JP2540233B2 - 金型の統合解析システム - Google Patents

金型の統合解析システム

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    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29CSHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C33/00Moulds or cores; Details thereof or accessories therefor
    • B29C33/38Moulds or cores; Details thereof or accessories therefor characterised by the material or the manufacturing process
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  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Moulds For Moulding Plastics Or The Like (AREA)
  • Injection Moulding Of Plastics Or The Like (AREA)
  • Extrusion Moulding Of Plastics Or The Like (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、金型の設計、調整、成形条件の設定等を行
うプラスチック成形金型の統合解析システムに関する。
(従来の技術) 従来より、プラスチック成形用の金型において、その
設計、調整、成形条件等を検討する際に、各種解析シス
テムが利用されている。
すなわち、金型内の溶融樹脂の流動挙動、同樹脂の温
度分布、圧力分布等を予測するために、金型内の樹脂流
路形状を微小要素に分割し、有限要素法、境界要素法、
差分法、FAN法等を含む数値解析法を使用して金型内の
溶融樹脂の流動解析を行う流動解析システム。また、金
型の強度(応力分布)、変形量等を予測するために、金
型を微小要素に分割し、有限要素法、境界要素法、差分
法等を含む数値解析法を使用して金型の構造解析を行う
構造解析システム等が、それぞれの状況に応じて個別に
利用されている。
(発明が解決しようとする課題) ところで、実際の成形状態での金型は、溶融樹脂の圧
力、温度分布による熱応力等で変形しているため、流動
解析では本来それらを考慮する必要がある。また、構造
解析においても、実際の成形状態での溶融樹脂の圧力等
を考慮する必要がある。
しかしながら、上記した従来の流動解析、構造解析で
は、これらの要素を考慮することなく、予め設定された
値によってそれぞれの解析を行っていることから、これ
らの解析結果を基に検討した金型設計、調整、成形条件
の設定は、最適な結果とは言えず、精度の悪いものであ
った。
本発明はかかる実情に鑑みてなされたもので、その目
的は、流動解析システムと構造解析システムとをリンク
することにより、成形状態での金型の流動挙動、変形
量、温度分布等を容易に且つ精度良く予測できる金型の
統合解析システムを提供することにある。
(課題を解決するための手段) 上記課題を解説するため、本発明に係わる金型の統合
解析システムは、プラスチック成形用金型の樹脂流路形
状を微小要素に分割し、有限要素法、境界要素法、差分
法、FAN法等を含む数値解析法を使用して金型内の溶融
樹脂の流動解析を行う流動解析システムと、プラスチッ
ク成形用金型を微小要素に分割し、有限要素法、境界要
素法、差分法等を含む数値解析法を使用して金型の構造
解析を行う構造解析システムとを備え、 前記流動解析システムにより出力される溶融樹脂の圧
力データを前記構造解析システムの荷重データとして構
造解析を行うことにより金型変形データを作成し、この
金型変形データによって前記流動解析システムの入力デ
ータである樹脂流路データを補正して再び流動解析を行
うようにしたものである。
(作用) 流動解析により出力される溶融樹脂の圧力データを構
造解析の荷重データとして解析を行うことにより金型変
形データを作成し、この金型変形データによって流動解
析の入力データである樹脂流路データを補正して再び流
動解析を行う。このような解析ループを繰り返し、例え
ば流動解析によって得られる圧力データの最大値を基準
とし、前回の流動解析によって得られた圧力データの値
との比較が一定の範囲内となったところで、統合解析を
終了する。
このような統合解析システムにより、金型の成形状態
における変形を考慮した溶融樹脂の流動挙動解析、成形
