JP2007286841A - 金型の見込みモデル生成装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
鋼板のプレス加工時などのスプリングバックや樹脂の射出成型時のソリを見込んだ金型を短時間に生成する。
【解決手段】
入力データを受け付ける入力手段（１４）と、金型の表面形状に対応する複数の微小要素と節点からなる変形前の解析モデルを生成する解析モデル生成部（１０２）と、前記解析モデルおよび条件に基づいて変形解析を実行し、金型から取り出された後の変形後の解析モデルを生成するソルバー部（１０４）と、変形前後の解析モデルに基づいて、変位ベクトルを求め、それを反転して反転ベクトルを得る反転ベクトル生成部（１１０）と、反転ベクトルに変更を加える見込みベクトル生成部（１１２）と、見込み解析モデルまたは見込み曲面を計算して、金型の見込み形状データを得る見込み解析モデルまたは見込み曲面の生成処理部（１１４，１１６）とを含んでなる金型の見込みモデル生成装置を提供する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、プレス成形または射出成形用の金型設計における見込みモデルを生成する方法および装置に関する。

例えば、自動車分野では、車体や構成部品の多くは鋼板のプレス成形により製造されている。近年では、車体や構成部品を軽量化するため、高張力鋼板が採用され始めている。 しかしながら、このような高張力鋼板は、プレス成形の際、プレス金型から外したときにスプリングバックが生じ、最終製品の形状は金型の通りとはならない。近年、最終製品に求められる精度は高くなっており、プレス後のスプリングバックによる変形を見込んで金型を作成する必要がある。しかし、変形量は、予測が困難であり、製品の形状や鋼板の厚さなどの特徴によっても変動する。したがって、試行錯誤によって変形を見込んだ金型を設計するには、多数回の試作を必要とし、工期が延び、コストが増大する原因となっている。一般的に、プレス金型の製作には製品の製造コスト全体の３０〜４０％が費やされている。

従来では、スプリングバック等による変形を見込んだ見込み金型を作製するために、設計作業者がＣＡＤを用いて金型形状の変更を行ってきた。しかし、設計作業者が勘と経験に基づいて形状を変更しているため、完成品の作成に膨大な工数を必要とする。さらに、その作業を支援するツールが必要とされていた。

一方で、有限要素法（ＦＥＭ）等の数値演算解析を用いて、プレス成形の際のスプリングバックの変位量を求める技術が知られている。これらの数値演算解析では、対象物を微小要素（メッシュ）に分割して解析モデルを生成し、その解析モデルにおける各微小要素の変化量を算出して対象物とそれらの変化量とを組み合わせることにより、プレス成形時における対象物の変形を算出する。

鋼板のプレス成形の場合と同様の問題はプラスチックの射出成形の際にも起こる。射出成形の型を外したあとに起こる、冷却等を原因とする残留応力による反りやヒケなどの変形を見込んで金型を作る必要があるが、金型設計の作業の多くが試行錯誤とそれに伴うＣＡＤモデルの変更に費やされている。

特許文献１では、対象物の変形に対する数値演算解析の結果に基づいて、その対象物の変形後の形状を示す方法が記載されている。この方法によれば、品質の良い画像を製作者に提供し、該画像に基づいて製作者が対象物の変形後の形状を判定することができる。また、非特許文献１〜３には、メッシュおよび曲線から曲面を再構築する方法が公開されている。しかし、これらの技術は、金型の設計方法を提供するものではなく、依然として製作者が変形後の形状に基づいて金型を試作する必要がある。

特開２００３−１３２０９７号公報 東京工業大学理工学研究科機械工学専攻、創造プロセス講座、西岡伸一郎、２００１年２月、修士論文「サブディビジョン法を用いた立体再構築に関する研究」 精密工学会誌、吉澤武朗、鈴木宏正、Vol.69, No.9, 2003, pp1264-1269 「曲線集合からの細分割曲面生成手法」 精密工学会誌、吉澤武朗、鈴木宏正、Vol.69, No.5, 2003, pp660-664 「マーチングキューブ法により生成された超高密度メッシュの効率的表現方法」

本発明は、上記問題点に鑑み、高張力鋼板のプレス成形やプラスチックの射出成形におけるスプリングバックまたは反りの解析結果に基づいて、適切な見込み金型形状を短時間に生成する方法および装置を提供するものである。

上記目的を達成するため、本発明に係る射出成形を実行する対象物の見込みモデルを生成する方法は、金型の形状情報および条件を示す入力データを入力手段が受け付けるステップと、前記形状情報に基づく金型の表面形状に対応する複数の微少要素と節点からなる変形前の解析モデルを演算手段が生成するステップと、前記解析モデルおよび前記条件に基づいて変形解析を実行し、金型から取り出された後の変形後の解析モデルを演算手段が生成するステップと、前記変形前の解析モデルおよび前記変形後の解析モデルに基づいて、全節点または全節点数より少ない数の節点について変位ベクトルを演算手段が算出するステップと、前記変位ベクトルにある定数である見込み係数を掛けることにより見込みベクトルを算出し、該見込みベクトルに基づいて金型の見込みモデルを演算手段が生成するステップとを含む金型の見込みモデル生成方法を提供するものである。

