JP2006110878A

JP2006110878A - 射出成形過程の解析方法およびその装置、および射出成形品の製造方法

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Publication number: JP2006110878A
Application number: JP2004301100A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Konishi; 研一小西
Original assignee: Toray Engineering Co Ltd
Current assignee: Toray Engineering Co Ltd
Priority date: 2004-10-15
Filing date: 2004-10-15
Publication date: 2006-04-27

Abstract

【課題】実射出成形機で得られた試作結果を用いて、よりよい射出成形条件を正確に、かつ短時間に得る。
【解決手段】実成形結果および樹脂流動解析結果を入力として、金型内部への樹脂流入開始時間遅れの補正関数を算出する補正関数算出部１２と、成形品４の検査結果、樹脂流動解析用形状データおよび算出された補正関数を入力として、成形不良発生部位を特定する成形不良発生部位特定部１３と、成形不良現象もしくは成形不良の原因と相関をもつ事象が発生する時刻（金型内部への樹脂流入開始時間基準）を算出する発生時刻算出部１４と、成形不良現象もしくは成形不良の原因と相関をもつ事象が発生する時刻を補正して実成形条件記憶部１に供給する発生時刻補正部１５とを有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、射出成形品を製造する過程を解析する方法およびその装置、およびこの解析方法を利用する射出成形品の製造方法に関する。

射出成形によってプラスチック射出成形品を製造するに際して、フローマーク・シルバーといった外観不良、あるいはゲート近傍における流動のせん断応力に起因する複屈折等の成形不良現象を低減することが必要である。これらの不良現象は、不良発生部位を流動樹脂先端部分が通過する際の流動速度すなわち射出速度をコントロールすることにより、低減することが可能である。射出速度は通常、時間あるいはスクリュー位置と射出速度の関係で設定されるが、金型内の任意の位置に対する流動樹脂先端部分の通過時間を知るには、ショートショットと呼ばれる充填樹脂量を変えた試作片を用いて推測する以外方法はなかった。

また、樹脂流動解析を用いれば、ノズル通過後の金型内部における流動樹脂先端部分の通過時間を正確に求めることは可能である。

従来から、射出成形品を製造する過程を制御して正確に所望の射出成形品を製造できるようにするために、特許文献１が提案されている。

特許文献１は、射出圧力カーブ（射出圧力波形制御方式を採用する射出成形機における操作条件）を、実射出成形機による試作のために作成するための技術を記載している。特許文献１の技術は、実射出成形機を用いた試作以前に適用することを目的とし、解析結果より一意的な成形条件を得ることを目的としている。
特開２０００−３５５０３３号公報

しかし射出成形を用いた実成形では、射出成形機の動作開始を基準として射出成形機の制御並びに射出成形及び金型に取り付けられたセンサーから得られる物理量のサンプリングを行う。そのため成形機が動作開始後における立ち上がりの遅れ、並びに成形機ノズル内部における樹脂の流動及び圧縮による金型内部への流入に対する時間遅れの発生により、樹脂流動解析結果と実成形におけるサンプリング結果との間には、事象の発生時刻に関する誤差が伴なっていた。

また、特許文献１の技術では、作成された射出圧力カーブと実射出成形機における実際の射出圧力カーブとが一致している保障がなく、両者を一致させるためには、試行錯誤を繰り返す必要があるので、所望の射出成形品を製造できるようになるまでの所要時間が長くなる。

本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、従来ショートショット法という間接的な手段によってのみ得られていた射出成形時における金型内部の任意の点に関する時間―流動樹脂先端部分の通過時間を、正確に求める手段を提供することを目的とし、また、実射出成形機で得られた試作結果を用いて、よりよい射出成形条件を正確に、かつ短時間に得ることができる射出成形過程の解析方法およびその装置、およびこの解析方法を利用する射出成形品の製造方法を提供することを目的としている。

請求項１によれば、射出成形品を射出成形機によって射出成形した際に得られた所定部位における物理量の時間的変化の2以上の特徴的時刻と、前記射出成形品の射出成形過程の数値解析によって得られた前記所定部位における物理量の時間的変化の2以上の特徴的時刻とを対応付け、該対応付けた結果得られた対応関係と前記数値解析の結果得られた所定の成形現象の発生時刻とに基づいて、前記射出成形機によって射出成形する際に発生する前記所定の成形現象の発生時刻を予測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。

