JP3578864B2 - 射出成形機 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、射出成形機に関し、詳しくは、樹脂流動シミュレーションと組み合せて使用する射出成形機に関する。
射出成形機は、金型内部のキャビティと呼ばれる空間内にプラスチック等の樹脂を流し込んで製品を成形するものであるが、製品の仕上がり具合を左右する成形条件（射出速度等）の設定が専らオペレータの勘に頼っていたため、経験の浅いオペレータにあっては最適な成形条件を見つけにくいし、経験豊富なオペレータであっても金型を変更した場合には、程度の差こそあれやはりトライ＆エラーを繰り返さなければならないから、人手を介さずに最適な成形条件を設定できる使い勝手のよい射出成形機が求められている。
【０００２】
【従来の技術】
人手を介さずに最適な成形条件を設定できる従来の射出成形機としては、例えば、樹脂流動シミュレータと組み合わせたものが知られている。この樹脂流動シミュレータは、金型内部の任意位置（ノードとも言う）における樹脂の振舞い（「圧力−時間」や「流速−時間」等）を予測するもので、この予測結果を利用して上記の成形条件を設定する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の樹脂流動シミュレーションにあっては、金型内部の任意位置における樹脂の振舞い、具体的には、金型内部のキャビティ、ゲート、ランナ及びスプル（図１参照）部分における任意ノードの樹脂の振舞いしか予測していないため、金型以外（例えばノズルやシリンダ）の樹脂の振舞いがまったく考慮対象外となっていた。したがって、シミュレーション結果をそのまま成形条件に採用できず、多少なりともオペレータの経験と勘に頼った修正作業（いわゆる成形条件出し）を必要とするから、人手を介さずに最適な成形条件を設定するという点で未だ不十分であり、依然として解決すべき課題が残っていた。
【０００４】
そこで、本発明は、人手を介さずに最適な成形条件を設定できる使い勝手のよい射出成形機の提供を目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
（構成）
本発明は、射出成形の充填工程及び保圧工程における、金型の各部の樹脂流動をシミュレーションして前記金型のスプル部の圧力−時間線図を算出するシミュレーション手段と、該シミュレーション手段の結果に対して金型以外の部分で発生する流動圧力損失を加味した補正処理を施す流動圧力損失補正手段と、該流動圧力損失補正手段の結果に対して制御系遅れを加味した補正処理を施す制御系誤差補正手段と、を備えることを特徴とする。
【０００７】
（作用）
本発明では、射出成形機本体のシリンダは、従来、シミュレーション対象外となっていたため、従来に比べてシミュレーションの精度向上が図られる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
図１〜図１２は本発明に係る射出成形機の一実施例を示す図である。
まず、構成を説明する。図１において、１は射出成形機本体（以下、単に「本体」と略すこともある）である。本体１は、電気信号や油圧信号で与えられる“指令値”に応じた力を発生するアクチュエータ（一般に「油圧ラム」と呼ばれる）２と、アクチュエータ２の力をうけてシリンダ３の内部を移動するスクリュー４と、シリンダ３の内部に溶融状態のプラスチック等の樹脂を供給する樹脂供給源５と、金型６とを備えている。
【００１１】
金型６は、シリンダ３の絞り部分（以下「ノズル」と言う）７に連結されるスプル８と、このスプル８に、ランナ９やゲート１０を介してつながるキャビティ１１とを備えている。なお、金型によってはランナ９を備えない（ゲートとスプールを直接つなぐ）ものもある。また、ゲート１０はキャビティ１１からの製品の型離れをよくするためにできるだけ細く作られている。
【００１２】
