JP2004314624A - 樹脂製品の設計方法及び製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 射出成形法によって成形する樹脂製品を設計するに際し、所定形状の樹脂製品について射出成形を行なう際に必要な型締力を計算機支援による最適化手法を用いて事前に求め、この結果に基づいて樹脂製品の設計を決定する。これにより、使用可能な射出成形機の能力による制約を考慮した上での最良の設計を得ることができる。
【選択図】 図3
Description
まず、ステップ2において、射出成形過程における樹脂の流れを解析するための解析用モデルを作成する。この実施の形態では、以下の長尺平板モデルとなる。
寸法:幅1600mm、長さ300mm、厚さ3mm及び2.5mm
要素数:2862、節点数:1558、サイド3点ゲート
ランナー径:6mmφ(ホットランナー)、ゲート:4mmφ×7.5mmL(バルブゲート)
材料として選択した樹脂の物性値等のデータを入力する必要がある。樹脂は、住友ノーブレンAH561及びAZ564(商品名、住友化学工業株式会社製、AH561はMFR=3、AZ564はMFR=30)を用いている。必要な物性値としては、例えば、熱伝導率、比熱、流動停止温度、粘度等がある。他の成形条件として、樹脂温度/ホットランナー温度/金型温度を、それぞれ220℃/220℃/50℃に設定し、射出速度は等速設定とし、射出時間が約6秒となるように設定した。
ステップ4において、可変パラメータと呼ばれる求めるべきパラメータ(ここではバルブゲートの開閉のタイミング)の初期値を設定し、ステップ5において、樹脂の流入プロセスを計算し、ステップ6においてその結果ファイルを出力する。そして、ステップ7において、その結果ファイルに基づき、評価関数としての型締力を算出し、ステップ8において、その算出値が最適解に収束しているかを評価する。そして、収束していない場合には、ステップ9において、最適化手法のアルゴリズムに基づいて可変パラメータを修正し、ステップ5からステップ8までの工程を繰り返す。ステップ8において評価関数が最適解に収束していると判断された時には、最適化工程を終了する。評価関数が最適解に収束していると判断されない時には、ステップ9以降の工程を繰り返す。
この実施の形態ではバルブゲートは3つ有り、開閉タイミングはこれら全てを独立に操作することを前提としてもよい。しかしながら、これらのバルブゲートは実作業上の制約から完全に独立に操作できない場合があり、そのような不要解を予め排除するように、最適化作業をより絞った条件下で行なう方が効率的である。そこで、以下のような制約条件を設けた。
例えば、バルブゲートA,B,Cの内で、バルブゲートA,Bを任意制御ゲートとし、バルブゲートCを調整用ゲートとして選択した場合の各バルブゲートのタイミングを変数として設定する場合の工程を具体的に説明すると、以下のようになる。
1)任意制御ゲートA、Bについての開閉タイミングを第1の条件下において任意に設定する。
2)設定されたゲートA、Bの開閉タイミングについて、射出開始から射出終了までの開時間帯を重ね合わせ、双方のゲートとも閉となるタイミングの有無を判定する。
3)ゲートA、Bが同時に閉となるタイミングがなければ調整用ゲートCの開閉タイミングは制約条件無しに任意に設定することができる(図4のケース1参照)。
4)ゲートA、B同時閉が存在すれば、その時間帯についてゲートCを開とする。
開時間帯が複数できる場合には、第1の条件に従うように(開→閉→開のパターンは採らない)、開時間帯にはさまれた閉時間帯を開時間帯に変更して連続させる。この場合、ゲートCの開閉タイミングは、上記の開放時間を前後に延長する方向で変動させるという設定のみが可能である(図5のケース2参照)。図6は、ケース2の極端な場合であり、成形の初期と終期にゲートA、B同時閉が存在するので、成形の初期と終期においてゲートCは開である必要が有る。一方、第1の条件より、開→閉→開のパターンは採用できないため、ゲートCが常時開となっている。
上記のようなケース分けを前提として、可変パラメータとしての開閉タイミングを設定する方法をさらに具体的に説明する。ここでは、可変パラメータを以下のように設定しており、これを参照して説明する。
ゲートA〜ゲートCの開放タイミング(秒)・・ ta1、tb1、tc1
ゲートA〜ゲートCの開放継続時間 (秒)・・ dta、dtb、dtc
ゲートCの開タイミング変動係数 ・・ α
ゲートCの閉タイミング変動係数 ・・ β
なお、ta1、tb1、tc1は射出開始時を0としている。
tco = to×α
tcc = tc + (te - tc)×β
として設定される。ここで、teは射出完了の時間である。α、βは、0≦α≦1、 0≦β≦1を満たす任意の値で、これらを変化させることによりゲートCの開閉タイミングを任意に変動させることができる。この実施の形態で上記可変パラメータについてステップ4で設定した初期条件、及びステップ9で用いた制約条件は、以下の通りである。
i)制約条件