請求項２によれば、前記物理量は、圧力、温度および流速から選ばれる少なくとも１つの物理量である、請求項１に記載の射出成形過程の解析方法が提供される。

請求項３によれば、前記物理量は圧力であり、前記所定部位の前記物理量の時間的変化は、金型内に設けた圧力センサーによって得ることを特徴とする請求項２に記載の射出成形過程の解析方法が提供される。

請求項４によれば、前記物理量は圧力であり、前記所定部位の前記物理量の時間的変化は、前記射出成形機に設けた圧力センサーによって得ることを特徴とする請求項２に記載の射出成形過程の解析方法が提供される。

請求項５によれば、射出成形品を所定の射出成形条件の下で射出成形機によって射出成形し、前記射出成形品の射出成形過程を数値解析し、前記射出成形の際に得られた所定部位における物理量の時間的変化の2以上の特徴的時刻と前記数値解析によって得られた前記所定部位における物理量の時間的変化の2以上の特徴的時刻とを対応付け、該対応付けた結果得られた対応関係と前記数値解析の結果得られた所定の成形現象の発生時刻とに基づいて、前記射出成形機によって射出成形した際に発生する前記所定の成形現象の発生時刻を予測し、前記成形現象の発生状況が変化するように前記所定の射出成形条件を変更し、射出成形条件を最終決定し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。

請求項６によれば、射出成形品を射出成形機によって射出成形した際に得られた所定部位における物理量の時間的変化を記憶する実射出成形データ記憶手段と、前記射出成形品の射出成形過程の数値解析の結果を記憶する数値解析結果記憶手段と、前記実射出成形データ記憶手段に記憶された物理量の時間的変化の2以上の特徴的時刻と、前記数値解析結果記憶手段に記憶された前記数値解析の結果から前記所定部位における物理量の時間的変化の2以上の特徴的時刻とを対応付け、該対応付けた結果得られた対応関係と前記数値解析の結果得られた所定の成形現象の発生時刻とに基づいて、射出成形機によって射出成形する際に発生する前記所定の成形現象の発生時刻を予測する成形現象予測手段とを備えた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。

本発明において、「時刻」とは、射出成形における樹脂充填の進展度合いをいい、射出成形開始等の特定の事象からの経過時間や樹脂等の充填剤の充填量や射出成形機のスクリュー位置などの形で算出され、または表現されていてもよい。

また、「成形現象」とは、射出成形過程で生じる現象である。さらに説明する。金型内部に射出された溶融樹脂は、金型壁面に熱を奪われながら金型内部（キャビティー内部）へ流動する。一方、溶融樹脂は冷却と同時に流動に起因するせん断発熱が生じている。金型内部の溶融樹脂は最終的には固化温度以下に冷却された後、金型から取り出される。その間、樹脂は溶融状態から固化に至る相変化に加え、流動ベクトルに起因する材料特性の異方性や、保圧工程（収縮変形を防ぐために充填完了後も樹脂に与える圧力）による密度分布が発生する。したがって、これらの間に生じる現象を表す用語として使用される。

「成形不良」には、フローマーク、ヒケ、ウエルド、ソリ、シルバー等、製品の外観を損なう不良現象と、ソリのように製品機能、組立性を損なう不良現象とがある。これらの現象は、金型内部における樹脂の状態に強く影響を受ける。ソリ、ヒケの場合は、保圧条件（圧力および時間）、フローマークの場合は、メルトフロントが進行する際のせん断速度等に大きく依存するといわれ、実際の成形現場においてこれらの成形不良が発生すると、射出成形条件の変更あるいは金型の修正を余儀なくされる。

「射出成形条件」としては、解析においては、充填時間、金型温度、樹脂温度等が用いられるが、実成形機においては、射出速度（成形機における射出最大速度に対する％）、樹脂温度、金型温度が用いられる。

「特徴的時刻」としては、金型内部における任意の点における急激な物理量の変化が発生する時刻が挙げられる。例えば、任意の点にメルトフロントが到達すると、到達と同時にその点における温度並びに圧力の上昇が確認できる。

「数値解析の結果」とは、有限要素法等を用いて計算された解析対象における任意の部位あるいは点における物理量情報であり、メルトフロント通過時刻、温度、圧力、結晶化度、速度、せん断速度、せん断応力、繊維配向ベクトル、収縮歪、収縮変位量等が例示できる。

