JP3582930B2

JP3582930B2 - 射出成型品の製造方案

Info

Publication number: JP3582930B2
Application number: JP13310296A
Authority: JP
Inventors: 勇高橋; 敏夫内田; 祐恩田; 昌山部
Original assignee: Hitachi Ltd; Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1996-05-28
Filing date: 1996-05-28
Publication date: 2004-10-27
Anticipated expiration: 2016-05-28
Also published as: JPH09314307A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は鋳造品，樹脂などの溶融材料の射出成型において、欠陥のない高品質の製品を製造するための最適方案および溶融材料の最適射出条件などを数値解析により判定する方法に係り、特に金型内に溶融材料が流入する際の充填挙動の良否を数値解析結果から直接判断するための評価方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、溶融材料による射出成型において金型内への充填挙動の流動解析では、射出成型により成型される成型品および射出成型に使用する金型から流動解析を行うための微小要素に分割された形状モデルを作成し、差分法，有限要素法，境界要素法，ＦＡＮ法などの数値解析法を用いて、非圧縮性流体が満たすべき連続の式、および流体の運動方程式であるナビエ・ストークスの式、さらに流体の持つ熱エネルギーを評価するためのエネルギーの式などを基礎式として演算を行うのが一般的である。
【０００３】
溶融材料の金型内への充填挙動解析として流動解析と熱伝導解析を組み合わせた解析例（大塚他：鋳物６０巻第１２号（１９８８），７５７：「コンピュータによるダイカスト鋳物の湯流れ解析システム」）が報告されている。
【０００４】
このような金型内の溶融材料の射出成型シミュレーションにおいて解析結果を評価する方法としては、溶融材料の充填状況を充填された等時間線で表示したり、あるいは圧力分布，渦度分布，流速分布，温度分布などを表示し、これらの解析結果から充填挙動の良否を評価している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
鋳物，樹脂などの溶融材料の射出成型により成型品を製作する際、溶融材料の充填挙動は製品の品質に大きな影響を与える。製造時の充填挙動が不適切な場合、製品内部に気泡の巻き込み（ブローホール），湯境（ウエルドライン），充填不良などの製品としては致命的な欠陥が発生する。これらの欠陥の発生を防止するためには溶融材料の射出速度や温度，ゲートや湯道の取付け位置や本数，金型温度や冷却方法などの製造方案の最適化が必要であるが、現状では過去の経験や勘に頼った試行錯誤的な最適化方法がとられている。
【０００６】
また、ＣＡＥ（ＣｏｍｐｕｔｅｒＡｉｄｅｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）技術を利用して製造方案の最適化にコンピュータシミュレーションを利用する技術も試みられている。現状では解析に必要なデータとして使用する溶融材料の物性値，成型品の形状，溶融材料の温度，金型温度，充填速度等を入力して溶融材料の射出成型における流動解析を行い、充填状況，圧力分布，渦度分布，流速分布，温度分布などの解析結果から製造条件の適否を評価している。
【０００７】
しかし、前述した従来の射出成型シミュレーションにおける種々の解析結果の表示方法では溶融材料の充填状況，圧力分布，渦度分布，流速分布，温度分布などの個別の情報を忠実に表現することはできるが、これらの情報から充填状況が欠陥のない健全な製品を製造するのに適切なものになっているか否かについては直接的に判定することはできない。溶融材料の射出成型における流動解析結果を評価するには溶融材料の充填状況，圧力分布，渦度分布，流速分布，温度分布などの情報をもとに充填が順序良く進行しているか，最終充填部は適切な位置になっているか，流れが乱れている部分はないかなどについて人間が得られた解析結果を総合的に判断して、成型品である製品内のどこに欠陥が発生するかを予測あるいは推測している。
【０００８】
しかしながら、このような流動解析結果の評価方法では判断を下す人間の過去の経験や勘に依存する部分が大きいため、判断する人間によって解析結果の評価が異なる場合がある。したがってこのような流動解析結果の評価方法では充填途中に発生する流れの乱れや空気の巻き込みによる気泡の発生などの現象を的確に把握し、評価することは非常に困難である。
【０００９】
そこで、本発明の目的は溶融材料の射出成型における流動解析結果から充填状況の適否を容易に判定することができる溶融材料の射出成型における流動解析結果の評価方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために溶湯が金型内に流入する際の充填状況を評価するためのパラメータを開発することにより本発明を完成した。
【００１１】
本発明に係る溶融材料の射出成型による射出成形品の製造方案は以下の工程によって達成される。
【００１２】
（ａ）射出成型により成型される成型品および射出成型に使用する金型から数値解析を行うための差分法，有限要素法，境界要素法，ＦＡＮ法などの数値解析法に適した微小要素に分割された形状モデルを作成し、また金型や溶融材料の温度，熱伝導率，比熱などの物性を示す物性データを作成し、さらに溶融材料を射出する際の速度，温度，時間等の射出条件データを作成する。
【００１３】
（ｂ）数値解析における金型内への溶融材料の充填開始から充填終了まで所要時間を任意の数に分割する。
【００１４】
（ｃ）上記（ａ）で設定した解析データ及び解析条件をもとに差分法，有限要素法，境界要素法，ＦＡＮ法などの数値解析法を用いて溶融材料の流動状況を数値解析を実施する。
【００１５】
（ｄ）金型内における溶融材料が充填された部分について（１）式で導かれるパラメータを速度場および温度分布から算出する。
【００１６】
【数１】

