JP2001191336A

JP2001191336A - 金型設計装置と金型形状の設計方法

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Publication number: JP2001191336A
Application number: JP2000001483A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiko Ito; 和彦伊藤
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2000-01-07
Filing date: 2000-01-07
Publication date: 2001-07-17
Anticipated expiration: 2020-01-07
Also published as: JP4378011B2

Abstract

(57)【要約】【課題】金型形状の高精度な形状シミュレーションを
短期間で行うことにより、金型形状の最適化設計を容易
に行うことができるようにした。【解決手段】金型形状の決定要因となる各種データを
入力し（Ｓ１）、温度分布を求め（Ｓ２）、温度分布に
基づいて応力緩和を考慮した収縮歪みを算出し、その結
果を記憶し（Ｓ３）、さらに前記演算結果を表示し（Ｓ
４）、設計形状との偏差を算出する（Ｓ５）。この工程
を適数回繰り返し、最適成形条件を選択して記憶する
（Ｓ６）。この後、解析モデルの設計値と演算結果との
誤差を算出し（Ｓ７）、誤差量だけ反収縮方向に金型表
面の節点を補正する（Ｓ８）。次いで前記最適成形条件
に従って温度分布の演算及び収縮歪みの算出を行い（Ｓ
９、Ｓ１０）、設計形状との形状偏差を算出し（Ｓ１
１）、形状偏差が許容範囲内となった場合は該形状デー
タを金型製作寸法として出力する（Ｓ１２→Ｓ１３）。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は金型設計装置と金型
形状の設計方法に関し、より詳しくは、ＣＡＥ（Comput
er Aided Engineering：「コンピュータ支援技術」）を
使用して有限要素法により成形材料の流動解析を行い、
金型形状を最適化設計する金型設計装置と金型形状の設
計方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、光学素子としてのプラスチックレ
ンズなどの精密部品を射出成形法、射出圧縮成形法、圧
縮成形法等の成形加工法を利用して製造することが行わ
れている。

【０００３】そして、この種の光学素子を製造するため
の成形用金型を製作する場合、成形材料が温度変化等に
より収縮することを予め見込んで、成形品の所望寸法
（設計寸法）より前記収縮率分だけ大きなキャビティ寸
法を有する試験用金型を製作し、射出温度や射出時間等
の成形条件を最適化した後、前記試験用金型を使用して
所定の成形加工を行って成形品を製作し、次いで成形加
工された成形品の各部寸法を測定して所望の形状寸法と
の誤差量を算出し、その後試験用金型のキャビティ寸法
を前記誤差量だけ反収縮方向に大きくなるように補正加
工を施し、これにより実際の成形加工に使用する成形用
金型の製作を行っていた。このため、一眼レフカメラ用
のレンズのように要求精度の厳しい精密部品の場合は、
１回の金型補正加工では所望の要求寸法を充足すること
はできないことが多く、前記要求寸法を充足するまで、
成形加工→成形品の寸法測定→誤差量の算出→金型補正
加工という一連の工程を繰り返していた。

【０００４】そこで、このような金型補正工程を削減す
ることができる技術として、成形品の実測データに基づ
いて成形品とその成形面の形状回帰曲線を求め、これら
から成形材料の収縮量を算出し、該収縮量に基づいて成
形品の形状誤差を補正・吸収することのできる新たな形
状回帰曲線を求め、該形状回帰曲線からＮＣデータを作
成するようにした金型形状設計装置が既に提案されてい
る（例えば、特開平５−９６５７２号公報；以下、「第
１の従来技術」という）。

【０００５】該第１の従来技術によれば、収縮量を正確
に予測することができた場合は、無駄な金型補正作業を
必要とせず、また金型の設計開発期間も大幅に短縮で
き、しかも金型の製作に要する費用も大幅に削減できる
と考えられる。

【０００６】また、他の従来技術としては、金型内の成
形材料の溶融相のつながりが断たれる時点を特定して該
時点の温度分布を初期温度とし、成形品が一様に室温と
なるまでの温度変化を熱荷重として有限要素法により熱
応力歪みを解析し、成形形状歪み、すなわち変形量を算
出するようにした成形プロセスシミュレーションシステ
ムも既に提案されている（例えば、特公平６−２２８４
０号公報；以下、「第２の従来技術」という）。

