JP2006281647A - 射出成形における金型温度解析装置および金型温度解析方法 - Google Patents

Abstract

【課題】金型温度を精度よく求めることが可能となる射出成形における金型温度解析装置および金型温度解析方法を提供する。
【解決手段】射出成形における金型温度解析方法または装置であって、仮定した金型温度に関するデータの入力部１と、樹脂充填過程の流動している樹脂から金型への移動熱量を演算する演算部３と、樹脂充填完了後の静止している樹脂から金型への移動熱量を演算する演算部５と、前記両熱量を併せて成形プロセス中の樹脂から金型へ移動する熱量として、金型温度解析を行う金型温度演算部７と、前記演算された金型温度が、解析終了条件を満たすか否かを判断する収束判定部８と、を有し、前記収束判定部において解析終了条件を満たしていないと判定された場合に、前記仮定された金型温度を更新し、前記解析終了条件を満たすまで繰り返し再計算を行うようにする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、射出成形における金型温度解析装置および金型温度解析方法に関するものである

プラスティック射出成形技術において、成形サイクルのスピードアップ・生産コストの削減を行うために、金型の補正回数の削減が強く望まれている。
このような補正が必要となる要因の１つとして、金型の温度制御が挙げられる。金型の成形品近傍に著しく蓄熱する箇所があると、成形品は大きく変形してしまう可能性があり、水管・温調の再設計が必要となる。
そのため、金型の設計段階で、成形時の金型温度分布を事前に予測する必要がある。
従来より、金型温度を予測するために解析システムが利用されている。
このような金型温度を予測するための解析システムとして、モデル化された金型および水管形状についての有限要素法、境界要素法などの数値計算法が用いられ、これらが状況に応じて個別にあるいは組み合わせて使用される。

金型温度予測を行う従来技術としては、例えば特許文献１のような解析システムが知られている。
つぎに、特許文献１の解析システムを図４を用いて説明する。
この解析システムでは、まず樹脂流動解析により得られた樹脂充填完了時の温度分布を初期条件（熱荷重）として使用し（Ｓ１１）、金型表面（成形品側）の温度Ｔ_ｗを仮定（Ｓ１２）する。
つぎに、金型表面（成形品側）の温度Ｔ_ｗを一定として（Ｓ１３）、型内での冷却時間内に成形品から金型へ移動する熱量Ｑを算出する（Ｓ１４）。
さらに，上記ステップで求められた熱量Ｑ、冷却管から金型へ移動する熱量Ｑｗ
、外気から金型へ移動する熱量Ｑａを元に、１サイクル平均の金型の温度分布を熱量のつりあいから一意的に算出する（Ｓ１５）。
再度算出された金型表面温度Ｔ_ｗ’が再度算出され（Ｓ１６）、この温度Ｔ_ｗ’が先に仮定した金型温度Ｔ_ｗに対して定めた判定値以内（｜Ｔ_ｗ−Ｔ_ｗ’｜＜判定値）であれば終了（Ｓ１７）、そうでなければ金型表面温度を更新して、Ｓ１２以降の計算を、終了条件を満たすまで繰り返す。
上記特許文献１には、このようにして金型の冷却サイクル中の平均的な温度分布を得る方法が示されており、このような手法は、金型温度解析の手法として一般的に使用されている。
「型技術」第７巻第１２号１９９２年１１月号Ｐ５４〜５８（コンピュータによる金型冷却解析）

ところで、本来、樹脂充填過程では、樹脂は高温状態で流入口から高速に流入され、ある時間を費やしたのちに充填が完了される。この樹脂流動の間にも樹脂から金型への熱移動は存在している。また樹脂は高速に流入されているため、流動中に粘性の影響によるせん断発熱が発生する。したがって、充填過程は、冷却サイクル全体と比べて時間的には小さいものの、その間の発熱量は無視できないものである。
また、樹脂の流入口付近（上流）と反流入口付近（下流）では、樹脂の到達時刻に差があることから、冷却サイクル中の金型との接触時間が異なり、結果として発熱量に差を生じる。

