JP2007296816A - 成形条件の設定方法、プログラムおよび射出成形機 - Google Patents

Abstract

【課題】 製造・使用過程における各種条件のバラツキに対しても性能を維持することができ、かつ、計算負荷を減少させて、実用性の高い成形条件の設定方法を提供する。
【解決手段】 この発明は、射出成形解析と計算機支援による最適化手法の組み合わせを用いて目的性能を最適な値とするための成形条件の設定方法である。まず、事前に設計変数をサンプリングして射出成形解析を行い、各サンプリング点における目的性能の評価関数を近似する応答曲面近似式を求める。そして、この応答曲面近似式に基づいて、設計変数のバラツキを考慮したロバストな成形条件を設定する品質工学手法を用いて目的性能の最適解を求める。
【選択図】 図２

Description

本発明は、樹脂製品を射出成形法、射出圧縮成形法あるいは射出プレス成形法等によって製造する際の成形条件の設定方法に関する。

プラスチック部品の射出成形条件の選択においてCAE技術とCAO技術を組合せて最適条件を探索する技術が実用化されており、一定の成果を挙げている。しかしながら、製造・使用過程では材料特性や環境条件などのバラツキが必ず存在し、このような最適設計で求めた性能は必ずしも実現できない。

そこで、設計変数のバラツキを考慮したロバストな成形条件を設定する品質工学手法を用いて前記目的性能の最適解を求めることが考えられる。しかしながら、その計算量が膨大となり、一般のコンピュータ装置を用いた場合に膨大な時間を要するため、実用性が失われてしまう。

特開２００５−７８５９号公報

本発明は、前記事情に鑑みて為されたもので、製造・使用過程における各種条件のバラツキに対しても性能を維持することができ、かつ、計算負荷を減少させて、実用性の高い成形条件の設定方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、請求項１に記載の成形条件の設定方法は、射出成形解析と計算機支援による最適化手法の組み合わせを用いて目的性能を最適な値とするための成形条件の設定方法において、事前に設計変数をサンプリングして射出成形解析を行い、各サンプリング点における目的性能の評価関数を近似する応答曲面近似式を求める工程と、前記応答曲面近似式に基づいて、設計変数のバラツキを考慮したロバストな成形条件を設定する品質工学手法を用いて前記目的性能の最適解を求める最適化工程と、を有することを特徴とする。

請求項１に記載の発明においては、目的性能の評価関数を近似する応答曲面近似式に基づいて、目的性能の最適解を求める最適化工程を行うので、最適化工程においてその都度射出成形解析を行う必要が無く、計算量が大幅に減少し、従って、結果を得るための時間が短縮化される。

請求項２に記載の成形条件の設定方法は、請求項１に記載の発明において、成形不良が発生する設計変数の範囲を予め求め、これを前記最適化工程の範囲から除くことを特徴とする。

請求項２に記載の発明においては、成形不良が発生する設計変数の範囲において最適化を行って不適解を生成するという不具合を回避することができる。成形不良は、１）成形作業を阻害する工程不良、２）品質を損なう品質不良、３）双方に属するもの、が有り、例えば、キャビティ内を樹脂が完全に充填せずに終わる「ショートショット」は３）であり、製品の外観不良である「ヤケ」や「ウエルド」、「エアトラップ」、「ヒケ」、「反り」等は２）である。

請求項３に記載の成形条件の設定方法は、請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記目的性能を、型締力とすることを特徴とする。
請求項４に記載の成形条件の設定方法は、請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記目的性能を、成形サイクルとすることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の各工程を実行するプログラムである。
請求項６に記載の発明は、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の各工程を実行して得られた成形条件により、射出成形を行うことを特徴とする成形品の製造方法である。

請求項７に記載の発明は、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の各工程を実行するプログラムを収容した記憶媒体である。
請求項８に記載の発明は、射出成形機本体と、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の各工程を実行して得られた成形条件により、前記射出成形機本体を制御する制御部と有することを特徴とする射出成形機である。

請求項１ないし請求項８に記載の発明によれば、製造・使用過程における各種条件のバラツキに対しても性能を維持することができ、かつ、計算負荷を減少させて、実用性の高い成形条件の設定方法を提供することができる。

以下、図面を参照してこの発明の実施の形態を説明する。
この実施の形態では、射出成形過程を計算する数値解析と計算機支援による最適化手法の組み合わせにより、目的性能が最適となるようなバラツキを考慮したロバストな成形条件（設計変数）を求める。