【０００７】該第２の従来技術によれば、金型の特定場
所の温度が流動停止温度、又は固化温度、ガラス転移温
度などの溶融相のつながりが断たれる時点の温度分布を
初期温度とすると共に、該初期温度から成形品を取出す
取出温度までを細分化し、該細分化した微小温度範囲内
でその温度範囲に対応する温度依存性物性データ（線膨
張係数α、比熱ｃ、熱伝導率ｋ等）を使用して熱応力歪
みを算出し、該熱応力歪みを累積させてその累積総和を
最終的な全温度領域における変形量として算出し、これ
により、実機の製作に先立って成形材料や金型構造、成
形条件が成形形状歪みに与える影響を評価することがで
き、したがって金型形状の設計を試行錯誤的に行う必要
がなくなり、新規金型の開発・設計に要する時間や費用
を大幅に削減することができると考えられる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記第
１の従来技術では、成形品の実測データに基づいて形状
回帰曲線を求めているため、所望寸法の成形品を製造す
るための成形用金型を製作する前に試験用金型を製作し
なければならず、開発期間が長期化し、しかも開発コス
トも高くなるという問題点があった。

【０００９】すなわち、今日では製品のライフサイクル
も短縮化してきているため、設計段階から製品完成まで
に要する開発期間の大幅な短縮が要求されているが、上
記第１の従来技術では、試験用金型を製作した後に該試
験用金型を使用して成形品を製造し、安定的に成形でき
るような成形条件の最適化を行った上で前記試験用金型
で製造された成形品の各部寸法を測定し、該測定データ
に基づいて形状回帰曲線を得ているため、作業工程が煩
雑であって開発期間に長期間を要し、しかも開発コスト
も高くなるという問題点があった。

【００１０】また、上記第２の従来技術では、初期温度
から成形品の取出温度までの間、成形品全体が一様に冷
却されることを前提として成形品の変形解析を行ってお
り、したがって冷却過程と時間との関係が考慮されてい
ないため、冷却勾配や成形サイクルが大きく異っても解
析結果が同一となり、必ずしも実際の現象とは一致しな
い解析結果が得られるという問題点があった。

【００１１】すなわち、例えば、成形品を２５０℃から
９０℃まで冷却する場合、冷却過程に時間が考慮されて
いないため、上記第２の従来技術では、１秒で冷却した
場合であっても１００時間を要して冷却した場合であっ
ても同一の解析結果が得られる。つまり、第２の従来技
術では、例えば、成形品のゲート部が固化温度になると
該固化温度を初期温度として解析しているが、同一成形
品であってもゲート部とその他の部位とでは温度分布に
バラツキがあり（成形品内には温度１５０℃の箇所や温
度９０℃の箇所もあり得る）、しかも該初期温度から室
温までの温度差と線膨張係数とに基づいて熱応力歪みが
演算されているため、１秒で冷却した場合であっても１
００時間を要して冷却した場合であっても同一の熱応力
歪みが得られる。一方、実際の現象としては、内部の温
度差は成形品全体が室温まで冷却される間に内部伝導に
よって時間と共に小さくなるため、１秒で冷却した場合
と１００時間を要して冷却した場合とでは最終形状に大
きな差が生じる。

【００１２】すなわち、初期温度と最終温度が同じでも
冷却時間の長短や冷却勾配の大小などの冷却履歴や圧力
履歴により成形品の変形量が大きく異なる。このため、
上記第２の従来技術のように時間の概念を考慮せずに熱
応力歪みの解析を行っても実際の現象とは一致せず、し
たがって成形品の歪みを事前に予測して所望の成形品を
得ることが可能な金型を製作することは困難であるとい
う問題点があった。

【００１３】さらに、上記第２の従来技術では、前記初
期温度と成形品の取出温度の差分から熱応力歪みを算出
するか、或いは成形品を取り出した後に成形品全体が均
一温度（例えば、室温）になるまでの温度差から熱応力
歪みを算出しており、したがって成形品全体が均一に冷
却されることを前提として解析しているので、初期温度
以降の冷却履歴とは無関係に初期温度の温度分布（温度
差）によって熱応力歪みが算出されることとなる。

【００１４】しかしながら、一眼レフカメラやビデオテ
ープレコーダー（ＶＴＲ）、あるいはレーザビームプリ
ンタに使用される高精度な光学素子では、光学機能面の
形状転写精度が１μｍ以下を要求されることも多く、斯
かる要求精度の厳しい光学素子では局所的な数μｍのヒ
ケが性能上重要となり、したがって、全体が一様に収縮
することが前提とした上記第２の従来の技術では、所望
の高精度な形状予測をすることは困難であるという問題
点があった。