また、変位ベクトルの算出に先立って、演算手段が解析モデル上の節点を間引くことが、計算時間の短縮と、より大きな曲面を一括して処理するために好ましい。この節点の間引きステップは、解析モデル上のある節点からその節点と反対方向に隣り合う２つの隣接節点を結ぶ２線分がなす角度を求め、この角度が所定範囲内である場合に、その節点を特徴点とし、当該角度が所定範囲外である場合にその節点を間引きの対象とすることができる。また、所定数の節点をランダムに無作為抽出することや、変形前後の対応する節点の変位が所定値以内である節点を間引くことも可能である。

また、演算手段が見込みモデルから見込み曲面を生成するステップをさらに含むことが好ましい。さらに、見込み係数の値を異なる領域で、異なる値に設定したり、見込みベクトルの生成を行わない拘束領域の指定をすることができることが好ましい。

このような本発明方法は、それをコンピュータにおいて実行するためのコンピュータプログラムあるいはそのような方法をコンピュータに実行させるためのコンピュータプログラムを記録した媒体として提供することができる。

また、本発明は、金型の形状情報および条件を示す入力データを受け付ける入力手段と、前記形状情報に基づく金型の表面形状に対応する複数の微少要素と節点からなる変形前の解析モデルを生成する解析モデル生成部と、前記解析モデルおよび条件に基づいて変形解析を実行し、金型から取り出された後の変形後の解析モデルを生成するソルバー部と、前記変形前の解析モデルおよび前記変形後の解析モデルに基づいて、全節点または全節点数より少ない数の節点について変位ベクトルを算出する変形前後の差異分析処理部と、前記変位ベクトルにある定数である見込み係数を掛けることにより見込みベクトルを算出する見込みベクトル生成部と、該見込みベクトルに基づいて金型の見込み解析モデルまたは見込み曲面を計算して、金型の見込み形状データを得る見込み解析モデルまたは見込み曲面の生成処理部と を含んでなる金型の見込みモデル生成装置を提供する。

本発明によれば、スプリングバックまたは反りの影響を考慮に入れた金型の見込みモデルを作成することができる。

また、本発明によれば、解析精度に大きな影響を与えることなく、解析モデルにおける節点の数を間引くことができるため、見込みモデルを生成する時間を短縮でき、また、解析の対象とする曲面をより大きなものとすることが可能であり、金型設計に必要とされる時間と作業量を大幅に削減できる。

さらに、本発明では、見込みモデルまたは見込み曲面に基づいて見込みベクトルの大きさを変更したり、見込みベクトルを考慮に入れない拘束領域を指定することができるため、金型形状の変更が容易になる。

以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る見込みモデルを生成する装置の全体構成を示す機能ブロック図である。見込みモデル生成装置１０は、演算手段１２，入力手段１４と、各種のデータを保存するための記憶手段１６，表示手段１８とから構成されている。入力手段１４は、金型の構造データと曲面形状データ、条件データなど入力を受け付ける。演算手段１２は、変形前の解析モデル１２２を生成する変形前の解析モデル生成部１０２と、変形後の解析モデル１２４を生成するソルバー部１０４と、変位ベクトル算出部１０６と、節点の間引きを行う節点間引き処理部１０８と、反転ベクトル生成部１１０と、見込みベクトル生成部１１２，拘束位置指定データ１３２を考慮した上で、見込み解析モデル（見込み形状データ１３４を生成する見込み解析モデル生成処理部１１４と見込み曲面生成処理部１１６と、見込み形状表示データ１３６を生成する見込み形状表示処理部１１８とからなる。見込み形状表示データ１３６は、表示部１８により表示される。

本発明の実施の形態に係る見込みモデルを生成する方法のフローチャートを図２に示す。

例えば、ドアパネルの製品形状図面（図１の５０）に基づき、金型メーカーでは、設計者が、この製品を生産するための金型構造を検討する。このとき、精度、コスト、安全性などの要素を検討して、面分割などを行って、一般的にはいくつかの曲面からなる金型の構造を決定する。そして、製品形状に沿った金型の初期曲面形状（図１の５２）を暫定的に作成する。この金型の初期曲面形状５２が見込みモデル生成装置１０に入力される（Ｓ１０２）。

