウェルドライ
ンであれば、次のステップ14で、このウェルドライン上
に仮想粒子を生成する。具体的には、解析モデルを構成
する節点の内、ウェルドライン上にある、あるいはごく
近傍にウェルドラインが存在する節点（節点の座標）に
仮想粒子を設定する。後述するように、この仮想粒子
は、前記節点の座標を原点とし、樹脂の流動に伴って移
動させるものである。一方、新たに発生したウェルドラ
インでなかった場合には、直ちに次のステップ15へ進
む。

【００２２】ステップ15では、前のステップ14で生成し
た仮想粒子の移動距離を算出し、樹脂の潜り込みの先端
位置を求める。具体的には、１計算ステップにおいて、
仮想粒子の存在する位置（節点の座標）における樹脂の
流れの速度と方向から、仮想粒子の移動距離を求める。
すなわち、移動前の仮想粒子の位置を示す座標を(x,y,
z) 、移動後の座標を(x',y',z')、座標(x,y,z) におけ
る樹脂の流れの速度成分を(u,v,w) 、１計算ステップと
して設定した時間ステップをΔｔとすると、仮想粒子の
移動後の座標(x',y',z')は、

【数１】 となる。これが、樹脂の潜り込み先端位置を示すことと
なる。

【００２３】その後ステップ16では、生成した全ての仮
想粒子に対して計算が終了したか否か、すなわち樹脂の
潜り込みが停止したか否かを判断する。もし、全ての仮
想粒子について計算が終了していた場合にはステップ17
へ進み、終了していなければ、ステップ15へ戻る。続く
ステップ17では、流動解析が終了したか否か、すなわち
樹脂が金型内に完全に満たされたか否かを判定し、終了
していればステップ18へ進む。一方解析が終了していな
ければ、ステップ11へ戻り、上述した処理を繰り返す。

【００２４】ステップ18では、全ての仮想粒子の位置を
結び、表面凹凸の発生位置を予測する。すなわち、仮想
粒子の最終的な位置を繋げることにより、最終的な樹脂
の潜り込み先端位置が得られることとなる。前述したよ
うに、樹脂の潜り込み先端位置近傍に表面凹凸が発生し
易いことから、この位置を求めることによって、表面凹
凸の発生位置が予測できることとなる。

【００２５】次にステップ19では、ウェルドラインと仮
想粒子の位置との間の距離を求め、その結果を基に樹脂
の潜り込み距離を求める。さらに続くステップ20で、樹
脂の潜り込み距離と表面凹凸量との相関から、解析モデ
ルにおける表面凹凸量、すなわち表面凹凸の深さまたは
高さの予測値を得る。この相関は、例えば前述した図４
に示すグラフより得られる関係（図では式ｙ＝ａｘ＋ｂ
で表される直線）より得られるものである。こうした関
係を、樹脂の種類などに応じて予め求めておき、これを
本ステップにおける処理に用いることにより、表面凹凸
の深さまたは高さの予測が可能となる。

【００２６】以上の処理手順で計算を行うことにより、
射出成型による樹脂成型品の表面に生じる凹凸の発生位
置とその量を予測することが可能となる。

【００２７】図６は、解析モデルを用いた、上述した処
理手順に基づく計算過程を模式的に示すものである。図
示の解析モデル20は、金型21と、射出ゲート22，23を具
え、これら各ゲートから樹脂24A および24B をそれぞれ
金型21内に射出する。

【００２８】図のｔ＝Ｔ₁ ，Ｔ₂ ，Ｔ₃ およびＴ₄ の曲
線は、金型21内部を流れる樹脂24Aおよび24B の、各時
間ステップ（計算ステップ）におけるその流れの先端部
分の位置を模式的に示すものである。図では、時間ステ
ップｔ＝Ｔ₁ 〜Ｔ₂ の間に樹脂24A と24B とが初めて接
触（会合）し、ウェルドラインＷ₁ が形成される。ここ
で、本発明に係る流動解析方法においては、前述したよ
うに、ウェルドラインＷ₁ 上に仮想粒子Ａ（座標Ｐ₁₀）
を生成し（図５のステップ14）、計算の進行に伴って、
この仮想粒子Ａの移動過程を追跡する。ここでは、樹脂
24A が樹脂24B内へ潜り込むと仮定しており、そのため
仮想粒子Ａは、計算の進行に伴って、位置Ｐ₁₀から
Ｐ₁₁，Ｐ₁₂，Ｐ₁₃へと逐次移動することとなる。