【００１５】本発明はこのような問題点に鑑みなされた
ものであって、金型形状の高精度な形状シミュレーショ
ンを短期間で行うことにより、金型形状の最適化設計を
容易に行うことができる金型設計装置と金型形状の設計
方法を提供することを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明に係る金型設計装置は、所定の成形加工法を施し
て成形品を製造するための金型の製作に先立ち、コンピ
ュータ支援技術を使用して成形材料の流動解析を行い、
金型の最適設計を行う金型設計装置であって、解析対象
となる解析モデルの形状設計データ、成形条件、成形材
料の物性データ、成形材料の状態変化データ及び成形材
料の粘弾性データを含む成形加工に必要とされる各種デ
ータを入力する入力手段と、加工時間と応力緩和との関
係を示す緩和弾性特性を前記粘弾性データに基づいて作
成する緩和弾性特性作成手段と、前記成形条件に基づい
て前記解析モデルの温度分布を算出する温度分布算出手
段と、該温度分布算出手段の算出結果と緩和弾性特性と
に基づいて前記解析モデルの収縮歪みと応力との関係を
算出し、前記解析モデルの演算形状データを算出する演
算形状データ算出手段と、該演算形状データ算出手段に
よる演算形状データの算出を適数回繰返し行って最適な
成形条件を選択する最適成形条件選択手段と、前記演算
形状データ算出手段の算出結果に基づいて前記解析モデ
ルの収縮ベクトルを算出する収縮ベクトル算出手段と、
該収縮ベクトル算出手段の算出結果に基づいて演算形状
データを補正する形状補正手段とを備えていることを特
徴としている。

【００１７】また、本発明に係る金型形状の設計方法
は、所定の成形加工法を施して成形品を製造するための
金型の製作に先立ち、コンピュータ支援技術を使用して
成形材料の流動解析を行い、金型の最適設計を行う金型
形状の設計方法であって、解析対象となる解析モデルの
形状設計データ、成形条件、成形材料の物性データ、成
形材料の状態変化データ及び成形材料の粘弾性データを
含む成形加工に必要とされる各種データを入力する入力
ステップと、加工時間と応力緩和との関係を示す緩和弾
性特性を前記粘弾性データに基づいて作成する緩和弾性
特性作成ステップと、前記成形条件に基づいて前記解析
モデルの温度分布を算出する温度分布算出ステップと、
前記温度分布と緩和弾性特性とに基づいて前記解析モデ
ルの収縮歪みと応力との関係を算出し、前記解析モデル
の演算形状データを算出する演算形状データ算出ステッ
プと、前記演算形状データの算出を適数回繰返し行って
演算形状データの最適成形条件を選択する最適成形条件
選択ステップと、前記演算形状データに基づいて前記解
析モデルの収縮ベクトルを算出する収縮ベクトル算出ス
テップと、前記収縮ベクトルに基づいて演算形状データ
を補正する形状補正ステップとを含んでいることを特徴
としている。

【００１８】尚、本発明の他の特徴は、下記の発明の実
施の形態により明らかとなろう。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて詳説する。

【００２０】図１は本発明に係る金型設計装置の一実施
の形態を示すブロック構成図であって、該金型設計装置
は、各種設計形状データや物性値データが入力されるデ
ータ入力部１と、該データ入力部１に入力された入力デ
ータに基づいて形状最適化のための各種演算処理を行う
と共に装置全体の制御を司る演算制御部２と、該演算制
御部２で演算処理された演算結果を記憶する記憶部３
と、個々の演算結果を表示する表示部４とから構成さ
れ、有限要素法を利用してＣＡＥによる形状シミュレー
ションを行い、金型形状の最適設計を行う。

【００２１】演算制御部２は、データ入力部１に入力さ
れた入力データに基づいて熱伝導解析を行い温度分布を
算出する温度分布演算部２ａと、該温度分布演算部２ａ
の演算結果及びデータ入力部１に入力された粘弾性デー
タに基づいて熱収縮による収縮歪みを算出する収縮歪み
演算部２ｂと、データ入力部１で入力された設計形状デ
ータと収縮歪み演算部２ｂで算出された演算結果の形状
データとの偏差を算出する形状偏差演算部２ｃと、該形
状偏差演算部２ｃの演算結果を評価する形状偏差評価部
２ｄと、有限要素法解析における各節点の収縮ベクトル
の方向及び収縮量（設計値との誤差）を算出する収縮誤
差量演算部２ｅと、必要に応じ前記収縮量だけ収縮ベク
トルの方向と反対方向に形状データを補正するデータ補
正部２ｆとを有している。

【００２２】また、記憶部３は、データ入力部１に入力
された入力データを記憶する入力データ記憶部３ａと、
算出された温度分布や収縮歪み、更には形状偏差や収縮
誤差量等、各種演算結果を記憶する演算結果記憶部３ｂ
と、形状誤差が最適化されたときの解析に使用した成形
条件等、最適解析条件を記憶する最適条件記憶部３ｃと
を有している。

【００２３】次に、光学軸を対称面とする軸対称三次元
モデルを解析モデルとし、光学素子としてのプラスチッ
クレンズ（以下、単に「レンズ」という）を射出成形に
より製造する場合の金型形状の設計方法を詳述する。

【００２４】図２は前記金型形状の設計方法の処理手順
の一実施の形態を示すフローチャートである。尚、本実
施の形態では、金型材料としてウッデホルム社製ＲＡＭ
ＡＸ、成形材料としてＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチ
ル）を使用する。