次いで、この曲面形状で、必要とする製品形状が実現できるかを調べるために解析が行われる。まず、メッシャーともいわれる解析モデル生成部１０２を用いて、変形前の解析モデル形状１２２を作成し（Ｓ１０４）、記憶手段１６に格納する。この変形前の解析モデルは、金型によりプレスされ、圧力下にある鋼板の形状を、節点を直線でつないで三角形または四角形からなるメッシュとして表現したものである。図３（ａ）に、解析モデル生成部１０２により、メッシュが鋼板形状を表す曲面２１上に、節点２４とそれをつなぐ線分から構成されたメッシュ状の解析モデル２０を生成した様子を示す。微小要素は、三角形や四角形等の多角形の平面要素である。また、微小要素の各々は、その頂点に位置情報をもつ節点２４を有している。

次に、プレス解析用の解析ソルバー部１０４で、スプリングバック解析を行い、スプリングバックが起きた変形後の解析モデル２５を作成する（Ｓ１０６）。すなわち、プレスの圧力を解放した状態で鋼板の形状がどのように変化するかを解析して、変形後の解析モデル形状２５を得る。これらのモデル形状もデータ１２４として記憶手段１６に保存することができる。このスプリングバック解析には、有限要素法などの既知の変形解析処理法を採用することができる。例えば、金型形状と金型運動を条件として与えることにより、各微小要素と金型の接触を判定し、よれにより発生する各微小要素の内部力に基づき変形量を算出することができる。このような解析のためには、従来の構造解析ソフトウェアでもASU/P-form プレス成形シミュレーションソフトウェア（商品名、株式会社先端力学シミュレーション研究所）として知られているものなどが各種あり、本実施形態においては、そのような既存のコンピュータプログラムまたはそれと同等のものを採用することができる。

このとき必要とされるデータは、記憶手段１６に格納されている金型構造のデータと金型曲面形状、変形前後の解析モデル２０，２５（図１の１２２，１２４）である。変形前の解析モデル２０と変形後の解析モデル２５とは、同じ数の節点を含んでおり、それぞれのモデルの対応する節点は同じ順番で並んでいて、その対応関係が明らかであることが求められる。通常の解析ソルバーのプログラムでは、変形前後の節点の数とその順序が異なることはない。次いで、変位ベクトル算出部１０６で変形前後の解析モデル２０，２５の節点の間の変位ベクトルを算出する（Ｓ１１０）。図３にその詳細を示す。図３の（ａ）に、曲面２１とその上においた３次元メッシュ２２を示す。図３（ａ）に示すものを、現実の金型曲面形状２１を近似する変形前の解析モデル２０であるとして、図３（ｂ）にこれを平面で切って得られる２次元断面を実線と中実の点で示す。

図３（ｂ）において、変形後の解析モデル２５は、２点鎖線と×で示されている。節点２７が×で表されている。この図から看取されるように変形前後の解析モデル２０，２５の各節点２４と２７は明らかな対応関係にある。

次に、節点間引き処理部１０８により節点の間引き処理を行う（Ｓ１１２）。例えば、平面上の部分や曲率が小さい曲面を描いている部分と、曲率が大きい部分やコーナーになっている部分とを同じ密度の節点を用いて解析を行うと、計算効率が悪い。また、メッシュを作る際に実際の曲面をうまく表現していない節点が生じることがあり、このような節点は結果に悪影響を与えるので取り除くべきである。従って、さほど重要でない節点については、あるいは異常な節点については間引いて、全体的な計算量を減らすことが行われる。この節点の間引き処理は、特徴点抽出部と、無作為節点抽出部、変位ベクトルによる節点削減処理部とを含む節点間引き処理部１０８によって行われる。

まず、隣接してほぼ直線上に並んでいる三つの節点に関して、間にある節点を頂点としてメッシュを構成する線分のなす角度を計算する。この角度がある範囲（第１範囲）内にあれば、その頂点をなす節点を特徴点とし、もしもこの範囲外にあれば、その節点を間引く。この角度は１８０度を最大とするものであるが、そこからある程度離れた値であれば、ある曲率を持った面の一部にあることになるので、それを特徴点として採用する。逆に、三つの節点のなす角度が、例えば、４５度といった小さな角度になった場合には、その頂点をなす節点は、メッシュを作成した際にたまたま発生した異常点である可能性が高い。金型表面は、基本的にスムースで連続したものでなければならないことを考えると、この角度が４５度というのは不自然であり、このような節点を計算から取り除かないと、目的とする金型の表面形状が得られないおそれが高まる。このような特徴点の抽出は、特徴点抽出手段により実行される。