【００２９】次に時間ステップｔ＝Ｔ₂ 〜Ｔ₃ の間にウ
ェルドラインは延びてＷ₂ となり、このウェルドライン
Ｗ₂ 上に新たな仮想粒子Ｂを生成する。この仮想粒子Ｂ
は、位置Ｐ₂₀から、計算の進行に伴ってＰ₂₁，Ｐ₂₂へと
逐次移動する。さらに時間ステップｔ＝Ｔ₃ から計算を
進めると、ウェルドラインはさらに延びてＷ₃ となり、
その上にさらに新しい仮想粒子Ｃを生成する。仮想粒子
Ｃは、計算の進行に伴い、最初の位置Ｐ₃₀からＰ₃₁へと
移動する。

【００３０】図示の解析モデル20においては、さらに計
算が進行して時間ステップｔ＝Ｔ₄となった時点で樹脂
が金型21内に完全に満たされるため、計算は終了する。
このとき、先の仮想粒子Ａ，ＢおよびＣは、それぞれ位
置Ｐ₁₃，Ｐ₂₂およびＰ₃₁で停止するものとする。ここ
で、これらの位置（点）を結んだ線Ｌ_e は、樹脂24A の
樹脂24B 内への潜り込みの先端位置を示すこととなる。

【００３１】上述した過程で得られた結果から樹脂24A
の潜り込み長さを求め、これと図４に示すような相関関
係とにより、解析モデル20における表面凹凸の発生位置
とその量が予測できることとなる。

【００３２】図７は、タルク入り樹脂を用いた実際の成
型品（自動車用バンパー）の表面に発生した凹凸の、ウ
ェルドラインからの距離（すなわち、潜り込み長さ）
と、その量を、先の図４のグラフ上に×印でプロットし
たものである。図７より、実際の成型品においても、前
述した樹脂の潜り込み長さと凹凸量との相関が成立して
いることが示されている。したがって、本発明に係る解
析方法により、実際の成型品における表面凹凸の発生位
置およびその量が予測できることがわかる。

【００３３】以上説明したように、本発明に係る樹脂の
流動解析方法によれば、従来の解析方法では困難であっ
た成型品表面の微少な凹凸の発生位置とその量を予測で
きることとなるため、製品の品質向上と、製造コストの
低減化を図ることが可能となる。

【００３４】なお、本発明は上述した例に限定されるも
のではなく、例えば他の材料を混入しない樹脂のみの場
合や、ＦＲＰなどの場合においても、上述したような潜
り込み距離と表面凹凸量との相関を求めることにより、
本発明に係る方法を用いて成型品の表面凹凸の発生位置
とその量を予測することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】 樹脂の潜り込みを模式的に示す斜視図であ
る。

【図２】 樹脂の潜り込みと、成型品表面で発生する凹
凸との関係の一例を示す図である。

【図３】 樹脂の潜り込み長さと表面凹凸との関係を模
式的に示す断面図である。

【図４】 潜り込み長さと表面凹凸量との相関を示すグ
ラフである。

【図５】 本発明による樹脂の流動解析の手順を示すフ
ローチャートである。

【図６】 解析モデルを用いた、図５の処理手順に基づ
く計算過程を模式的に示す平面図である。

【図７】 図４のグラフ上に、実際の成型品に生じた凹
凸の発生位置とその量をプロットしたグラフである。

【符号の説明】

１，４，５，24 樹脂 ２ ウェルドライン ３，21 金型 ６ 成型品表面の突起 20 解析モデル 22，23 樹脂射出ゲート

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電子計算機による樹脂の射出成型におけ
   る流動解析に際し、少なくとも一つの射出ゲートから金
   型内部へ樹脂を射出する解析モデルを用いた流動解析に
   おいて、 前記各ゲートから射出された流動樹脂が相互に接触する
   ときに、当該接触部に生じるウェルドライン上に複数の
   仮想粒子を生成し、当該仮想粒子の移動経路を求めてそ
   の移動距離を算出することにより、前記流動樹脂の一方
   が他方の流動樹脂内へ侵入した潜り込み距離を求め、 前記潜り込み距離から成型品の表面に生じる凹凸の発生
   位置を予測することを特徴とする樹脂の流動解析方法。
2. 【請求項２】 請求項１記載の方法において、 前記潜り込み距離と前記凹凸の量との相関を求め、その
   結果より前記発生位置における凹凸量を予測することを
   特徴とする樹脂の流動解析方法。
3. 【請求項３】 請求項１または２記載の方法において、 前記樹脂がタルクを混入した樹脂であることを特徴とす
   る樹脂の流動解析方法。