【００２５】ステップＳ１では金型形状（キャビティ形
状）の決定要因となる成形品の形状データ、拘束条件、
圧力条件、冷却条件、物性データ、Ｐ（圧力）−Ｖ（比
容積）−Ｔ（温度）データ（状態変化データ）、粘弾性
データ等の入力データをデータ入力部１から入力する。

【００２６】すなわち、まず、系を有限要素法で取り扱
えるようにするために形状全体を微細領域に分割して要
素を作成し、金型形状や成形品形状を表現する節点座
標、節点番号、要素番号等の形状データを入力する。
尚、演算回数を減らして効率を上げるために、本実施の
形態では、設計寸法よりも成形材料（ＰＭＭＡ）の収縮
率分だけ大きな寸法データが金型寸法として入力され
る。具体的には、金型寸法は、設計寸法の１.００６倍
のデータが入力され、入力データ記憶部３ａに記憶され
る。

【００２７】次に、有限要素解析の演算に必要な所定の
拘束条件を入力し、さらに成形加工の加工条件を最適化
するための初期値となる圧力条件と冷却条件を入力し、
入力データ記憶部３ａに記憶する。本実施の形態では、
圧力条件の初期値として成形圧力を８５ＭＰａ、冷却条
件の初期値として、射出温度を２６０℃、一次冷却水温
度を１１４℃、一次冷却時間を１０分、二次冷却水温度
を８０℃、二次冷却時間を８分に夫々設定し、斯かる圧
力条件及び冷却条件をデータ入力部１に初期値として入
力し、入力データ記憶部３ａに記憶する。尚、実際の射
出成形加工では、二次冷却が終了した時点で成形品は金
型から取出されて室温（例えば、２０℃）まで空冷され
る。

【００２８】次いで、成形材料と金型材料の温度依存性
物性データを入力し、入力データ記憶部３ａに記憶す
る。具体的には、成形材料（ＰＭＭＡ）については、熱
伝導率ｋが２．０９×１０^-4Ｗ／（ｍ・Ｋ）、比熱ｃが
１．６６Ｊ／（ｋｇ・Ｋ）、密度ρが１．１５×１０³
ｋｇ／ｍ³であり、金型材料（ウッデホルム社製ＲＡＭ
ＡＸ）については、熱伝導率ｋが２．２８×１０^-2Ｗ／
（ｍ・Ｋ）、比熱ｃが０．４６Ｊ／（ｋｇ・Ｋ）、密度
ρが７．７８×１０³ｋｇ／ｍ³であるから、これらの物
性データをデータ入力部１に入力し、入力データ記憶部
３ａに記憶する。

【００２９】次に、成形材料のＰＶＴデータを入力す
る。そして、線膨張係数αは数式（１）で表わされるこ
とから、該ＰＶＴデータに基づき線膨張係数αを算出し
て線膨張係数マップα（Ｐ，Ｔ）を作成し、該線膨張係
数マップα（Ｐ，Ｔ）を入力データ記憶部３ａに記憶す
る。

【００３０】α＝（ｄＶ／ｄＴ）_P／Ｖ …（１）図３は入力データ記憶部２ａに記憶される線膨張係数マ
ップα（Ｐ，Ｔ）であって、横軸は温度Ｔ（℃）、縦軸
は線膨張係数α（Ｋ^-1）を示し、図中の特性は、夫々、
圧力が４０ＭＰａ、８０ＭＰａ、１２０ＭＰａ、１６０
ＭＰａ、２００ＭＰａ及び２４０ＭＰａのときの各温度
（℃）における線膨張係数α（Ｋ^-1）を示している。

【００３１】さらに、データ入力部１には粘弾性データ
が入力される。粘弾性データは、粘弾性試験機で測定し
たデータを処理して得られる緩和弾性特性と粘弾性にお
ける温度変化の依存性を示す温度シフトファクタＡ
（Ｔ）とからなり、これら粘弾性データが入力データ記
憶部３ａに記憶される。具体的には、緩和弾性特性は、
ガラス転移点温度以下の固体物性試験とガラス転移点以
上の溶融物性試験の２種類のデータを換算して繋ぎあわ
せ、室温（例えば、２０℃）から射出成形温度（例え
ば、３００℃）の範囲内で連続した曲線を描くことによ
り、図４に示すように、例えば基準温度９０℃のときの
緩和弾性特性（時間ｔ〜緩和弾性係数Ｇ（ｔ））が作成
され、該緩和弾性特性がマスターカーブとして入力デー
タ記憶部３ａに記憶され、これにより溶融温度域から固
化領域に至るまでの間での固化初期状態の設定を不要と
している。尚、温度シフトファクタＡ（Ｔ）も上述した
粘弾性試験機で測定したデータに基づいて各温度毎に得
られる。