以下、図面を参照してこの発明の実施の形態を説明する。
図１は、この発明の成形条件の設定方法を実施するための成形条件の設定装置（コンピュータ装置）１０であり、各種の演算およびデータ処理等を行う演算・制御部１１と、演算・制御部１１が実行する射出成形解析や最適化のプログラムを記憶するＲＡＭ等の第１記憶部１２と、演算・制御部１１がデータを記憶し、プログラムの実行領域ともなる第２記憶部１３と、データの入力を行うための入力部１４と、操作者に各種の出力を表示する表示部１５とを備えている。

この成形条件の設定装置が実行する工程を、図２のフロー図を用いて説明する。まず、ステップ１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形状モデルを作成する。樹脂製品として、例えば図３（ａ）に示すような長方形（縦横比＝４／５）平板状の部材を設定する。この形状モデルでは、平板の一隅部に長方形の開口部が形成されており、樹脂流れを不均一にしている。製品の厚み分布を図３（ｂ）に示す。モールドには、樹脂の注入口が、平板のほぼ中央部と、開口部に近い側端部のほぼ中央部に配置されている。各注入口には、射出機からの樹脂がホットランナー、テーパ付きスプルーを介して、あるいはさらにコールドランナーを介して、供給される。

次にステップ２において、目的性能を評価する評価関数を設定する。この実施の形態では、例えば型締力と成形サイクルを設定して多目的最適化を行う。型締力は、射出成形機の装置規模を示す指標であり、成形サイクルは装置の生産効率を示す指標であるので、いずれも小さい方が経済的に有利である。次に、ステップ３において、例えば、射出時間（it）と金型温度（mot）、樹脂温度（met）を設計変数として設定する。

次に、ステップ４において、射出成形解析ソフトを用いてサンプリング計算を行う。すなわち、設計変数を座標軸とする多次元空間において適当にサンプリング点を、例えば、図４に示すように、等間隔で設定し、それぞれの点における評価関数を算出するとともに、成形不良の発生の有無を判定する。この実施の形態では、射出完了前に樹脂温度が固化点に到達した場合にショートショットが発生すると判断するようにした。もし、他の成形不良を対象とする場合は、それぞれに対応する判定基準を採用する。

そして、ステップ５において、サンプリング点における成形不良の発生の有無を判断する。
もし、いずれのサンプリング点においても成形不良の発生が見られなかった場合は、ステップ６において、制約条件範囲内の全体の領域において、評価関数に関する応答曲面近似式を作成し、これを用いて、ステップ７において、設計変数のバラツキを考慮した設計変数設定による最適化工程を行う。そして、ステップ８において打ち切り条件に到達したか否かを判断し、打ち切り条件に到達したと判断される場合は、ステップ９においてその時の解を最適解とし、ステップ８において打ち切り条件に到達していないと判断される場合には、最適化ソフトのアルゴリズムに従って設計変数を変更し、ステップ７〜ステップ８の工程を打ち切り条件に到達するまで繰り返す。

一方、ステップ５において、サンプリング点における成形不良の発生が有った場合には、ステップ１０において、設計空間の分割を行う。これは、成形不良が発生した区分空間を取り除いた部分を、それぞれが各設計変数に関して連続な直方体状の空間となるように分割するものである。図５は、この過程を２設計変数の場合について説明したものである。この場合、矩形の設計範囲の中で成形不良が範囲Ｘにおいて発生したとすると、この範囲Ｘを取り除いた領域を範囲Ａと範囲Ｂの２つの領域に分割する。一方、図６は、この過程を３設計変数の場合について説明したものである。変数や発生空間が増えるほど、また、発生領域が空間の内部に有るほど、分割数は増える。

以下、図６の場合のように、設計範囲が３つの範囲Ａ，Ｂ，Ｃに分割された場合を例に採って、工程の説明を続ける。まず、ステップ１１において、範囲Ａについて評価関数の応答曲面近似式を作成し、これを用いて、ステップ１２において、設計変数のバラツキを考慮した設計変数設定による最適化工程を行う。そして、ステップ１３において打ち切り条件に到達したか否かを判断し、打ち切り条件に到達していないと判断される場合には、最適化ソフトのアルゴリズムに従って設計変数を変更し、以下、ステップ１２〜ステップ１３の工程を打ち切り条件に到達するまで繰り返すことにより、範囲Ａについて最適解を生成する。

次に、ステップ１５で、範囲Ａと同様の工程（ステップ１１〜ステップ１４）を範囲Ｂについて行い、範囲Ｂについて最適解を生成し、同様に、ステップ１６で、同様の工程（ステップ１１〜ステップ１４）を範囲Ｃについて行い、範囲Ｃについて最適解を生成する。次に、ステップ１７において、範囲Ａ，Ｂ，Ｃについての最適解を比較し、これらの中から最適解を選んで、これを全体の最適解とする。