また、上記のような特徴点抽出と独立して、あるいは併用して、上述の三つの節点なす角度がある範囲（第２範囲）内にある場合に、頂点をなす節点を間引くこともできる。これは、問題となる角度がある範囲にはいる頂点をなす複数の節点があったときに、それが製品形状の一つの部分的な特徴を表すことがある。そして、そのような部分的な特徴を構成する部分については、スプリングバックを補償する金型の見込みを行わないほうがよい場合があり、任意選択的に利用できる機能として、上述の三つの節点のなす角度がある数値範囲内にある節点を排除することができるようにしておくことが好ましい。

また、エクセル（商品名）のような一般的なプログラムにおいて利用できる疑似乱数生成機能（ＲＡＮＤ）を使用して、節点をランダムに間引くことも可能である。例えば、節点の数が１万であれば、ＲＡＮＤ関数により得られる０から１の間の疑似乱数に１００００をかけて、整数値を得て、間引くべき節点の番号とすることができる。残すべき節点数になるまで、この乱数の生成と節点番号の取得を繰り返せばよい。このとき、特徴点の抽出が既に行われており、特徴点抽出手段が特徴点とした節点については、間引きの対象としないこととすることができる。この処理は無作為節点抽出手段により実行される。

そして、間引きした残りの節点について、あるいは上記の間引き処理を行わずに全ての節点について、変形前後の距離を求めて、この距離がある範囲（第３範囲）外にある場合にその節点を削除することもできる。すなわち、変位が少ない場合には、スプリングバックに対する補償を行う必要性が小さいので、計算量を減らすために、計算の対象から除外するものであり、変位が大きすぎる場合にも、それは、メッシュ作成の際のアーチファクトや、何らかの異常点である可能性が高く、金型の曲面形状の設計に悪影響が出やすいので、排除するものである。なお、このとき、必要に応じて、上記の特徴点となった節点を削除の対象から除外することが行われる。これを行うのは、変位距離による節点削減手段である。

上記の特徴点抽出処理と、無作為節点抽出処理と、変位距離による節点削減処理は、いずれか一または二のみ実施することでもよいし、また、全て実施することもできる。また、第１範囲と第３範囲は、設計者が任意に設定できるものであるが、一般に、第１範囲は、３０度から１５０度、あるいは６０度から１２０度、第２範囲は１０μｍから１０ｍｍ，１０μｍから１ｍｍあるいは１００μｍから１０ｍｍといった値をとることが標準的であろう。第１範囲についていえば、０度または１８０度、第３範囲についていえば、ゼロを含めることも可能である。他方、第２範囲については、一般にどのような値をとるべきかの指標はない。このような間引きの結果、見込み計算の対象となる節点の数は、例えば、１万から５万程度から、１０００から１万程度に減少させることができる。そして、このような間引きの利点は、もとの金型の曲面構成に変化を及ぼすことなく、計算時間を削減できる点である。一般的に、金型はいくつかの曲面からなる構造を採用して作成し、それぞれの曲面は複雑なものとなるが、そのような曲面構造を保存したままで、計算時間が削減でき、さらに、試行結果がよくなくても、いったん行った作業を全てやり直すことなく、閾値などの変更により再試行を行うことが簡単にできる。

そして、間引きした後に残った節点について変形前後の節点の位置的な変位をとらえて、反転ベクトル生成部１１０により、変位ベクトルを１８０度反転することにより、反転ベクトルを一旦生成し（Ｓ１１４）、見込みベクトル生成部１１２により、それに所望の変更を加えて、最終的な見込みベクトルを得る（Ｓ１１６）。残った節点について、変形前後の節点の移動距離が計算される。これをベクトル２６としてとらえると、それに対して逆方向で計算された移動距離にある係数を掛けて得られる大きさを有する見込みベクトル２８を求めることができる。図３（ｂ）においては、この見込みベクトルの終端となる仮想節点２９を中空の丸で示している。

この図３（ｂ）に示した変位ベクトル２６から見込みベクトル２８の求め方は、図４（ａ）に示すように、変位ベクトル２６の向きを反転して、ある一定の係数、通常は０．５から１．５，好ましくは０．８から１．２の範囲にある値を有する係数をかけて得られるものである。

それ以外にも、変位ベクトル２６から見込みベクトル２８を求める方法については、次のようなものがある。図４（ｂ）には、解析モデル２０の節点と、該節点に対応する変形モデルの変位節点２７から金型曲面の法線ベクトル方向に変形位置２９を作成することで見込みベクトル２８を求める方法の概念を示す。このとき変位ベクトル２６と見込みベクトル２８の大きさは、通常、ある大きさを有する係数によって関係付けることができる。図４（ｃ）には、同様に、指定した任意平面の法線方向と解析モデル２０の節点に対応する変形モデルの変位節点２７の逆方向とのなす角度を反転して変形位置２９を作成することで見込みベクトル２８を求める方法を示す。これは、金型曲面の曲率が大きいか不規則で、法線がうまく規定できない場合に有効である。図４（ｄ）には同様に、元の金型曲面（または金型メッシュ）の法線方向と解析モデル２０の節点に対応する変形モデルの変位節点の逆方向とのなす角度を反転して変形位置２９を作成することで見込みベクトル２８を求める方法を示す。図４（ｂ）〜（ｄ）に示した方法は、例えば、次に図５を参照して示すような場合に有効である。