しかしながら、上記した従来技術の金型温度解析手法では、樹脂充填完了時の温度分布を初期条件として使用し、以降冷却サイクル中の金型と成形品の熱収支を計算している。つまり樹脂の充填時間をゼロとして計算しており、上で述べた樹脂充填過程における樹脂から金型への熱移動および流動中のせん断による発熱を考慮していない。
このような従来の解析手法では、実際に測定された金型温度に対して低い温度が算出される傾向があり、特に樹脂流入口付近では、その温度差が大きくなることから、射出成形における金型温度を精度よく求める上で、必ずしも満足の得られるものではなかった。

本発明は、上記課題に鑑み、金型温度を精度よく求めることが可能となる射出成形における金型温度解析装置および金型温度解析方法を提供することを目的とするものである。

本発明は、以下のように構成した射出成形における金型温度解析方法および金型温度解析装置を提供するものである。
すなわち、本発明の射出成形における金型温度解析装置は、仮定された金型温度に関するデータを入力するデータ入力部と、樹脂充填過程の流動している樹脂から金型への移動熱量を演算する第１の移動熱量演算部と、樹脂充填完了後の静止している樹脂から金型への移動熱量を演算する第２の移動熱量演算部と、前記第１及び第２の移動熱量演算部で演算された両熱量を併せて成形プロセス中の樹脂から金型へ移動する熱量として、金型温度解析を行う金型温度演算部と、前記金型温度演算部で演算された金型温度が、前記データ入力部における仮定された金型温度との関係において解析終了条件を満たすか否かを判断する収束判定部と、を有し、前記収束判定部において解析終了条件を満たしていないと判定された場合に、前記仮定された金型温度を更新し、前記解析終了条件を満たすまで繰り返し再計算を行うようにしたことを特徴としている。
また、本発明の射出成形における金型温度解析方法は、仮定された金型温度に関するデータを入力する第１ステップと、前記第１のステップに次いで、樹脂充填過程の流動している樹脂から金型への移動熱量を算出する第２ステップと、前記第２のステップに次いで、樹脂充填完了後の静止している樹脂から金型への移動熱量を算出する第３ステップと、前記第２及び第３のステップで算出された両熱量を併せて成形プロセス中の樹脂から金型へ移動する熱量とし金型温度解析を行
う第４ステップと、前記第４のステップで得られた金型温度が前記第１のステップで仮定した金型温度との関係において解析終了条件を満たすか否かを判断する第５ステップと、を有し、前記解析終了条件を満たしていない場合に、前記仮定された金型温度を更新し、前記解析終了条件を満たすまで繰り返し再計算を行うことを特徴としている。

本発明によれば、射出成形における樹脂充填過程での金型への熱移動を考慮することで、金型温度の予測精度を向上することが可能となる。

以下に、本発明の実施の形態について説明する。
図１に本発明の実施の形態における金型温度解析装置のブロック図を示す。
図１において、１はデータ入力部であり、２はデータ入力記憶部である。このデータ入力部１では、解析の前提として、成形品、スプル・ランナー、金型の形状を定義し（図６，７，８）、樹脂流入温度、金型の熱伝導率を定め、さらに温調媒体・外気と金型の熱境界条件を定め、データ入力記憶部２に記憶する。
３は流動樹脂−金型移動熱量演算部であり、４は流動樹脂−金型移動熱量記憶部である。この流動樹脂−金型移動熱量演算部３では、樹脂充填過程における流動する樹脂から金型へ移動する熱量を算出し、流動樹脂−金型移動熱量記憶部４に記憶する。
５は静止樹脂−金型移動熱量演算部、６は静止樹脂−金型移動熱量記憶部、７は金型温度演算部、８はデータ出力部である。
静止樹脂−金型移動熱量演算部５では、樹脂充填後における静止している樹脂から金型へ移動する熱量を算出し、静止樹脂−金型移動熱量記憶部６に記憶する。金型温度演算部７では、流動樹脂−金型移動熱量演算部３および静止樹脂−金型移動熱量演算部５で得られた熱量を併せて成形プロセス中の樹脂から金型へ移動する熱量とし、この熱量とデータ入力部で定められた温調媒体・外気と金型の熱境界条件のつりあいから、一意的に金型温度の分布を算出する。
データ出力部８では、金型温度演算部７で得られた金型温度を出力する。