ここで、射出成形機の成形条件は、樹脂を射出する際の「射出条件」と、製品が固まるまでの「保圧条件」とに分けられる。前者の射出条件は、その金型にどれだけの樹脂を流し込めばよいか（すなわち、スクリュー４をどれだけ前進させればよいか）という計量ストローク、スクリュー４の前進速度及びその速度の切り換え位置などである。また、後者の保圧条件は、速度の切り換え位置にも関係し、どれだけの圧力をどれだけの時間保持するかといった条件である。
【００１３】
図２はこれらの条件を最適に設定するとともに、それを“指令値”としてアクチュエータ２に出力するための射出成形機制御部１２（以下、単に「制御部」と言うこともある）の概略機能ブロック図である。
制御部１２は、シミュレーションデータ作成部１３、シミュレーションソルバ部１４、流動圧力損失補正部１５、制御系誤差補正部１６、成形条件チェック部１７、成形条件修正部１８、成形条件変換部１９、及び、成形条件出力部２０を備えており、本実施例では、これらの各部１３〜２０をネットワーク２１に接続されたワークステーション上にソフトウエア的に実現している。これは、後述の樹脂流動シミュレーションを行う際に、射出成形機の性能諸元データや樹脂材料の物性データ並びに金型各部の形状データ（三次元ＣＡＤデータを利用できる）などを、ネットワーク２１上の射出成形機データベース２２、樹脂材料データベース２３及び三次元ＣＡＤシステム２４などから取得できるからである。なお、上記各部１３〜２０を射出成形機本体１の内部に組み込んでも構わない。また、制御部１２と射出成形機本体１との間をネットワークや通信回線で結ぶと、本体１を遠隔制御できるようになるから好ましい。
【００１４】
次に、作用を説明する。図３は本実施例における“指令値”、すなわち制御部１２の出力特性（「圧力−時間」特性）を示すグラフである。図３において、縦軸はアクチュエータ２の圧力（Ｐｃ）、横軸は時間（Ｔａ）である。便宜的にＶ−Ｐで識別した破線より前が射出ゾーン（Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｚｏｎｅ ）、後ろが保圧ゾーン（Ｐａｃｋｉｎｇ Ｚｏｎｅ）である。
【００１５】
図３の特性線によれば、射出ゾーンでは時間の経過とともにＰｃの増加率と極性が変化し、保圧ゾーンではある時間だけある大きさにＰｃを保持し、その後、ある時定数でＰｃをゼロに戻しているが、これは、説明のための便宜的なものであり、特別な意味はない。実際には、上述の射出条件や保圧条件によって様々な特性になる。
【００１６】
図４、図５は制御部１２で実行される概略処理フローであり、上記各部１３〜２０を具体化したものである。以下、各処理ステップ順にその動作を説明すると、このフローでは、
〔ステップ３０〕
まず最初に、シミュレーションデータ作成部１３で、金型の三次元ＣＡＤデータを取り込み、シミュレーションに必要なデータを作成する。図６は作成データの概念図である。図６（ａ）は元になる三次元ＣＡＤデータ（以下「元データ」と言う）、図６（ｂ）は元データにＸ・Ｙ・Ｚ軸方向のメッシュを加えた三次元メッシュデータ、図６（ｃ）は元データにＸ・Ｙ軸方向のメッシュを加えた二次元メッシュデータ、図６（ｄ）は二次元メッシュデータに境界情報と高さ情報を加えた混在メッシュデータである。メッシュ構造、ブロック構造及びそれらの混在構造を持つデータを作成するため、特に、厚肉部分の影響をシミュレートするのに好適である。厚肉方向にもノードがあり、三次元的に広がる流れは、従来の解析仮定から外れるため、解析精度が低かったが、それがシミュレートできる。
〔ステップ３１〕
次に、シミュレーションソルバ部１４で、『等温度（金型、樹脂）、非圧縮、ニュートン流体の射出充填シミュレーション』（以下「第１のシミュレーション」と言う）と、『非等温度（樹脂のみ、金型は等温）、非圧縮、非ニュートン流体の射出充填シミュレーション』（以下「第２のシミュレーション」と言う）を実行する。