図５には、初期設計に基づく金型曲面５５の例とその金型により得られたプレス成型品の形状５６を示す。初期設計に基づいた金型曲面５５は、最終的に求められるプレス成型品の形状をなぞるものである。ところが、弾性の強い鋼板の形状５６は、プレス機から取り出すと、スプリングバックにより金型の形状５５から大きく離れてしまう。本発明による見込みモデルに基づく金型５７によれば、このスプリングバックを見込んだために、プレス圧力を取り去った後の成型品の形状５８を最終的に求められる成型品の形状に近いものとすることができる。

しかし、図５（ａ），（ｂ）に示すような場合、図５（ｃ）に詳細を説明するように、変位ベクトル２６を単に反転すると反転ベクトル２８’が生成されるが、これにあわせて曲面形状を見込むと、本来、仮想的においた回転中心である点５９の周りに回転するように、点２９で終わる二点鎖線で示したような形状に金型表面が変形されるべきであるのに、節点２４は、反転ベクトル２８’によって点２９’の位置に置かれてしまう。つまり、理想的な位置２９と単なる反転ベクトルに基づいて得られる位置２９’の間にギャップａが生じる。したがって、図４（ｂ）に示すように、金型曲面の法線方向に見込みベクトルを向けたり、図４（ｃ）に示すように、任意に指定した平面の法線方向に線対称になるように反転ベクトルを移動したり、図４（ｄ）に示すように、金型曲面の法線方向に選定証になるように反転ベクトルを移動するという手法により、このようなギャップａを小さくする工夫が必要になる。

図６（ａ）には指定した任意の基準点３１と解析モデルの節点２４に対応する変形モデルの変位節点２７から構成される平面内で、変位節点２７とある任意に設定できる基準点３１のなす角度を反転して変形位置２９を作成することで見込みベクトル２８を求める方法を示す。この方法は、図６（ｂ）に示すような場合、特に、以下により詳細に説明する射出成型時の反りを補正する見込み金型の作成時に有効である。変位ベクトル２６を単に反転したのでは、図５において説明したように金型があるギャップ分だけのびてしまうことになる。そこで、ある任意に設定した基準点３１を中心として変位節点２７から変位ベクトル２６の大きさにある係数をかけた距離だけ、節点２４を回転させて、見込み金型の節点２９とする。

さらに、設計者が見込みベクトル２８を作用させない金型部分を指定できるようにして、それをこの段階で考慮に入れることも可能である（Ｓ１１７）。すなわち、節点あるいは曲面の位置を意図的に固定する部分を指定する拘束条件１３２を入力できるようにする。この拘束条件１３２は、金型の初期設計の段階で指定して、入力しておくことができる。

ついで、処理対象として曲面またはメッシュのどちらかを選択することができる（Ｓ１１８）。すなわち、以後の処理を、曲面を基準に行うか、あるいは、メッシュを基準に行うかを選択することができる。

曲面を基準に処理を行うことを選択した場合には、記憶手段１６に格納してある金型曲面形状、間引き後の節点を用いて作った見込みベクトル２８、固定したい部位を指定した拘束条件に基づいて、見込みベクトル２８の分だけ、金型曲面の形状を変化させた見込み曲面形状を作成する。これを実行するのが見込み曲面形状処理部１１６である（Ｓ１２０）。この見込み曲面形状は表示部１８の画面上に表示することにより（Ｓ１２２）、設計者がその状態を確認することができる。

また、メッシュを基準に処理を行うことを選択した場合には、記憶手段１６に格納されている変形前後の解析モデル２０，２５を用いて、間引いて残った節点について作成した見込みベクトル２８と上記の拘束条件１３２を考慮して、見込み解析モデル３０を作成する（Ｓ１３０）。これは、見込み解析モデル生成処理部１１４により行われる。このとき間引かれた節点については、残っている節点につれてそのまま移動する曲面上にあるものとみなして処理することができる。したがって、このメッシュ基準の処理の後に生成される見込み解析モデル３０は、間引き前と同じ数の節点があるような形で生成される。この見込み解析モデル３０も表示部１８の画面上に表示することにより（Ｓ１３１）確認することができる。