状態における溶融樹脂の圧力を考慮した金型強度、変形
量の解析等が容易に且つ精度良く実行され、成形状態に
おける金型の状態が予測できる。したがって、このよう
にして得られた解析結果(各変量)に基き、金型の設
計、調整、成形条件の設定等の最適化が可能となる。
(実施例) 以下、本発明の一実施例を図面を参照して説明する。
第1図は、本発明の統合解析システムの概略構成を示
し、流動解析システム1と構造解析システム2とをリン
クした構成となっている。
すなわち、流動解析システム1は、入力データとし
て、樹脂データ、成形条件データ、解析条件データ及び
樹脂流路データが与えられており、出力データとして、
流動挙動データ、樹脂温度データ及び圧力データが得ら
れるようになっている。
構造解析システム2は、入力データとして、荷重デー
タ、解析条件データ、拘束条件データ、金型形状データ
及び金型物性データが与えられており、出力データとし
て、変形量データ及び応力データが得られるようになっ
ている。
上記構成において、流動解析システム1による流動解
析を行うに当たって、入力データである金型温度データ
及び樹脂流路データは、初期設計値を適用する。そし
て、このような各入力データに基づき、流動解析システ
ム1による流動解析によって得られた圧力データを、構
造解析システム2の荷重データとして取り込み、この取
り込んだ圧力データと他の必要なデータとによって構造
解析を行い、変形量データと応力データとを得る。そし
て、構造解析システム2による構造解析によって得られ
た変形量データによって流動解析システム1の樹脂流路
データを補正する。流動解析システム1では、この補正
した新たな樹脂流路データに基づいて再び流動解析を行
い、圧力データを得る。そして、この圧力データを再び
構造解析システム2の荷重データとして取り込む。上記
の解析ループを必要回数繰り返すことにより、金型の統
合解析を行うようになっている。
ここで、流動解析システム1の入力データである樹脂
データとは、使用樹脂の粘度、比熱、熱伝導率、熱伝達
率等のデータのことであり、成形条件データとは、押出
量、流入樹脂温度、金型壁面温度、リップクリアランス
等のデータのことであり、解析条件データとは、解析の
ループをどのような条件で終了させるかといったデータ
のことであり、樹脂流路データとは、金型の樹脂流路を
微小要素に分割して定義した形状データ、および各要素
毎の金型壁面における温度分布データのことである。
また、構造解析システム2の入力データである荷重デ
ータとは、流動解析により得られる樹脂圧力値を面荷重
として定義したデータであり、解析条件データとは、解
析のループをどのような条件で終了させるかといったデ
ータのことであり、金型形状データとは、金型を微小要
素に分解して定義した形状データのことであり、金型物
性データとは、金型の材質、ボルトの材質、金型及びボ
ルトのヤング率、ポアソン比等のデータのことである。
また、拘束条件データとは、解析上、変位が0であるこ
とを定義するデータのことである。たとえば、上下金型
を締め付けるボルトを考慮したデータのことであって、
この締付ボルトは、その位置の節点を完全拘束点(すな
わち、解析結果より、締付ボルトの位置の拘束節点での
反力は、実際の締付力で十分締付可能な値であり、上下
金型が離れることがない。)として定義している。ま
た、リップ調整用ボルトは、ボルトの断面形状を考慮
し、圧力により線形変形する要素として定義している。
(具体例) 次に、上記構成の統合解析システムを、第2図
(a),(b)に示す形状の押し出しによるシート成形
金型に適用した場合の具体例について説明する。
金型は一般的なTダイを使用しており、図において、
符号3は金型本体、4はマニホールド、5はプリラン
ド、6はプレッシャマニホールド、7はランド(リッ
プ)、8は側板である。
このような形状の金型を用い、通常の成形条件にて成
形されたシート部材の厚み(吐出量)分布は、第4図に
示すように中央部分が厚く、両端部分が薄い肉厚形状と
なっている。この肉厚形状を、金型を修正することによ
り、中央部分の両端部分とで均一になるように、本発明
の統合解析システムを利用して検討を行う。
流動解析システムは、FAN法による数値解析により、
流体の運動方程式、連続の式、エネルギーの式を演算す
るものを使用し、金型内の樹脂流路を幅方向に50分割し
た総計350の微小要素に分割して定義した(第5図参
照)。そして、この流路モデルと使用樹脂データと稼働
中の押出条件データ及びその他解析に必要な条件データ
とを入力して実行した。
また、構造解析システムは、有限要素法による数値解
析による市販ソフト(MSC/NASTRAN)を使用した。ま
た、金型形状は、幅方向に54分割した総計4752の微小要
素に分割して定義した。そして、この金型形状モデルと
金型物性データと荷重条件データと拘束条件データ及び