本発明は、従来のショートショット法を用い熟練者の技能と勘と経験に依存していた成形不良対策としての速度設定を容易にできると同時に、試作時における試行錯誤回数の削減と良品量産条件出しに関わる試作時間の短縮を達成することができる。

そして、第１の発明は、実射出成形機で得られた試作結果を用いて、よりよい射出成形条件を正確に、かつ短時間に得ることができるという特有の効果を奏する。

第２の発明は、よりよい射出成形条件を用いて射出成形品を得ることができるという特有の効果を奏する。

第３の発明は、実射出成形機で得られた試作結果を用いて、よりよい射出成形条件を正確に、かつ短時間に得ることができるという特有の効果を奏する。

以下、添付図面を参照して、本発明の射出成形課程の解析方法およびその装置、および射出成形品の製造方法の実施の形態を詳細に説明する。

図１は本発明の射出成形過程の解析装置が組み込まれた射出成形システムの構成を示すブロック図である。

この射出成形システムは、実成形条件記憶部１と、実成形条件に基づいて成形動作を行う射出成形機２と、金型３と、金型３から取り出される成形品４と、射出成形機２または金型３における物理量の時間的変化を計測するセンサー５と、実成形結果を保持する実成形結果保持部６と、解析成形条件記憶部７と、解析成形条件に基づいて樹脂流動解析を行う樹脂流動解析部８と、樹脂流動解析結果を保持する解析結果保持部９と、樹脂流動解析用形状データを保持する樹脂流動解析用形状データ保持部１０と、成形品４を検査する検査器１１と、実成形結果および樹脂流動解析結果を入力として、金型内部への樹脂流入開始時間遅れの補正関数を算出する補正関数算出部１２と、成形品４の検査結果、および樹脂流動解析用形状データを入力として、成形不良発生部位を特定する成形不良発生部位特定部１３と、成形不良現象もしくは成形不良の原因と相関をもつ事象が発生する時刻（金型内部への樹脂流入開始時間基準）を算出する発生時刻算出部１４と、成形不良現象もしくは成形不良の原因と相関をもつ事象が発生する時刻を、前述の補正関数を用いて補正して、実成形条件記憶部１に供給する発生時刻補正部１５とを有している。

図2に示す形状１について射出速度一定の条件下で試作を行い射出成形機のロードセルにて射出圧力のモニタリングを実施したところ、図3に示すスクリュー位置―圧力波形グラフが得られると同時に、成形品における図2に示す部位（フローマーク発生部位）において不良現象（フローマーク）が確認された。

一般に射出成形機の動作設定においては、射出成形機における射出動作を開始する時刻を基準に射出速度設定が行われるとともに、射出圧力やスクリュー位置等についても同時刻を基準にモニタリングされる。一方、樹脂流動解析においては、金型内部に樹脂が充填されはじめる時刻を基準に計算が行われる。射出成形機で設定される射出時間と、樹脂流動解析で用いられる射出時間とは、線形近似が成り立つ場合には、次の（１）式で表すことができる。

Ｔｍ＝ΔＴ０＋αＴａ・・（１）
ただし、Ｔｍは射出成形機で設定される射出時間、
ΔＴ０は射出成形機の動作開始から、金型内部に樹脂が充填開始されるまでの時間遅れ、
αは樹脂、射出成形機、成形条件に依存する係数、
Ｔａは樹脂流動解析で用いられる射出時間である。

上記の時間遅れΔＴ０や係数αは、射出成形機における圧力等の波形と樹脂流動解析における圧力等の波形とにおける２つの特徴的時刻が得られておれば、求めることができる。３つの特徴的時刻についての情報が得られておれば、さらに確度の高い線形近似を最小二乗法等により得ることや、２次の補間を行うことができるし、さらに多数の特徴的時刻についての情報が得られておれば、さらに確度を高めた線形近似やより高次の補間を行うこともできる。

補正関数算出部１２においては、射出成形機にてモニタリングされる射出圧力波形と、樹脂流動解析において算出される圧力波形に着目し、両圧力波形における２つの特徴的時刻を用いて、（１）式における線形近似のΔＴ０およびαを得るよう構成されている。