図３に示す形状・寸法の樹脂を、材料として、ポリプロピレン樹脂である住友ノーブレンAZ564（商品名：住友化学株式会社製）を用いて成形する差異の成形条件を求めた。JIS-K7210に規定された方法で測定されるメルトフローレート（MFR）は30[g/10分，230℃]であり、比重は0.9である。
射出成形過程を計算する数値解析には、射出成形解析ソフトウエアであるMoldflow Plastics Insight version 5.0（商品名：Moldflow Corporation製）を使用した。
設計変数として、射出時間（it）と金型温度（mot）、樹脂温度（met）の3変数を選択した。設計変数に関する初期条件と制約条件を表１に示す。

確率変数はそれぞれ設計変数に対して設定し、３変数とした。バラツキはitに関しては、標準偏差0.1s、motとmetに関しては標準偏差0.5℃の正規分布とした。設計変数はTaylor一次近似を用いてバラツキを考慮した。信頼性制約条件は、型締力は5000t以下となる信頼性が3σ（99.7%）以上とし、成形サイクルは100s以下となる信頼性が3σ（99.7%）以上とした。
評価関数として、型締力の平均値（MCF）、型締力の標準偏差（SCF）、成形サイクルの平均値（MCT）、成形サイクルの標準偏差（SCT）の線形和を用いた。
(MCF+3SCF)/MCF0+(MCT+3SCT)/MCT0
成形サイクルは、射出時間（設計変数：it）と冷却時間（応答値）と製品取出し時間（固定値：10秒）の和とし、冷却時間は固化時間の最大値（ランナー部除く）とした。MCF0，MCT0はそれぞれ、初期条件における型締力と成形サイクルの平均値である。

なお、本実施例で用いた評価関数以外にも、プラスチック部品の重量や、反り量などを評価関数にしたり、充填バランス、ウエルド位置、パリ、ヒケ、ヤケ等の成形不良などの数値指標を評価関数や制約条件に設定したりすることができる。

また、本実施例ではショートショットの成形条件を排除し、最適化を行ったが、反り、ウエルド、エアトラップ、ヒケ、ヤケ等が発生する成形条件を排除する場合に適用してもよい。
反りについては、例えば、解析モデルの各節点毎に、内部応力を算出し、製品の反り量を算出し、反り量が予め設定した許容値を終えた場合の成形条件を排除対象とすることができる。

ウエルドについては、例えば、解析モデルの各節点毎に、フローフロント合流角を計算し、これに基づいてウエルドの発生を判定し、特定の領域にウエルドが発生した場合の成形条件を排除対象とするか、もしくは、特開２００５−００７８６０にあるように、特定領域内でのウエルド発生数（節点数）に対して、領域毎に設定された重み係数を掛けて足し合わせた値を評価値とし、評価値が予め設定した許容値を超えた場合の成形条件を排除対象とすることができる。

エアトラップについては、例えば、フローフロントによって囲まれた節点、もしくは金型壁面とフローフロントによって囲まれた節点をエアトラップ発生点とし、特定の領域にエアトラップが発生した場合の成形条件を排除対象とすることができる。もしくは、特定領域内でのエアトラップ発生数（節点数）に対して、領域毎に設定された重み係数を掛けて足し合わせた値を評価値とし、評価値が予め設定した許容値を超えた場合の成形条件を排除対象とすることができる。

ヒケについては、例えば、局所的に収縮率が大きい個所をヒケが発生した点とみなし、そのときの成形条件を排除対象とすることができる。また、ヤケについては、例えば、上記方法により、エアトラップ発生点を求め、エアトラップが発生する領域の大きさが予め設定した許容値を超えた場合の成形条件をヤケが発生する成形条件とし、排除することができる。
また、本実施例では、全ての目的性能に対する評価関数に対して、ロバスト性を考慮したが、必要に応じてロバスト性を考慮する評価関数を一部の評価関数のみに設定してもよい。

最適化手法として、Adaptive Simulated Annealing (ASA；解適応焼きなまし法)、応答曲面はRadial Basis
Function(RBF)近似モデル、品質工学手法としてSix Sigma Robust Design（DFSS）を使用した。