その他解析に必要な条件データとを入力して実行した。
ただし、ここで使用した流路モデルの要素(節点)
と、金型形状モデルの要素(節点)とは対応が取れてお
り、また金型形状モデルのみの作成で流路モデルが定義
できるようになっている。
次に、第3図に示す動作フローチャートを参照して、
統合解析システムの動作を説明する。
まず初期値として成形前の金型寸法、稼働時の押出条
件、その他解析に必要なデータを入力する(ステップS1
1)。そして、次に流動解析システム1において流動解
析を行い(ステップS12)、この流動解析によって得ら
れた圧力データを構造解析の荷重条件とし、その他解析
に必要なデータを入力して構造解析を行う(ステップS1
4)。そして、構造解析によって得られた金型の変形量
から、流動解析の入力データである樹脂流路データの寸
法を補正し、再度流動解析を実行する(ステップS1
2)。このような解析ループを繰り返し実行する。そし
て、ステップS13において、流動解析により得られた圧
力データの最大値を、前回の出力された圧力データの最
大値と比較し、その差が1%以下となったところで安定
であると判別し、統合解析を終了した。
ステップS13によって判別される収束経過を第6図に
示す。今回の統合解析システムによれば、解析ループを
6回繰り返すことにって、圧力値の変化が1%以下とな
っている。そして、その最終での各変量が成形状態の各
値を示している。
なお、統合解析を終了するかどうかの判別は、ステッ
プS15において、構造解析によって得られた変形量デー
タが所定の値に収束するかどうかによっても行ってい
る。ただし、ここでは具体的な判別方法の明示は省略し
ている。
統合解析の結果、金型出口部での吐出量分布は、第7
図に示すように中央部が多く、両端部が少ないパターン
となり、第4図に示した実験データとほぼ同様のパター
ンとなっている。また、金型の変形量として、第8図に
示す吐出部の変形パターンを見ると、中央部が大きく、
両端部が小さいパターンとなっている。この金型変形パ
ターンより、中央部の流路の間隙が、両端部の流路の間
隙より広くなり、中央部により多くの樹脂が吐出するこ
とが分かる。
このような統合解析結果を基に、均一な吐出量となる
ように金型の修正仕様を検討(シミュレーション)し
た。その結果、マニホールド4から通じるプリランド5
の流路間隙を、若干切削(最大0.5mm)することによ
り、均一な吐出量になることが分かった。そして、その
修正を施して行った押出テストの結果、統合解析システ
ムで予測した通りの均一なシートが得られた。
(発明の効果) 本発明に係わる金型の統合解析システムは、流動解析
システムと構造解析システムとをリンクすることによ
り、成形中の金型状態を容易に且つ精度良く予測するこ
とが可能であることから、この統合解析システムを利用
することにより、金型の設計、調整及び成形条件の設定
等の検討が適切に且つ精度良く実施できるといった効果
を奏する。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明に係わる金型の統合解析システムの概略
構成図、第2図(a),(b)は本発明の統合解析シス
テムが適用されるシート成形金型の形状を示す平面図及
び断面図、第3図は同システムの動作を示すフローチャ
ート、第4図は通常の成形条件にて成形されたシート部
材の厚み(吐出量)分布を示すグラフ、第5図は樹脂流
路モデルを示す図、第6図は同統合解析システムによる
収束経過を示すグラフ、第7図は同統合解析システムに
よる金型出口部の吐出量分布を示すグラフ、第8図は同
統合解析システムによる金型出口部の変形量分布を示す
グラフである。 1……流動解析システム 2……構造解析システム

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】プラスチック成形用金型の樹脂流路形状を
    微小要素に分割し、有限要素法、境界要素法、差分法、
    FAN法等を含む数値解析法を使用して金型内の溶融樹脂
    の流動解析を行う流動解析システムと、 プラスチック成形用金型を微小要素に分割し、有限要素
    法、境界要素法、差分法等を含む数値解析法を使用して
    金型の構造解析を行う構造解析システムとを備え、 前記流動解析システムにより出力される溶融樹脂の圧力
    データを前記構造解析システムの荷重データとして構造
    解析を行うことにより金型変形データを作成し、この金
    型変形データによって前記流動解析システムの入力デー
    タである樹脂流路データを補正して再び流動解析を行う
    ようにしたことを特徴とする金型の統合解析システム。
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