つぎに、上記の装置を用いた本実施形態における金型温度解析方法について説明する。
まず、図２を用いて第１の実施形態について説明する。
金型表面（成形品側）の温度Ｔ_Wを与える（Ｓ２１）。
つぎに樹脂の充填計算を行い、充填過程における樹脂から金型へ移動する熱量Ｑ₁を算出する（Ｓ２２）。
さらに型内冷却過程における樹脂から金型へ移動する熱量Ｑ₂を算出する（Ｓ２３）。
さらに冷却管から金型へ移動する熱量Ｑ_Wと、外気から金型へ移動する熱量Ｑ_a、成形品から金型へ移動する熱量Ｑ_m＝Ｑ₁＋Ｑ₂を元に、金型の温度分布を一意的に算出する（Ｓ２４）。ここで得られた温度分布は成形サイクルにおける平均的な温度の分布である。
これにより金型表面（成形品側）の温度がＴ_w’として再度求まる（Ｓ２５）。
ここで当初与えた金型表面温度Ｔ_Wと、新たに求まった金型表面温度Ｔ_w’との差Ｔ_W−Ｔ_w’の絶対値が、判定値を下回れば（Ｓ２６）終了し、上回れば、再度Ｓ２２より計算し、金型の温度分布を求める。

つぎに、図３を用いて第２の実施形態について説明する。
金型表面（成形品側）の温度Ｔ_Wを与える（Ｓ３１）。次に樹脂の充填計算を行い、充填過程における樹脂から金型へ移動する熱量Ｑ₁を算出する（Ｓ３２）。さらに型内冷却過程における樹脂から金型へ移動する熱量Ｑ₂を算出する（Ｓ３３）。さらに冷却管から金型へ移動する熱量Ｑ_Wと、外気から金型へ移動する熱量Ｑ_a、成形品から金型へ移動する熱量Ｑ_m＝Ｑ₁＋Ｑ₂を元に、金型の温度分布を一意的に算出する（Ｓ３４）。ここで得られた温度分布は成形サイクルにおける平均的な温度の分布である。これにより金型表面（成形品側）の温度がＴ_w’として再度求まる（Ｓ３５）。ここで当初与えた金型表面温度Ｔ_Wと、新たに求まった金型表面温度Ｔ_w’との差Ｔ_W−Ｔ_w’の絶対値が判定値を下回れば（Ｓ３６
）終了。上回れば、再度Ｓ３３より計算し、金型の温度分布を求める。

以上による第１の実施形態と第２の実施形態の違いは、繰り返し計算を行う中で、充填過程における樹脂から金型へ移動する熱量Ｑ₁を再計算するか否かである。
第１の実施形態ではＱ₁を再計算するが、第２の実施形態ではＱ₁を再計算しない。第１の実施形態は、金型温度をより正確に求めるものであるが、計算時間が増大してしまう。これに対して第２の実施形態は、ある程度の計算精度向上と、計算時間の増大を抑制する効果を狙ったものである。

ここで、充填過程における樹脂から金型へ移動する熱量Ｑ_１を算出する方法（Ｓ２２またはＳ３２）を、一つの例を挙げて簡単に説明する。
はじめに以下のような仮定を行う。
１．輻射はないものとする。
２．Ｚ方向の速度はないものとする。
３．重力の影響はないものとする。
４．発熱は粘性によって発生するせん断発熱のみとする。
５．熱伝導はＺ方向のみと考えるものとする。
上記仮定のもとで樹脂充填中の熱伝導方程式は以下の通りとなる。