【００３２】次に、ステップＳ２では周知の熱伝導解析
を行って温度分布を求める。

【００３３】すなわち、一般に非定常非線形の熱伝導方
程式は数式（２）で表わされることが知られている。

【００３４】

【数１】ここで、Ｑは発熱量、ｔは時間、x、y、zは各座標成分
を夫々示している。

【００３５】数式（２）を有限要素法により離散化し、
ガラーキン法により積分した後、全要素を加算し、さら
に時間につき差分すると数式（３）が得られる。

【００３６】｛（［Ｋ］／２）＋（［Ｃ］／Δｔ）｝・｛φ（ｔ＋Δｔ）｝＝｛（−［Ｋ］／２）＋（［Ｃ］／Δｔ）｝・｛φ（ｔ）｝＋｛Ｆ｝ … （３）ここで、［Ｋ］＝Σ［ｋ］、［Ｃ］＝Σ［ｃ］、｛Ｆ｝
＝Σ｛ｆ｝であり、［ｋ］は熱伝導マトリックス、
［ｃ］は熱容量マトリックス、｛ｆ｝は熱流束ベクト
ル、｛φ（ｔ）｝は節点温度ベクトル、Δｔは時間刻み
を示している。

【００３７】そして、｛φ（ｔ）｝は初期値として与え
られるので、｛φ（ｔ＋Δｔ）｝を逐次算出することが
でき、これにより温度分布を算出することができる。

【００３８】次いで、ステップＳ３では応力緩和を考慮
しながらステップＳ２で得られた温度分布に基づいて収
縮歪みεを算出する。

【００３９】ここで、応力緩和とは、成形品に一定の歪
みを加えた場合、成形材料の粘弾性特性により時間の経
過と共に成形品に発生する応力σが低下してゆく現象を
いう。そして、粘弾性材料における応力―歪み式は、一
般に、履歴積分形式で表現され、応力緩和を考慮した場
合、最終的には数式（４）で表わされる。

【００４０】

【数２】ここで、ｔ_mは時刻、ｈは時間ステップ（＝ｔ_m−
ｔ_m-1）、Δσ（ｔ_m）は時刻ｔ_mにおける応力の増分、
Δε（ｔ_m）は時刻ｔ_mにおける歪みの増分を示す。ま
た、Ｇ（０）は時間「０」における緩和弾性係数、Ｇ
（ｎ）は時間ｎにおける緩和弾性係数を示し、図４の緩
和弾性特性マップを検索し、さらに温度シフトファクタ
Ａ（Ｔ）を加味して算出される。

【００４１】また、αⁿ（ｈ）、βⁿ（ｈ）は数式
（５）、（６）で表わされる。

【００４２】

【数３】尚、λは緩和係数である。

【００４３】したがって、このようにして時間と温度の
変化率に応じて応力−歪み関係を算出することができ、
冷却時間や冷却温度の差に起因して生じ得る収縮歪みが
評価され、その演算結果が演算結果記憶部３ｂに記憶さ
れる。

【００４４】次いで、ステップＳ４では、前記演算結果
を光学面（球面）の面精度として表示部４に表示する。

【００４５】図５はステップＳ４で表示された光学面で
あって、解析対象であるレンズを或る特定の「Ｒ」に設
定したときの干渉縞を示している。このシミュレーショ
ン結果により、図中、Ａ部で示すように、成形条件を上
述した初期値に設定して射出成形を行った場合は、光学
面上で縞が大きく曲がり、所謂「クセ」が顕著に発生す
る。また、図５では示されていないが測定時のＲを変更
することにより干渉縞が変化することが確認され、した
がって所謂「Ｒズレ」も発生していると考えられる。

【００４６】そして、続くステップＳ５では設計形状と
演算結果記憶部３ｂに記憶されている形状との偏差を算
出し、その算出結果を演算結果記憶部３ｂに記憶すると
共に、ステップＳ６で形状偏差が最適か否かを判断す
る。今回ループ（第１回目）では、上述したように「Ｒ
ズレ」と「クセ」が発生しているため、最適成形条件で
はないと判断し、再びステップＳ１に戻り、圧力条件及
び冷却条件を再入力する。

【００４７】すなわち、Ｒズレは収縮量で決定されるた
め成形条件の変更では対応することが困難であるため、
ステップＳ１では、クセ量に着目し、該クセ量を小さく
することを目的として成形条件を変更する。本実施の形
態では、一次冷却水温度を１１６℃に上げ、他の条件は
前回と同一条件（成形圧力８５ＭＰａ、一次冷却時間１
０分、二次冷却水温度８０℃、二次冷却時間８分）に設
定し、斯かる成形条件をデータ入力部１に入力する。そ
して、ステップＳ２、ステップＳ３で上述と同様の処理
を繰り返し、ステップＳ４で図６に示すように、第２回
目の演算結果を表示部４に表示する。