【００１７】
第１のシミュレーションでは、次に述べるアルゴリズムにより、等ポテンシャル流れのシミュレーションを可能にする。また、第２のシミュレーションでは、樹脂の粘度、温度、圧縮性、金型形状変化、金型温度などを考慮したシミュレーションを可能にする。
図７、図８、図９は、第１のシミュレーションのフロー図（図７）、流路モデル図（図８）及び時刻ｔおけるメルトフロント位置のノード概念図（図９）である。
【００１８】
第１のシミュレーションでは、全射出容積を一定の容積で分割し（図８のＭ１〜Ｍ８参照）、時刻ｔにおける流動先端のノードを求め（図９のＭ１〜Ｍ８参照）、各ノードにおける断面積（図８のＡ１、Ａ２、Ａ３参照）の比に応じて流量を比例分配することにより、等ポテンシャル流れのシミュレーションを可能にする。
【００１９】
すなわち、図７において、時刻ｔを初期化し（ステップ３１ａ）、時刻ｔにおけるメルトフロントの全てのノードを抽出し（ステップ３１ｂ）、抽出した各ノードにおける流路モデル（図８のＭ１〜Ｍ８参照）の断面積を求め（ステップ３１ｃ）、各ノードにおける流動中心速度を求め（ステップ３１ｄ）、さらに、時刻ｔ＝ｔ＋Δｔにおけるメルトフロントを求める（ステップ３１ｅ）という各処理を、流路モデルの全ての境界面について繰返し実行している（ステップ３１ｆ）。
【００２０】
ここで、各ノード断面に作用する力Ｆ_ｉ は、次式▲１▼で与えられる。
Ｆ_ｉ ＝ＰＡ_ｉ ＝ｋγ_ｉ ………▲１▼
Ｐは係数（等ポテンシャル流れのため各ノードで同じ値；但し時刻によって変化する）、Ａ_ｉ はノード断面積、ｋは材料による比例定数、γはせん断変形量である。
【００２１】
今、ｉを単位時間とすると、
γ_ｉ ＝ｕ_ｉ ………▲２▼
となり、これより、図９の各ｕ_ｉ （ｕ１、ｕ２、ｕ３、……）が得られるから、第１のシミュレーションでは、
ｕ_ｉ ／ｕ_ｊ ＝Ａ_ｉ ／Ａ_ｊ ………▲３▼
の関係、すなわち、等ポテンシャルの影響が考慮されることになる。
【００２２】
なお、メルトフロント位置とは、射出工程の任意の時刻において、キャビティ内を充填した溶融樹脂と空間との境界線のことを言う。簡単に言えば、どこまで充填したかを示すものである。
また、等ポテンシャル流れとは、流れている溶融樹脂の内部ではパスカルの原理が働くため、その流速がどの点でも一定であると言う原則のこと。但し、ある時刻の次の時刻において、その圧力エネルギが流動エネルギとなって流動していくものと仮定する。流そうとする内部エネルギは、メルトフロント表面で一定であるが、一般にメルトフロントのそれぞれの位置における断面積が異なるため、断面積の広い部分（表面張力の低くなるから）で流れやすく、断面積の狭い部分で流れにくくなるという現象がある。等ポテンシャル流れをシミュレートすると、この現象を直接表現できるため、解析精度が向上する。
〔ステップ３２及びステップ３３〕
次に、流動圧力損失補正部１５で、第１及び第２のシミュレーションの結果に対して所定の補正処理を施す。この補正処理は、シミュレーション結果に金型６以外の部分（特に、スプル８−シリンダ３間）で発生する流動圧力損失（流動損失及び入口損失）を加味するというもので、具体的には、スプル８の先端圧力と時間のプロファイルをシリンダ３の射出圧力と時間のプロファイルに変換するというものである。
【００２３】
今、スプル８の先端圧力をＰｓ、シリンダ３の射出圧力をＰｍとすると、Ｐｓは、上述の第１及び第２のシミュレーションの結果（解析結果圧力）に相当し、ＰｍとＰｓの間の流動圧力損失ΔＰ_Ｌ は、
ΔＰ_Ｌ ＝弾性圧力損失＋粘性圧力損失 ………▲４▼
となり、このΔＰ_Ｌ を打ち消すためにΔＰ_Ｌ と同等の外力が必要になる。
ここに、
粘性圧力損失＝キャビティ流動に必要な圧力＝解析結果圧力 ………▲５▼
であるから、

となり、弾性圧力損失と入口損失は等値であるので、入口損失を
入口損失＝Ｃτ^ｍ ………▲７▼