作成された解析モデルの合否判断後の処理は、見込み曲面形状処理の場合と、見込みメッシュ形状処理の場合では異なる。すなわち、見込み曲面を生成処理後の合否を判定した結果（Ｓ１２４）、合格ということであれば、処理を終了して、作成されている見込み曲面を金型形状として採用する。不合格である場合、再度解析ソルバー部で条件を変更し、あるいは、必要に応じて、暫定的に採用した初期曲面形状を変更した後に、再度解析を行い、新しい条件設定で処理した解析モデル２５を用いて見込み曲面形状を生成する。この合否判断は、いくつかの基準を満たすか否を判定することにより行うことができる。例えば、見込み曲面形状を有する金型を用いてプレス成形した際に計算上得られる変形後の解析モデル２５が、入力された設計製品形状に対してある一定の誤差の範囲、例えば、１０μｍまたは５０μｍ程度の誤差の範囲に入っていることを基準に行うことができる。さらに、できた金型形状を見て、折れ目、段差、異常な突起などがなくスムースな曲面が得られていることを目視により確認することによっても判定することができる。

見込みメッシュ形状処理の場合には、条件の再設定が必要かを判定する（Ｓ１３２）。この判定は、いくつかの方法で行うことができる。例えば、得られた見込みメッシュ形状を利用して、上述の解析のための各ステップを再度行してみて、その結果が十分に収束しているか、すなわち、再試行の結果である新たな見込みメッシュ形状が元の見込みメッシュ形状と大きく異ならないことを確認することにより行うことができる。条件を変えた再度の解析が必要であると判断される場合には、解析ソルバー部で条件変更などを行い、上記の各ステップを繰り返す。このような条件変更は、対象製品の全体にわたって行うこともできる一方、その一部分に対して行うこともできる。また、見込み曲面形状を有する金型を用いて計算上得られる変形後の解析モデル２５が、入力された設計製品形状に対してある一定の誤差の範囲にあることを確認することにより合否の判断を行うことも可能である。さらに、メッシュ形状に不連続箇所や異常な突起など矛盾が生じていないかを目視により判断することも好ましい。最終的には見込みメッシュ形状が得られるが、これに基づいて、金型用の見込み曲面形状を得て、出力結果とする。

このような判定を助けるために、見込み形状表示処理部１１８を設けて、見込みメッシュ形状を表示することが好ましい（Ｓ１３１）。このとき、見込みメッシュ形状の収束の状態がある閾値以内にあるかどうかや、目標とする製品形状と得られた金型形状に基づいて解析した製品の形状が設定した誤差の範囲にあるかどうかを色分けして表示することにより、設計者の判断が容易になる。

なお、本発明に係る見込みモデル生成装置は、別途見込みベクトル変更手段（図示しない）を備えるように構成することもできる。見込みベクトル変更手段は、表示手部１８に表示された見込み曲面あるいは解析モデルに基づいて見込みベクトルの生成方法や利用する係数を変更することができるようにするものである。ここで、見込みベクトル変更手段は、各節点またはある領域における多数の節点を選択し、選択された節点について見込みベクトルの作成方法や適用する係数を変更することができるようにするものである。

従来、スプリングバック解析の結果を見て、金型断面を複数作成した後、該当する曲面を作成し直していた。一般に、金型は多数の複雑な曲面からなっており、個々の曲面のデータを変更するだけではすまず、複数の曲面を全て新たに作り直すこととなっていた。本発明によれば、解析前後の節点データを間引くことにより、複数に分けざるを得なかった曲面を一つのものとして解析することにより、元の金型の曲面構成を多くの場合に変えることなく再構築することができる結果となる。したがって、必要な部位の精度は５０ミクロン以下で、従来の方法に比べて、例えば、４０分の１程度の時間で金型の設計ができるようになる。また、うまくいけば、本発明の方法と装置のみでより大きな連続な曲面を生成できるため、モデル生成結果をそのまま金型の製作加工に用いることが出来る可能性が大きくなる。

次に、本発明を射出成型時に生じる反りを補正する金型作成に適用する場合について図１から図３と、図６を参照しつつ説明する。射出成形を行うと、金型から取り出した後、樹脂の冷却と固化による応力が生じて、成型品に反りが生じる。このような反りの一例を図６（ｂ）に示す。このような反りを見込んだ金型を作成する。

金型を用いて製造する製品の形状情報および条件データを得て、金型構造とその曲面形状の初期設計を行う。その後、条件データや初期設計データが、見込みモデル生成装置１０に入力手段１４から入力される。金型の初期設計の形状情報は、例えば、ＣＡＤシステムや数式等を用いた形状データである。また、条件データとしては、例えば、製品の物性データや射出成形における温度、圧力、処理時間がある。物性データは、例えば、対象物の比熱、熱伝導率、ヤング率、ポアソン比である。記憶手段１６は、受け付けられた形状情報と射出条件を示す条件データとを記録する（Ｓ１０２）。

解析モデル生成手段１０２は、入力された形状情報から金型の初期設計に基づく表面形状を得て、その表面形状を微小要素に分解して複数の節点を有する解析モデルを生成する（Ｓ１０６）。解析モデルの一例のごく一部を図３（ａ）に示す。