【００４８】次いで、再計算された演算結果形状と設計
形状との形状誤差を演算して演算結果記憶部３ｂに記憶
する。そして、ステップＳ６では形状誤差が最適か否か
を判断する。図６は、図５に比べてクセ量は減少してい
るものの「０」にはなっていないため、再度ステップＳ
１に戻り、成形条件を変更して上述の処理を繰り返す。
今回、すなわち第３回目は一次冷却水温度のみを例えば
１１８℃に設定し直し、他の条件を前回と同一条件（成
形圧力８５ＭＰａ、一次冷却時間１０分、二次冷却水温
度８０℃、二次冷却時間８分）に設定し、斯かる成形条
件をデータ入力部１に再入力し、再度ステップＳ２、ス
テップＳ３の処理ステップを実行し、ステップＳ４で第
３回目の演算結果を表示部４に表示する。

【００４９】そして、図４〜図６の面精度から明らかな
ように第２回目の成形条件（図５）が設計形状と演算結
果の偏差が最小となり、最適であることが分かる。従っ
て、ステップＳ６では３つの成形条件から第２回目の成
形条件（圧力条件及び冷却条件）、すなわち、成形圧力
８５MＰａ、射出温度２６０℃、一次冷却水温度１１６
℃、一次冷却時間１０分、二次冷却水温度８０℃二次冷
却時間８分を最適成形条件として選択し、該最適成形条
件を最適成形条件記憶部３ｃに記憶する。尚、このと
き、有限要素分割された解析モデルの節点の移動するベ
クトル、すなわち収縮方向と大きさ（収縮量）等の演算
形状データが最適条件記憶部３ｃに記憶される。

【００５０】次に、上述したＲズレを補正すべく、ステ
ップＳ７に進み、各節点の収縮ベクトルの方向と大きさ
の設計値と演算結果との誤差を収縮誤差量演算部２ｅで
算出する。

【００５１】図８は解析に使用したメッシュ図であっ
て、５は固定金型、６が可動金型、７はレンズであり、
固定金型５及び可動金型６には急冷用冷却管８と徐冷用
冷却管９が設けられ、該急冷用冷却管８と徐冷用冷却管
９とでレンズ７を冷却している。

【００５２】図９は上記メッシュ図のレンズ近傍を拡大
した要部拡大図であって、成形されたレンズ７の表面が
収縮によって両金型５、６から離れていることを表わし
ている。

【００５３】図１０は金型形状と成形品であるレンズの
表面形状との関係を示した図であって、１０は金型表面
を構成する有限要素メッシュの節点、１１は成形材料が
射出されて金型キャビティに充填されたときに節点１０
と同一座標のレンズ表面を構成する有限要素メッシュの
節点である。射出充填された成形材料は、充填当初は金
型キャビティ内壁と接触しているが、冷却が進行するに
したがって収縮し金型内壁表面を滑りながら分離してい
き、最終的には図１０の節点１１に示すように金型形状
よりも小さな形状に成形される。すなわち、充填当初は
金型表面を構成する節点１０にあったレンズ表面の節点
は符号１１に示す位置に移動し、矢印Ｄに示すように、
節点１０から節点１１の方向を指し示す収縮ベクトルが
得られる。つまり、金型を設計する際に設定した収縮率
が正確であれば節点１０の位置がレンズの設計形状にな
っているが。実際には収縮率を正確に設定することは困
難であり、誤差量としての収縮ベクトルＤが算出され、
斯かる誤差量が形状誤差量演算部２ｅで得られる。

【００５４】次に、ステップＳ８に進み、形状誤差量だ
け反収縮方向に金型表面の節点を補正する。

【００５５】すなわち、図１１において、点線１２はレ
ンズ６の所望設計形状、５ａは固定金型５の表面形状、
６ａはレンズ６の現時点における表面形状、１３はレン
ズ６の表面における有限要素メッシュの節点、１４は固
定金型５の表面における有限要素メッシュの節点、１５
は節点１４と節点１３とを結ぶ収縮ベクトルＤと所望設
計形状１２の交差点であり、次回演算での目標座標とな
る。１６は前記収縮ベクトルＤと反対方向に収縮量Ａだ
け移動させた座標であり、次回演算時の金型形状を示し
ている。すなわち、成形によってレンズ６が収縮した収
縮量は節点１４と節点１３との距離、すなわち収縮ベク
トルに合致すると、設計形状との形状誤差を規格内とす
るために、交差点１５と節点１３との距離である収縮量
Ａだけに収縮ベクトルＤの反対方向の延長線上に固定金
型５の形状線を移動させ、新しい解析モデルの形状１７
を決定する。また、可動金型７とレンズ６についても同
様の処理を行う。