とすると、シリンダ３の射出圧力Ｐｍは、次式▲８▼で表すことができ、「スプル先端圧力Ｐｓ−時間ｔ」プロファイルを、「成形機射出圧力Ｐｍ−時間ｔ」プロファイルに変換できる。
【００２４】
Ｐｍ＝Ｐｓ＋Ｃτ^ｍ ………▲８▼
但し、τはシリンダ〜（ノズル）スプルに流入する際の溶融樹脂内に発生するせん断応力、Ｃ、ｍは材料定数である。材料定数（Ｃ、ｍ）は、樹脂材料データベース２３に登録済の樹脂材料の動粘度測定データを利用する。
〔ステップ３４〕
次に、制御系誤差補正部１６で、「成形機射出圧力Ｐｍ−時間ｔ」プロファイルに制御系遅れを付加するという補正処理を施す。この補正処理は、射出成形機の予想される制御遅れを解消するのに必要なポテンシャルエネルギ分を求め、このポテンシャルエネルギ分を上記「成形機射出圧力Ｐｍ−時間ｔ」プロファイルに付加するというものである。なお、必要なポテンシャルエネルギ分は、射出成形機データベース２２や樹脂材料データベース２３を利用して求める。例えば、樹脂材料データベース２３からノズル径、樹脂種類、樹脂温度、成形機ゲインなどのデータを取り出し、これらのデータから時刻ｔ_０ で圧力Ｐ_０ を通過する波形（解析圧力波形）を求め、この波形を用いて圧力データ（実成形圧力波形）を修正し、遅れを補正した補正圧力波形を生成してもよい。
〔ステップ３５及びステップ３６〕
次に、射出成形機本体１のタイプ（圧力プロファイル追従成形タイプであるか否か）を判定し、当該タイプでない場合には、成形条件変換部１８で任意段数の「射出流量−ラム位置」線図に変換し、当該タイプの場合には変換を行わない。
〔ステップ３７及びステップ３８〕
次に、成形条件チェック部１７で、圧力プロファイルの最大圧力Ｐｍ_ｐｅａｋと射出成形機の最大射出圧力Ｐ_ｍａｘ とを比較し、Ｐｍ_ｐｅａｋがＰ_ｍａｘ を超過している場合には、これまでに求めた成形条件が不適切であると判断して、圧力プロファイルを修正処理した後、ステップ３１以降を再実行する。
【００２５】
図１０はＰｍ、Ｐｓの各波形とＰ_ｍａｘ との関係を示す図であり、図１０（ａ）はＰｍ_ｐｅａｋがＰ_ｍａｘ を超過している場合（チェック結果がＮＧの場合）の図、図１０（ｂ）は超過していない場合（チェック結果がＯＫの場合）の図である。射出成形機の実際の射出圧力はＰ_ｍａｘ で頭打ちになるから、例えば、図１０（ａ）のハッチング部分の射出は無効になる。
【００２６】
なお、Ｐ_ｍａｘ は、必ずしも射出成形機の最大射出圧力である必要はない。例えば、射出成形機の最大射出圧力以下の任意の値に設定できるようにすると、剛性の低い金型の成形条件を設定できるようになるから好ましい。
〔ステップ３９〜ステップ４２〕
次に、保圧条件を決定する観測点を定義するとともに、その観測点における必要保圧力を算出し、さらに、初期保圧時間を算出した後、シミュレーションソルバ部１４で、樹脂の粘度、温度、圧縮性、金型の形状変化、金型の温度などを考慮した、『非等温度（樹脂及び金型）、圧縮性、非ニュートン流体の射出充填〜保圧〜冷却シミュレーション』を実行して保圧条件を設定する。
〔ステップ４３〜ステップ４９〕
次に、スプル部の「圧力−時間」線図を計算（前述のステップ３２参照）し、スプル〜シリンダ間の圧力損失を補正（前述のステップ３３参照）し、さらに、制御誤差を補正（前述のステップ３４参照）し、Ｐｍ_ｐｅａｋとＰ_ｍａｘ を比較（前述のステップ３７参照）してＰｍ_ｐｅａｋがＰ_ｍａｘ を超過している場合には、観測点における必要保圧力を修正し、一方、超過していない場合には、スプル〜シリンダ間の圧力損失と制御誤差を補正した「圧力−時間」線図（図１１参照）を、成形条件変換部１９で「ストローク−速度」（図１２参照）に変換し、成形機に出力して成形を開始する。
【００２７】
図１１は縦軸を速度、横軸を時間とする「圧力−時間」線図の例である。この例では、時間Δｔ１、Δｔ２、……の経過ごとに速度がΔｖ１、Δｖ２、……と変化する線図が描かれている。線図中のΔＳ１、ΔＳ２、……は、時間内の速度の積分値、すなわち、ハッチング部分の“面積”であり、射出成形機本体１のスクリュー４のストロークに相当する値である。