成形不良発生部位特定部１３は、オペレータが目視あるいは画像処理測定器等の検査器１１を用い、射出成形品におけるウエルド、フローマーク、バリ等の成形不良発生部位を特定し、樹脂流動解析用形状データにおける成形不良発生部位の入力を受け付ける。検査器１１の出力信号や画像データを直接取り込み、画像処理等によって自動的に樹脂流動解析用形状データにおける成形不良発生部位を決定するよう構成してもよい。

発生時刻算出部１４は、樹脂流動解析の結果に基づき、射出成形品における任意の部位における物理量の経時変化を得る。このデータに基づいて、樹脂流動解析結果より成形不良現象発生部位における成形不良現象と相関のある物理量が、数値解析上あるいは経験上知られた、成形不良現象として発現するためのしきい値を超える時刻（金型内部への樹脂流入開始時間Ｔａ基準）を算出する。もちろん、単純に、樹脂流動解析における成形不良現象の発生時刻を算出するだけの場合もある。

発生時刻補正部１５は、発生時刻算出部１４が算出した成形不良現象やその原因を相関を持つ現象が発生する時刻（金型内部への樹脂流入開始時間Ｔａ基準）に基づいて実射出成形機での射出時間Tmにおける対応する時刻を、上記（１）式を用いて求める。すなわち、樹脂流動解析で得られた相関をもつ事象が発生する時刻を、射出成形機における射出動作開始を基準とする時刻に変換する。これにより、成形不良現象と相関のある物理量が成形不良現象として発現するためのしきい値を超える時刻を、樹脂流動解析での時刻から実射出成形機における時刻に補正（変換）し、成形不良の低減に向けての射出成形機における射出速度設定時刻を正確に制御することが可能となる。

こうして得られた実射出成形機における成形不良発生時刻に基づいて、例えば、この成形不良が発生する以前の時刻で射出成形機の射出速度を低下するなどの射出成形条件の変更を行い、成形不良の発生状況を変更する。かかる条件変更は、オペレータが任意に設定して実成形条件記憶部１に供給してもよいし、自動的に実行されるように構成されていてもよい。

別途、前記形状１について樹脂流動解析を行い、図４に示すスプルー端における解析圧力波形および図5に示す充填パターンを得た。

図3における特徴点Ｐ１、Ｐ２はそれぞれ実成形工程におけるゲート通過時刻および充填完了時刻を表しており、それぞれ樹脂流動解析結果（図４）におけるＰ１‘、Ｐ２‘ に相当する。

よって特徴点Ｐ１〜Ｐ２の区間におけるスクリュー速度が一定であれば、図４に示す解析圧力波形におけるＰ１‘〜Ｐ２‘の区間の任意の点Ｐｘにおけるスクリュー位置Ｌｐｘは、射出時間に対する線形補間式である数１によって求めることができる。

樹脂流動解析結果である図5に示す充填パターンは任意の点におけるフローフロントが通過する時刻をコンター表示したものであるから、図2に示すｘ１〜ｘ２のフローマーク発生区間に相当する座標点における樹脂流動解析でのフローフロント通過時刻Ｔｘ１，Ｔｘ２を得た後、数１を用いて実成形工程におけるx1〜ｘ2の区間におけるフローフロント通過時におけるスクリュー位置Ｌｘ１，Ｌｘ２を得ることができる。

そこで、実射出成形機における操作条件において、Ｌｘ１〜Ｌｘ２間の射出速度を低下させて試作を行なうことにより、フローマークのない射出成形品を得ることができた。

図6に示す形状２について試作を行い、金型内部に圧力センサーを取り付けて充填圧力のモニタリングを実施したところ、図7に示すように、実射出成形機における射出時間―圧力波形曲線が得られると同時に、成形品における図6に示す部位において不良現象（フローマーク）が確認された。

別途、前記形状２について樹脂流動解析を行い、図８に示すスプルー端および金型センサー位置における解析圧力波形および図9に示す充填パターンを得た。

図7における金型内圧力センサーでのモニター圧力波形は、樹脂流動解析における金型内圧力センサー位置における圧力波形に相当する。また、図７における射出時間Ｔｐ３，Ｔｐ４はそれぞれ図８における金型内圧力センサー位置におけるフローフロント通過時間Ｔｐ３‘および充填完了時間Ｔｐ４’に相当する。