【００５６】このようにして求めた金型形状に解析モデ
ルを修正して、再度最適条件記憶部３ｃに記憶されてい
る成形条件にしたがって温度分布の演算（ステップＳ
９）、応力緩和を考慮した収縮歪みを時間と温度に応じ
て算出し（ステップＳ１０）、設計形状と成形レンズと
の形状偏差を算出する（ステップＳ１１）。そして、斯
く算出された形状偏差が所定の規格内にあるか否かを判
断し、その答が否定（Ｎｏ）のときはステップＳ８に戻
って上述した処理を繰り返す一方、ステップＳ１１の答
が肯定（Ｙｅｓ）、例えば、０．１μm以下の場合はス
テップＳ１３で理想の金型形状が得られたとして出力
し、処理を終了する。

【００５７】このように本実施の形態によれば、冷却時
間や冷却サイクルの相違を考慮して金型形状の最適化を
シミュレーションすることができるので、試験用金型を
製作して成形作業を行わなくとも短期間で高精度な金型
形状を決定することができる。

【００５８】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、時
間の経過と共に変化する緩和弾性特性を考慮して収縮歪
みを評価し、成形条件を決定し、且つ成形品の収縮状態
に対応して金型の形状を補正しているので、試験用金型
を製作することなく所望の高精度な金型形状を有する金
型の最適設計を容易に短期間で行うことができる。

【００５９】また、実際に金型を製作する前に精度予
測、設備能力の予測を行うことができるので、機械的な
仕上げ作業の繰り返しである金型の補正作業を行う必要
がなくなり、経済的にも時間的にも多大な負荷軽減が可
能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る金型形状設計装置のブロック構成
図である。