【００２８】
図１２は縦軸を速度、横軸をストロークとする「ストローク−速度」線図の例であり、線図中のΔｖ１、Δｖ２、……やΔＳ１、ΔＳ２、……は、図１１の同符号のものと対応している。
以上の実施例において、ポイントとなる事項は、次の各点である。
（１） シミュレーションソルバ部１４（発明の要旨に記載のシミュレーション手段に相当）は、金型６の各部（スプル８、ランナ９、ゲート１０及びキャビティ１１）と、射出成形機本体１のシリンダ３とを含めた樹脂流動シミュレーションを実行する。シリンダ３は、従来、シミュレーション対象外となっていたため、従来に比べてシミュレーション精度の向上を図ることができ、人手による調整作業（成形条件出し）を不要にできる。
（２） 「成形機射出圧力Ｐｍ−時間ｔ」プロファイルに制御系遅れを付加するという補正処理を施す制御系誤差補正部１６（発明の要旨に記載の制御系誤差補正手段に相当）を備える。これにより、射出成形機の予想される制御遅れを解消でき、射出成形の制御精度を向上できる。
（３） 圧力プロファイルの最大圧力Ｐｍ_ｐｅａｋと射出成形機の最大射出圧力Ｐ_ｍａｘ とを比較し、Ｐｍ_ｐｅａｋがＰ_ｍａｘ を超過している場合には、圧力プロファイルを修正する成形条件チェック部１７（発明の要旨に記載の成形条件チェック手段に相当）を備える。これにより、過大な指令値の出力を回避して、射出成形の失敗を未然に防止できる。
（４） （３）に関連して、射出成形機の最大射出圧力Ｐ_ｍａｘ を下げれば、剛性の低い金型の成形条件を設定できる。
（５） 射出成形機の指令値形式に対応した「ストローク−速度」線図を出力できる成形条件変換部１９（発明の要旨に記載の成形条件変換手段に相当）を備える。これにより、制御装置と射出成形機本体とを直接接続でき、インターフェイスを改善できる。
【００２９】
【発明の効果】
本発明によれば、従来に比べてシミュレーション精度の向上を図ることができ、人手による調整作業（成形条件出し）を不要にできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】金型を含む射出成形機本体の概念構成図である。
【図２】制御部の概念ブロック図である。
【図３】制御部の出力特性を示すグラフである。
【図４】制御部で実行される概略処理フロー（１／２）である。
【図５】制御部で実行される概略処理フロー（２／２）である。
【図６】作成データの概念図である。
【図７】第１のシミュレーションのフロー図である。
【図８】流路モデル図である。
【図９】時刻ｔおけるメルトフロント位置のノード概念図である。
【図１０】Ｐｍ、Ｐｓの各波形とＰ_ｍａｘ との関係を示す図である。
【図１１】「圧力−時間」線図である。
【図１２】図１１に対応する「ストローク−速度」線図である。
【符号の説明】
１：射出成形機本体
３：シリンダ
６：金型
８：スプール
１４：シミュレーションソルバ部（シミュレーション手段）
１６：制御系誤差補正部（制御系誤差補正手段）
１７：成形条件チェック部（成形条件チェック手段）
１９：成形条件変換部（成形条件変換手段）

Claims (1)

1. 射出成形の充填工程及び保圧工程における、金型の各部の樹脂流動をシミュレーションして前記金型のスプル部の圧力−時間線図を算出するシミュレーション手段と、
   該シミュレーション手段の結果に対して金型以外の部分で発生する流動圧力損失を加味した補正処理を施す流動圧力損失補正手段と、
   該流動圧力損失補正手段の結果に対して制御系遅れを加味した補正処理を施す制御系誤差補正手段と、
   を備えることを特徴とする射出成形機。

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