応答曲面近似式の作成の際は、設計変数毎にそれぞれ4水準合計64解析のサンプリングを実施した。サンプリング水準については、射出時間は1s、4s、7s、10sとし、金型温度は30℃、43.3℃、56.7℃、70.0℃とし、樹脂温度は180℃、200℃、220℃、240℃とした。分割した結果は、先に言及した図６の通りである。従って、この実施例では、図２に示すフロー図で、ステップ５からステップ１０へ飛ぶプロセスとなった。
図６の範囲Cに関しては、この実施例では、金型温度70℃の１水準のデータであるため、このままでバラツキを考慮するとショートショットが発生する範囲に入ってしまう。そこで今回のプロセスでは簡便化のために、探索領域から排除した。

各範囲におけるロバスト最適化結果を表２に示す。全体の評価関数は範囲Aにおける最適化結果が最も低い値を示した。

全体の設計範囲におけるロバスト設計の結果を表３に示す。なお、比較例として、応答曲面法を用いずに、毎回射出成形解析を実行する最適化結果についても示した。比較例の制約条件を表4に示す。

本手法により、全体の評価関数の値がRSMを使用しない最適化結果（約1.8）とほぼ同等の結果を得ることができた。また最適化時間をおよそ、0.032倍（64解析/2028解析）まで短縮することができた。

なお、上記の実施例では、領域Cのような１水準データの範囲は探索領域から排除したが、下記の方法を用いても良い。
１）分割された各範囲より設計変数のバラツキ等の分だけ広い範囲でサンプリング点を追加し、ショートショットの発生の有無を確認する。最終的にショートショットの発生が無い範囲で最適化を行う。
２）応答曲面近似式を作成する際に、予め設計範囲より設計変数のバラツキ等の分だけ広い範囲をサンプリング領域とする。そして、領域分割を行なった後、設計変数のバラツキ等の分だけ狭い範囲で最適化を実施する。
なお、これらの手法は、設計範囲のエッジの部分でも同様に採用可能である。

この発明の成形条件の設定方法は、例えば、設計者が特定の樹脂製品を成形する装置を設計する際に用いることができるが、さらに、稼動中の射出成形装置の制御を行うために用いることができる。図７は、例えば、複数の目的性能を最適化するように射出成形装置の制御を行うための装置の構成を示すもので、射出成形装置２０は、金型およびその付属装置、溶融樹脂注入装置等を備える成形機本体２１と、本発明の方法によって得られた最適解を記憶する記憶部２２と、この最適解および操作者の指示に基づいて成形機本体２１を制御する制御部２３とを有している。

操作者は、例えば、型締力と成形サイクルの優先度を示すデータを入力し、制御部２３は成形条件を表す最適解からその指示に沿った成形条件を選択し、成形機本体２１の各部を制御する。これにより、状況に応じた成形条件での運転を人手を煩わすことなく、行うことができる。なお、制御部２３において成形条件を表す最適解を求める計算工程を行うようにしてもよい。

この発明の成形条件の設定方法を実行するコンピュータ装置の構成を示す図である。 この発明の成形条件の設定方法を説明するフロー図である。 （ａ）は、この発明の実施の形態の製品の形状を説明するための図、（ｂ）は、製品をモールドするキャビティの厚さ分布を示す図である。 この発明の成形条件の設定方法の１工程を説明するための図である。 この発明の作用を説明するグラフである。 この発明の効果を説明するグラフである。 この発明の実施の形態の射出成形機を模式的に示す図である。

符号の説明

１０ 射出成形機
１１ 射出成形機本体
１２ 記憶部
１３ 制御部

Claims (8)

1. 射出成形解析と計算機支援による最適化手法の組み合わせを用いて目的性能を最適な値とするための成形条件の設定方法において、
   事前に設計変数をサンプリングして射出成形解析を行い、各サンプリング点における目的性能の評価関数を近似する応答曲面近似式を求める工程と、
   前記応答曲面近似式に基づいて、設計変数のバラツキを考慮したロバストな成形条件を設定する品質工学手法を用いて前記目的性能の最適解を求める最適化工程と、
   を有することを特徴とする成形条件の設定方法。
2. 成形不良が発生する設計変数の範囲を予め求め、これを前記最適化工程の範囲から除くことを特徴とする請求項１に記載の成形条件の設定方法。
3. 前記目的性能を、型締力とすることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の成形条件の設定方法。
4. 前記目的性能を、成形サイクルとすることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の成形条件の設定方法。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の各工程を実行するプログラム。
6. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の各工程を実行して得られた成形条件により、射出成形を行うことを特徴とする成形品の製造方法。
7. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の各工程を実行するプログラムを収容した記憶媒体。
8. 射出成形機本体と、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の各工程を実行して得られた成形条件により、前記射出成形機本体を制御する制御部と有することを特徴とする射出成形機。
   

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