【図２】本発明に係る金型形状の設計方法の処理手順を
示すフローチャートである。

【図３】ＰＶＴデータより得られる線膨張係数マップで
ある。

【図４】緩和弾性係数の特性図である。

【図５】第１の成形条件でシミュレートして得られる光
学面の干渉縞を示す例である。

【図６】第２の成形条件でシミュレートして得られる光
学面の干渉縞を示す例である。

【図７】第３の成形条件でシミュレートして得られる光
学面の干渉縞を示す例である。

【図８】解析メッシュ図である。

【図９】解析メッシュの要部拡大図である。

【図１０】金型形状と成形されたレンズの表面形状の関
係を示す説明図である。

【図１１】解析モデルの形状補正を説明する説明図であ
る。

【符号の説明】

１データ入力部（入力手段）２ａ温度分布演算部（温度分布算出手段）２ｂ収縮歪み演算部（演算形状データ算出手段）２ｅ収縮誤差量演算部（収縮ベクトル算出手段）２ｄ形状偏差評価部（最適条件選択手段）２ｆデータ補正部（形状補正手段）３ａ入力データ記憶部（緩和弾性特性作成手段）３ｃ最適条件記憶部（最適条件記憶部）４表示部（表示手段）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所定の成形加工法を施して成形品を製造
するための金型の製作に先立ち、コンピュータ支援技術
を使用して成形材料の流動解析を行い、金型の最適設計
を行う金型設計装置であって、解析対象となる解析モデルの形状設計データ、成形条
件、成形材料の物性データ、成形材料の状態変化データ
及び成形材料の粘弾性データを含む成形加工に必要とさ
れる各種データを入力する入力手段と、加工時間と応力
緩和との関係を示す緩和弾性特性を前記粘弾性データに
基づいて作成する緩和弾性特性作成手段と、前記成形条
件に基づいて前記解析モデルの温度分布を算出する温度
分布算出手段と、該温度分布算出手段の算出結果と緩和
弾性特性とに基づいて前記解析モデルの収縮歪みと応力
との関係を算出し、前記解析モデルの演算形状データを
算出する演算形状データ算出手段と、該演算形状データ
算出手段による演算形状データの算出を適数回繰返し行
って最適な成形条件を選択する最適成形条件選択手段
と、前記演算形状データ算出手段の算出結果に基づいて
前記解析モデルの収縮ベクトルを算出する収縮ベクトル
算出手段と、該収縮ベクトル算出手段の算出結果に基づ
いて演算形状データを補正する形状補正手段とを備えて
いることを特徴とする金型設計装置。
【請求項２】前記緩和弾性特性の温度依存性を示す温
度シフトファクタを前記粘弾性データに基づいて取得す
る温度シフトファクタ取得手段を有し、前記演算形状デ
ータ算出手段により算出される演算形状データは、前記
温度シフトファクタを加味して算出されることを特徴と
する請求項１記載の金型設計装置。
【請求項３】前記最適成形条件選択手段により選択さ
れた最適成形条件を記憶する最適化条件記憶手段とを有
し、前記形状補正手段は、前記収縮ベクトルの反対方向に対
し前記収縮ベクトルの大きさだけ金型形状を収縮補正す
ると共に、前記収縮補正された金型形状について前記最適成形条件
で演算形状データを算出することを特徴とする請求項１
又は請求項２記載の金型設計装置。
【請求項４】前記形状補正手段により補正された演算
形状データが、前記解析モデルの設計形状データに対し
所定許容範囲内か否かを判断する判断手段を備え、該判断手段により前記所定許容範囲内であると判断され
たときに該演算形状データを金型形状に決定する金型形
状決定手段を有していることを特徴とする請求項１乃至
請求項３のいずれかに記載の金型設計装置。
【請求項５】解析対象を有限要素法によってシミュレ
ーションするためにメッシュ分割してモデリングするモ
デリング手段を有していることを特徴とする請求項１乃
至請求項４のいずれかに記載の金型設計装置。
【請求項６】前記温度分布算出手段は、時間履歴に応
じて微小時間における前記解析モデルの温度変化を算出
することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか
に記載の金型設計装置。
【請求項７】前記演算形状データを可視表示する表示
手段を有していることを特徴とする請求項１乃至請求項
６のいずれかに記載の金型設計装置。
【請求項８】解析モデルは光学素子であることを特徴
とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の金型設
計装置。
【請求項９】前記成形加工法は、射出成形法、圧縮成
形法、及び射出圧縮成形法を含むことを特徴とする請求
項１乃至請求項８のいずれかに記載の金型設計装置。
【請求項１０】所定の成形加工法を施して成形品を製
造するための金型の製作に先立ち、コンピュータ支援技
術を使用して成形材料の流動解析を行い、金型の最適設
計を行う金型形状の設計方法であって、解析対象となる解析モデルの形状設計データ、成形条
件、成形材料の物性データ、成形材料の状態変化データ
及び成形材料の粘弾性データを含む成形加工に必要とさ
れる各種データを入力する入力ステップと、加工時間と
応力緩和との関係を示す緩和弾性特性を前記粘弾性デー
タに基づいて作成する緩和弾性特性作成ステップと、前
記成形条件に基づいて前記解析モデルの温度分布を算出
する温度分布算出ステップと、前記温度分布と緩和弾性
特性とに基づいて前記解析モデルの収縮歪みと応力との
関係を算出し、前記解析モデルの演算形状データを算出
する演算形状データ算出ステップと、前記演算形状デー
タの算出を適数回繰返し行って演算形状データの最適成
形条件を選択する最適成形条件選択ステップと、前記演
算形状データに基づいて前記解析モデルの収縮ベクトル
を算出する収縮ベクトル算出ステップと、前記収縮ベク
トルに基づいて演算形状データを補正する形状補正ステ
ップとを含んでいることを特徴とする金型形状の設計方
法。
【請求項１１】前記緩和弾性特性の温度依存性を示す
温度シフトファクタを前記粘弾性データに基づいて取得
し、前記演算形状データは、前記温度シフトファクタを
加味して算出することを特徴とする請求項１０記載の金
型形状の設計方法。
【請求項１２】前記最適成形条件を記憶し、前記収縮
ベクトルの反対方向に対し前記収縮ベクトルの大きさだ
け金型形状を収縮補正すると共に、前記収縮補正された金型形状について前記最適成形条件
で演算形状データを算出することを特徴とする請求項１
０又は請求項１１記載の金型形状の設計方法。
【請求項１３】前記補正された演算形状データが、前
記解析モデルの設計形状データに対し所定許容範囲内か
否かを判断し、前記演算形状データが前記所定許容範囲内であると判断
されたときに該演算形状データを金型形状に決定するこ
とを特徴とする請求項１０乃至請求項１２のいずれかに
記載の金型形状の設計方法。
【請求項１４】解析対象を有限要素法によってシミュ
レーションするためにメッシュ分割してモデリングする
ことを特徴とする請求項１０乃至請求項１３のいずれか
に記載の金型形状の設計方法。
【請求項１５】前記温度分布は、時間履歴に応じて微
小時間における前記解析モデルの温度変化を算出するこ
とを特徴とする請求項１０乃至請求項１４のいずれかに
記載の金型形状の設計方法。
【請求項１６】前記演算形状データを表示手段に可視
表示することを特徴とする請求項１０乃至請求項１５の
いずれかに記載の金型形状の設計方法。
【請求項１７】解析モデルは光学素子であることを特
徴とする請求項１０乃至請求項１６のいずれかに記載の
金型形状の設計方法。
【請求項１８】前記成形加工法は、射出成形法、圧縮成
形法、及び射出圧縮成形法を含むことを特徴とする請求
項１０乃至請求項１７のいずれかに記載の金型形状の設
計方法。