ソルバー部１０４は、解析モデルおよび条件データに基づいて変形解析を実行し、金型から外したときの成型品の形状を表す変形モデルを生成する（Ｓ１０６）。この変形解析では、有限要素法等の数値演算解析を用いて流動解析を行う。例えば、変形解析は、まず、対象物の構成成分が金型内に充填される際における、各節点における圧力や温度の時系列データを取得する。次に、充填後の保圧・冷却過程において、圧力、温度、容積率の関係式から各微小要素の体積収縮率を取得して製品の変形量を算出する。ソルバー部１０４は、算出した変形量に基づいて製品の変形モデルを生成する。ここで、当然であるが、生成された変形モデルにおける節点数は、解析モデルにおける節点数と同数である。また、変形モデルにおける節点の配列順序は、解析モデルにおける節点の配列順序と同一である。このような変形解析は、例えば、樹脂解析ソフト ASU/Mold（商品名、株式会社先端力学シミュレーション研究所）またはそれと同等のプログラムを用いて実施することができる。

その後の節点の間引き処理（Ｓ１１２）や、見込みベクトルの生成（Ｓ１１６）、その後の処理については、鋼板のプレス成形について説明したものと同様であるので省略する。

本発明に係る見込み金型モデル生成装置と方法の実施例について説明する。本実施例では、図７に示す樹脂成型品６０（自動車用ドアミラーステイ）の見込み金型モデルを生成する。 まず、形状設計図に基づき、金型の設計者は、精度とコスト、安全性を加味して金型構造を検討し、決定する。そして、金型の１次的な曲面形状を決定する。次いで、ＣＡＤシステムを用いて金型の表面形状を作成する。図７（ａ）は樹脂成型品６０の表面形状の正面図、図７（ｂ）はその側面図を示す。

次に、本実施例において、金型の表面形状を微小要素に分解して解析モデルを作成した。続いて、解析モデルから変形モデルを作成して解析モデル上の各節点と変形モデル上の各節点とを対応付け、変位ベクトルを求めた。なお、図７（ａ）においてａおよびｂで指定した範囲に囲まれた領域のみについて見込みベクトルを生成し、それ以外の領域については見込みベクトルを求めない拘束領域とした。これは、例えば、車体に取り付ける部分であるといった、寸法の変動が望まれない部分である。

なお、本実施例では、節点の間引き処理を実行し、見込みベクトルを求める節点の数を減少させた。具体的には、無作為節点抽出を用いて解析モデル上の節点を抽出した。これらの間引き処理により、見込みベクトルを算出する節点の数を２４４０１個から６４００個に減少させた。樹脂温度２８０℃、樹脂材質N252-U3Cを想定した。

次に変位ベクトルから見込みベクトルを求め、拘束領域以外の領域において節点の変位ベクトル量および見込みベクトル量を求めた。図８（ａ）に、その結果得られた、成型品の側部における変位ベクトル量および見込みベクトル量に基づいた見込み金型の形状を示す。基本的に、見込みベクトルは範囲ａと範囲ｂに囲まれた領域のみについて求めたが、境界領域においては、金型の連続性の要請から、見込み金型の形状は変位ベクトルを単に反対にしたものとはなっていない。

続いて、このようにして得られた見込み金型の形状に基づいて、得られるであろう成型品の形状を求めた。図８（ｂ）に、図８（ａ）の見込み金型により製造されると得られるであろう成型品の形状を解析した結果を示す。初期設計の金型を用いて製造すると３．５ｍｍ程度の反りが生じるが、見込み金型を用いると反りは０．７ｍｍに収まっていることが看取できる。

本発明に一実施形態に係る見込みモデル生成装置の全体構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係る見込みモデルを生成する方法のフローチャートである。 （ａ）解析モデルにおける微小領域および節点を示す説明図である。 （ｂ）変位ベクトルおよび見込みベクトルを示す説明図である。 （ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）は、変位ベクトルからどのように見込みベクトルを求めるかを示す説明図である。 図４の見込みベクトル生成方法を必要とする理由を示す説明図である。 （ａ）角度を反転して変位ベクトルから見込みベクトルを求めることを示す説明図である。 （ｂ）図６（ａ）の方法を必要とする理由を示す説明図である。 本発明の実施例の対象となる製品の形状を示す正面図と側面図である。 （ａ）本発明に係る実施例において算出された解析結果を示すグラフである。 （ｂ）本発明に係る実施例により製造された製品の形状を示すグラフである。