ここで
ｐ：密度、Ｃ_P：比熱、ｔ：時間、ｖ_xy：各軸方向速度、Ｔ：温度、η：粘度、γ：せん断速度である。

つぎに、熱境界条件を以下の通り与える。
１．壁面は温度固定
Ｚ＝Ｈ／２でＴ＝Ｔ_W
または熱量として与える。
ｑ＝α（Ｔ−Ｔ_W）
ここでαは熱伝達率、Ｔは樹脂温度、Ｔ_Wは樹脂と接する金型表面温度
２．要素中心を境に温度対称
Ｚ＝０で∂Ｔ／∂Ｚ＝０
３．樹脂の初期温度は一定値
樹脂入り口でＴ＝Ｔ₀
ここで要素は図１で示す通りで、Ｚ方向に高さＨをもつものとする。

つぎに、有限要素法で解く場合の定式化を行う。
形状関数は図５における（ｘ，ｙ，ｚ）軸を無次元座標系（ξ，Ψ，ζ）としたときに以下のように与えられる。
Ｎ_i（ξ，Ψ，ζ）＝１／８（１＋ξ・ξ_i）・（１＋Ψ・Ψ_i）（１＋ζ・ζ_i）
この形状関数を用いて要素内の温度は次式で表される。

重み関数をＷ_iとして重み付き残差法を適用する。

重み関数Ｗ_iは
移流項以外では
Ｗ_i＝Ｎ_i
移流項では

を用いる。

以上により、次式が得られる。

境界条件として熱流束を与える場合はｑ＝ｑ₀
境界条件として熱伝達率α_c，周囲温度Ｔ_wを与える場合はｑ＝α_c・（Ｔ−Ｔ_w）となる。

さらに、樹脂から金型への熱流束を算出する方法は以下の通りである。

壁面に接する要素について、上式によって計算を行えば、各要素の各節点から出て行く単位時間あたりの熱量が計算できる。熱伝導は板厚方向しか考えていないため、壁面に接する節点の熱量の総和を取ることで、金型へ逃げる熱量が計算できる。流動時に金型へ逃げる熱量はこの熱量を時間方向に流動時に渡って積分することで得られる。

［実施例１］
実施例１においては、上記第１の実施形態を適用し、実際に測定した金型の温度と比較した。
図６は成形品とランナーのモデルを示すものであり、成形品は、幅２０ｍｍ長さ５０ｍｍ厚さ２ｍｍの薄板である。
また図７は成形品・ランナーおよび金型を示したものである。金型は成形品を覆うように幅４０ｍｍ長さ７０ｍｍ高さ２４ｍｍとした。
さらに図８は、図６に示したモデルをメッシュ分割したものである。

成形条件を以下に示す。
樹脂は旭化成のＨＩＰＳで、グレードはＶＳ１２３である。粘性係数等の物性値は、測定して得られた値を使用した。
また充填温度は２１０℃とし、充填時間は０．８秒、保圧時間４秒、型内での冷
却時間は１５秒とした。
また金型の熱伝導率は等方的に３．９８Ｅ−２（Ｗ／ｍｍＫ）とし、金型取り付け面は断熱で固定側の温度は３７℃、可動側の温度は３４℃とした。
さらに外気温度は２４℃とし、対流熱伝達を１０（Ｗ／ｍ²Ｋ）とした。

図９のＰ１〜Ｐ５の測定点における金型表面温度を、実施結果と実測値で比較したものを図１０ならびに図１１に示す。
従来の解析方法および装置では、実際に測定された金型温度に対して低い温度が算出される傾向があり、特に樹脂流入口付近では、その温度差が大きくなる。そこで樹脂充填過程における金型への熱移動を考慮して、成形品冷却サイクル中の金型温度を求めることで、より測定値に近い温度計算結果が得られた。各測定点における実測温度と計算結果の差は、従来の手法では平均７．６℃、これに対して平均１．８℃となり７４％減少させることができた。