よって、図８に示す任意の点Ｐｔ‘におけるフローフロント通過時間は線形補正関数である数２を用いることで、実成形における射出時間Ｔｐｙに変換することができる。

樹脂流動解析結果である図９に示す充填パターンは任意の点におけるフローフロントが通過する時刻をコンター表示したものであるから、図6に示すＹ１〜Ｙ２のフローマーク発生区間におけるフローフロント通過時における射出時間Ｔｙ１，Ｔｙ２を得ることができる。

そこで、実射出成形機における操作において、Ｔｙ１〜Ｔｙ２間の射出速度を低下させて試作を行うことにより、フローマークのない射出成形品を得ることができた。

本発明の射出成形過程の解析装置が組み込まれた射出成形システムの構成を示すブロック図である。射出成形品モデルの一例を示す概略斜視図である。図２に示す射出成形品の実成形時におけるスクリュー位置―射出圧力グラフを示す図である。図２に示す射出成形品モデルに対する樹脂流動解析で得られた射出時間―射出圧力グラフを示す図である。図２に示す射出成形品モデルに対する樹脂流動解析で得られた充填パターンを示す概略斜視図である。射出成形品モデルの他の例を示す概略斜視図である。図６に示す射出成形品の実成形時における射出時間―射出圧力グラフを示す図である。図６に示す射出成形品モデルに対する樹脂流動解析で得られた射出時間―射出圧力グラフを示す図である。図６に示す射出成形品モデルに対する樹脂流動解析で得られた充填パターンを示す概略斜視図である。

符号の説明

１実成形条件記憶部
２射出成形機
３金型
４成形品
５センサー
６実成形結果保持部
７解析成形条件記憶部
８樹脂流動解析部
９解析結果保持部
１０樹脂流動解析用形状データ保持部
１１検査器
１２補正関数算出部
１３成形不良発生部位特定部
１４発生時刻算出部
１５発生時刻補正部

Claims

射出成形品を射出成形機によって射出成形した際に得られた所定部位における物理量の時間的変化の2以上の特徴的時刻と、前記射出成形品の射出成形過程の数値解析によって得られた前記所定部位における物理量の時間的変化の2以上の特徴的時刻とを対応付け、該対応付けた結果得られた対応関係と前記数値解析の結果得られた所定の成形現象の発生時刻とに基づいて、前記射出成形機によって射出成形する際に発生する前記所定の成形現象の発生時刻を予測することを特徴とする射出成形過程の解析方法。
前記物理量は、圧力、温度および流速から選ばれる少なくとも１つの物理量である、請求項１に記載の射出成形過程の解析方法。
前記物理量は圧力であり、前記所定部位の前記物理量の時間的変化は、金型内に設けた圧力センサーによって得ることを特徴とする請求項２に記載の射出成形過程の解析方法。
前記物理量は圧力であり、前記所定部位の前記物理量の時間的変化は、前記射出成形機に設けた圧力センサーによって得ることを特徴とする請求項２に記載の射出成形過程の解析方法。
射出成形品を所定の射出成形条件の下で射出成形機によって射出成形し、前記射出成形品の射出成形過程を数値解析し、前記射出成形の際に得られた所定部位における物理量の時間的変化の2以上の特徴的時刻と前記数値解析によって得られた前記所定部位における物理量の時間的変化の2以上の特徴的時刻とを対応付け、該対応付けた結果得られた対応関係と前記数値解析の結果得られた所定の成形現象の発生時刻とに基づいて、前記射出成形機によって射出成形した際に発生する前記所定の成形現象の発生時刻を予測し、前記成形現象の発生状況が変化するように前記所定の射出成形条件を変更し、射出成形条件を最終決定し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。
射出成形品を射出成形機によって射出成形した際に得られた所定部位における物理量の時間的変化を記憶する実射出成形データ記憶手段と、前記射出成形品の射出成形過程の数値解析の結果を記憶する数値解析結果記憶手段と、前記実射出成形データ記憶手段に記憶された物理量の時間的変化の2以上の特徴的時刻と、前記数値解析結果記憶手段に記憶された前記数値解析の結果から前記所定部位における物理量の時間的変化の2以上の特徴的時刻とを対応付け、該対応付けた結果得られた対応関係と前記数値解析の結果得られた所定の成形現象の発生時刻とに基づいて、射出成形機によって射出成形する際に発生する前記所定の成形現象の発生時刻を予測する成形現象予測手段とを備えたことを特徴とする射出成形過程の解析装置。