符号の説明

１０ 見込みモデル生成装置
１４ 入力手段
１６ 記憶手段
１０２ 解析モデル生成部
１０４ ソルバー部
１０６ 変位ベクトル算出部
１０８ 節点間引き処理部
１１０ 反転ベクトル生成部
１１２ 見込みベクトル生成部
１１４ 見込み解析モデル生成処理部
１１６ 見込み曲面生成処理部
１１８ 見込み形状表示処理部

Claims (15)

1. 金型の形状情報および条件を示す入力データを入力手段が受け付けるステップと、
   前記形状情報に基づく金型の表面形状に対応する複数の微小要素と節点からなる変形前の解析モデルを演算手段が生成するステップと、
   前記解析モデルおよび前記条件に基づいて変形解析を実行し、金型から取り出された後の変形後の解析モデルを演算手段が生成するステップと、
   前記変形前の解析モデルおよび前記変形後の解析モデルに基づいて、全節点または全節点数より少ない数の節点について変位ベクトルを演算手段が算出するステップと、
   前記変位ベクトルを１８０度反転させて反転ベクトルを演算手段が求めるステップと、
   該反転ベクトルに一定の処理を行って見込みベクトルを演算手段が算出するステップと、
   該見込みベクトルに基づいて金型の見込みモデルを演算手段が生成するステップと
   を含む金型の見込みモデル生成方法。
2. 前記変位ベクトルの算出に先立って、演算手段が前記解析モデル上の節点を間引く間引きステップをさらに含む請求項１に記載の見込みモデル生成方法。
3. 前記間引きステップが、前記解析モデル上のある節点から当該節点と反対方向に隣り合う２つの隣接節点を結ぶ２線分がなす角度を求め、該角度が所定範囲内である場合に、当該節点を特徴点とし、該角度が所定範囲外である場合に当該節点を間引きの対象とする特徴点抽出ステップを含む請求項２に記載の見込みモデル生成方法。
4. 前記間引きステップが、所定数の節点をランダムに無作為抽出する無作為節点抽出ステップを含む請求項２に記載の見込みモデル生成方法。
5. 前記間引きステップが、変形前後の対応する節点の変位が所定値以内である節点を間引く変位距離による節点削減ステップを含む請求項２に記載の見込みモデル生成方法。
6. 演算手段が前記見込みモデルから見込み曲面を生成するステップをさらに含む請求項１〜５のいずれかに記載の見込みモデル生成方法。
7. 見込みベクトルの生成を行わない拘束領域の指定を前記入力データが含む請求項１〜６のいずれかに記載の見込みモデル生成方法。
8. 金型の形状情報および条件を示す入力データを受け付ける入力手段と、
   前記形状情報に基づく金型の表面形状に対応する複数の微小要素と節点からなる変形前の解析モデルを生成する解析モデル生成部と、
   前記解析モデルおよび前記条件に基づいて変形解析を実行し、金型から取り出された後の変形後の解析モデルを生成するソルバー部と、
   前記変形前の解析モデルおよび前記変形後の解析モデルに基づいて、全節点または全節点数より少ない数の節点について変位ベクトルを算出する変形前後の差異分析処理部と、
   前記変位ベクトルを１８０度反転させて反転ベクトルを算出する反転ベクトル生成部と、
   該反転ベクトルに一定の処理を行うことにより見込みベクトルを算出する見込みベクトル生成部と、
   該見込みベクトルに基づいて金型の見込み解析モデルまたは見込み曲面を計算して、金型の見込み形状データを得る見込み解析モデルまたは見込み曲面の生成処理部と
   を含んでなる金型の見込みモデル生成装置。
9. 前記変位ベクトルの算出に先立って前記解析モデル上の節点を間引きする間引き処理部をさらに備える請求項８に記載の金型の見込みモデル生成装置。
10. 前記間引き処理部が、前記解析モデル上のある節点から当該節点と反対方向に隣り合う２つの隣接節点を結ぶ２線分がなす角度を求め、該角度が所定範囲内である場合に、当該節点を特徴点として抽出し、該角度が所定範囲外である場合に当該節点を間引きの対象とする特徴点抽出手段を備える請求項９に記載の見込みモデル生成装置。
11. 前記間引き処理部が、所定数の節点をランダムに無作為抽出する無作為節点抽出手段を含む請求項９に記載の見込みモデル生成装置。
12. 前記間引き処理部が、変形前後の対応する節点の変位が所定範囲内である節点を間引く変位距離による節点削減手段を備える請求項９に記載の見込みモデル生成装置。
13. 前記見込み解析モデルから見込み曲面を生成する見込み曲面生成手段をさらに備える請求項８〜１２のいずれかに記載の見込みモデル生成装置。
14. 見込みベクトルの生成を行わない拘束領域の指定を前記入力データが含む請求項８〜１３のいずれかに記載の見込みモデル生成装置。
15. 請求項１〜７のいずれかに記載の方法をコンピュータに実施させるための命令を含んだコンピュータプログラム。

Images