0≦ta1≦6、 0≦tb1≦6、 0≦tc1≦6、 0≦dta≦6、 0≦dtb≦6、0≦dtc≦6、
0≦α≦1、 0≦β≦1
ここにおいて、計算では射出時間は約6秒弱(条件により変動)で完了するので、ta1〜tc1、dta〜dtcの上限を6(秒)とした。
ii)初期条件
ta1=tb1=tc1=0、dta=6、dtb=dtc=0、α=β=0.5
評価関数として、最大型締力を算出した。型締力は、解析ソフトによってキャビティ内の樹脂圧を算出し、これに投影面積を掛けることによって求められる。
上述した解析モデルと手法を用いて最適化した計算結果を、表2のイ)-2及びウ)に示す。なお、ア)、イ)-1は比較例である。このうちイ)-1では、AH561について、樹脂温度/ホットランナー温度/金型温度がそれぞれ220℃/220℃/50℃である温度条件下と、樹脂温度/ホットランナー温度/金型温度がそれぞれ240℃/240℃/50℃である温度条件下で、ゲート開閉制御をしない場合(常開)について計算をした。また、ア)では、表1のAZ564(高流動性樹脂、MFR=30)について樹脂温度/ホットランナー温度/金型温度がそれぞれ200℃/200℃/50℃である温度条件下と、樹脂温度/ホットランナー温度/金型温度がそれぞれ220℃/220℃/50℃の温度条件下で、ゲート開閉制御をしない場合(常開)について計算をした。その際のバルブゲートの開閉タイミングを示す。
表2によれば、予備的設計ア)の高流動性樹脂については、ゲート操作を行わない場合でも樹脂温度及びホットランナー温度を220℃とすれば1000トン以下の型締力で成形可能である。一方、イ)の低流動性樹脂については、樹脂温度及びホットランナー温度を240℃としても型締力1000トン以下では成形できない。しかしながら、バルブゲート操作を行なうことにより、イ)の低流動性樹脂についても型締力500トン以下で成形ができる。従って、樹脂材料としてAZ564よりAH561が好適であるような製品には、最終設計として予備的設計イ)を採用することができることが分かる。また、予備的設計ウ)の場合でもバルブゲート操作を行なうことにより型締力500トン以下で成形ができる。従って、低流動性樹脂AH561の強度等の条件によって薄肉化ができる場合には、最終設計として予備的設計ウ)を採用してもよい。
さらに、樹脂材料としてAH561が好適であるような場合について、型締力の制約の中で製品をどこまで薄肉化できるかを判断するために最適化を行った。最適化のプロセスは、図3において説明した場合と基本的に同様であるが、評価関数としては、「型締力が所定の制約条件を満たす範囲でできるだけ板厚を小さくすること」と設定した。ここでは、射出成形機の型締力が1000トンである場合に、安全率を見込んで型締力の制約条件を800トン以下とした。
G1, G2, G3 ゲート
R ランナー
N ノズル
Claims (13)
- 射出成形法によって成形する樹脂製品を設計するに際し、
所定形状の樹脂製品について射出成形を行なう際に必要な型締力を計算機支援による最適化手法を用いて事前に求め、この結果に基づいて樹脂製品の設計を決定することを特徴とする樹脂製品の設計方法。 - 最適化手法を用いて求める際の可変パラメータとして、キャビティに連絡する複数の樹脂流入路からの樹脂材料の流入量を設定するプロセスパラメータを用いることを特徴とする請求項1記載の樹脂製品の設計方法。
- 前記プロセスパラメータは、前記複数の樹脂流入路に配置された流入量調整弁の動作を制御するパラメータであることを特徴とする請求項2記載の樹脂製品の設計方法。
- 前記流入量調整弁がバルブゲートであることを特徴とする請求項3記載の樹脂製品の設計方法。
- 前記バルブゲートの動作の制御方法が全開または全閉のどちらかであることを特徴とする請求項4記載の樹脂製品の設計方法。
- 充填工程中の同時刻に全てのバルブゲートが全閉とならない条件の中でプロセスパラメータを最適化することを特徴とする請求項4記載の樹脂製品の設計方法。
- 成形に用いる樹脂材料が熱可塑性樹脂であることを特徴とする請求項1記載の樹脂製品の設計方法。
- 成形に用いる樹脂材料がポリプロピレン系樹脂であることを特徴とする請求項1記載の樹脂製品の設計方法。
- 成形に用いる樹脂材料が低流動性樹脂であることを特徴とする請求項1記載の樹脂製品の設計方法。
- 最適化手法を用いて求めた型締力に基づいて、製品の材料を決定することを特徴とする請求項1記載の樹脂製品の設計方法。
- 最適化手法を用いて求めた型締力に基づいて、製品の厚さ分布を決定することを特徴とする請求項1記載の樹脂製品の設計方法。
- 製品の厚さ分布を型締力に関する制約条件のもとで最適化手法を用いて決定することを特徴とする請求項1記載の樹脂製品の設計方法。
- 請求項1ないし12のいずれかに記載された樹脂製品の設計方法によって設計された樹脂製品を、最適化された条件下で射出成形を行って成形することを特徴とする樹脂製品の製造方法。
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