［実施例２］
実施例２においては、上記第２の実施形態を適用し、実際に測定した金型の温度と比較した。
モデルならびに成形条件は、実施例１と同じである。
また実施例１と同様に、図９のＰ１〜Ｐ５の測定点における金型表面温度を、実施結果と実測値で比較したものを図１０ならび図１１に加えた。
図１０ならびに図１１に示した、各測定点における実測温度と計算結果の差は、従来の手法では平均７．６℃、これに対して平均３．４℃となり、５５％減少させることができた。
また計算時間は、従来の方法では１２分、これに対して１３分となり、８％程度の増加に抑えることができた。

本発明の実施の形態における金型温度解析装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態における第１の形態の解析のアルゴリズムを示すフローチャートである。 本発明の実施の形態における第２の形態の解析のアルゴリズムを示すフローチャートである。 従来の手法を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態における熱境界条件を説明する図である。 本発明の実施例における成形品とランナーを示す図である。 本発明の実施例における成形品とランナーと金型を示す図である。 本発明の実施例における成形品とランナーと金型を示す図である。 図８の金型温度を示す点の位置を示す図である。 図７で示した位置の金型温度を示す図である。 図７で示した位置の金型温度とその平均値・計算実行時間を示した表である。

符号の説明

１：データ入力部
２：データ入力記憶部
３：流動樹脂−金型移動熱量演算部
４：流動樹脂−金型移動熱量記憶部
５：静止樹脂−金型移動熱量演算部
６：静止樹脂−金型移動熱量記憶部
７：金型温度演算部
８：データ出力部

Claims (6)

1. 射出成形における金型温度解析装置であって、
   仮定された金型温度に関するデータを入力するデータ入力部と、
   樹脂充填過程の流動している樹脂から金型への移動熱量を演算する第１の移動熱量演算部と、
   樹脂充填完了後の静止している樹脂から金型への移動熱量を演算する第２の移動熱量演算部と、
   前記第１及び第２の移動熱量演算部で演算された両熱量を併せて成形プロセス中の樹脂から金型へ移動する熱量として、金型温度解析を行う金型温度演算部と、
   前記金型温度演算部で演算された金型温度が、前記データ入力部における仮定された金型温度との関係において解析終了条件を満たすか否かを判断する収束判定部と、
   を有し、前記収束判定部において解析終了条件を満たしていないと判定された場合に、前記仮定された金型温度を更新し、前記解析終了条件を満たすまで繰り返し再計算を行うようにしたことを特徴とする射出成形における金型温度解析装置。
2. 前記再計算において、前記第１及び第２の移動熱量演算部の双方で熱量が再計算されることを特徴とする請求項１に記載の金型温度解析装置。
3. 前記再計算において、前記第２の移動熱量演算部でのみ熱量が再計算されることを特徴とする請求項１に記載の金型温度解析装置。
4. 射出成形における金型温度解析方法であって、
   仮定された金型温度に関するデータを入力する第１ステップと、
   前記第１のステップに次いで、樹脂充填過程の流動している樹脂から金型への移動熱量を算出する第２ステップと、
   前記第２のステップに次いで、樹脂充填完了後の静止している樹脂から金型への移動熱量を算出する第３ステップと、
   前記第２及び第３のステップで算出された両熱量を併せて成形プロセス中の樹脂から金型へ移動する熱量とし金型温度解析を行う第４ステップと、
   前記第４のステップで得られた金型温度が前記第１のステップで仮定した金型温度との関係において解析終了条件を満たすか否かを判断する第５ステップと、
   を有し、前記解析終了条件を満たしていない場合に、前記仮定された金型温度を更新し、前記解析終了条件を満たすまで繰り返し再計算を行うことを特徴とする射出成形における金型温度解析方法。
5. 前記再計算において、前記第２ステップから前記解析終了条件を満たすまで、計算を繰り返すことを特徴とする請求項４に記載の射出成形における金型温度解析方法。
6. 前記再計算において、前記第３ステップから前記解析終了条件を満たすまで、計算を繰り返すことを特徴とする請求項４に記載の射出成形における金型温度解析方法。

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