【００１７】
（１）式は各々の分割された時刻における前記金型内の溶融材料の流速分布および充填状況から溶融材料同士が衝突する際の隣り合う２つの要素の速度Ｖ_１，Ｖ_２および速度ベクトルがなす角度θ，溶融材料の分割された時刻における隣り合う２つの要素の平均温度Ｔ，溶融材料の凝固開始温度Ｔ_Ｌを用いて求められる。
【００１８】
（ｅ）上記（ｄ）の操作を溶融材料がキャビティ内すべてに充填するまで繰り返し行う。
【００１９】
（ｆ）パラメータの大きさの分布や時間的な変化をＣＲＴ，プリンタ等の表示出力装置にグラフィック出力する。
【００２０】
以上（ａ）から（ｆ）までの工程を実施することにより溶融材料の射出成型における充填挙動の良否を評価判定することを特徴とする。
【００２１】
ここでパラメータの算出方法について図を用いて詳細に説明する。図１は本発明のパラメータを算出するための概念図である。実際には３次元の形状になるが説明の簡単化のため２次元図にて説明を行うことにする。１に示す要素１と２に示す要素２は解析領域を４角形の微小要素で分割した要素を示しており、３と４の斜線部はそれぞれ要素１と要素２における溶融材料で満たされた部分を示している。５として溶融材料同士が衝突する際の要素１内の溶融材料のもつ速度ベクトルをＶ１，６として要素２内の溶融材料のもつ速度ベクトルをＶ２とすると、それぞれのベクトルの大きさはベクトルのｘ，ｙ，ｚ方向の成分の２乗を加え、ルートを取ることにより（２），（３）式により求めることができる。
【００２２】
【数２】

【００２３】
【数３】

【００２４】
また、溶融材料同士が衝突する際の衝突角度はベクトルの内積を用いることにより、以下のように（４）式により算出することができる。
【００２５】
【数４】

【００２６】
温度は要素１の温度Ｔ_１と要素２の温度Ｔ_２の平均を取ることにより算出する。
【００２７】
対象となる要素に隣り合う要素すべてについて得られた角度θ及び平均温度を用いて
（１）式のパラメータの算出を行い、その和を取ることにより対象となる要素の欠陥発生を予測するためのパラメータとする。
【００２８】
また本発明における溶融材料の射出成型における製造方案は以下の工程によって達成される。
【００２９】
（ｇ）請求項１記載の溶融材料の流動挙動を数値解析する製造方案を模擬するために数値解析に必要な形状データおよび金型および溶融材料の力学的，熱的な物性値および流入速度などを数値解析のための入力データとする。
【００３０】
（ｈ）数値解析用の入力データをもとに差分法，有限要素法，境界要素法，ＦＡＮ法などの数値解析法を用いてキャビティ内への溶融材料の流動状況を数値解析する。
【００３１】
（ｉ）請求項１及び２記載の溶融材料の射出成型における流動解析結果の評価方法を用いて充填挙動の良否を評価判定する。
【００３２】
（ｊ）判定結果が良いと認められるまで（ｇ）の入力データを変更する。
【００３３】
以上、解析結果が欠陥が発生しないものであると認められるまで（ｇ）〜（ｊ）を繰り返し実施することにより、適切な製造方案，製造条件を導き出すことを特徴とする。
【００３４】
本発明に係る溶融材料の射出成型品の製造方案によれば、金型内への溶融材料の充填状況の良否を評価するために、請求項１に記載したパラメータを溶融材料の充填開始から充填終了までの間で調べることにより、充填挙動の評価判定を容易に行うことができる。
【００３５】
なお、一般的に溶融材料の射出成型の際には乱流がなく製品内を順序良く充填する充填挙動の方が、流れに起因する欠陥の発生が少ない。湯流れに起因する欠陥は実際の多数の欠陥の発生した製品を観察した結果から、凝固開始温度付近まで温度低下した溶融材料同士が衝突するために欠陥が発生しているものと推察された。
【００３６】
したがって溶融材料の金型内への充填挙動の良否を調べるため充填中における溶融材料が持つ速度場と温度を関数とするパラメータを提案し、その値あるいは値の変動幅の大きさから金型内への充填挙動の良否を判定することができる。
【００３７】
また、溶融材料の射出成型において金型内への溶融材料の充填状況を評価する際、成型品のどの部分で欠陥が発生する可能性が高いかを評価するためには、解析のために作成した微小要素からなる形状モデルを任意の領域に分割し、さらに数値解析における金型内への溶融材料の充填開始から充填終了まで所要時間を任意の数に分割し、各分割された形状モデルの領域における充填中における溶融材料の持つ速度場とその温度から欠陥発生予測パラメータを算出し、これらの値を分割された形状モデル各部分について算出された値の溶融材料の充填開始から充填終了までの変動状態を比較することによって、充填進行中の欠陥が発生する可能性が高い部位を判定することができる。
【００３８】
さらに実際の製品を製造する前に数値解析によって与えられた製造方案に対する溶融材料の充填状況を解析し、上記の溶融材料の充填状況の評価方法を用いて充填状況を評価し、充填状況が適切になるまで入力データを変更し解析することにより、その製品の適切な製造方案や製造条件を導き出すことができる。このような手段を経ることにより、実際の試作におけるトライ・アンド・エラーの方案最適化を行うことなく欠陥を含まない高品質の射出成型品を製造可能となる。また、新規方案の製品に対しても事前のシミュレーションにより金型の修正すべき箇所などをあらかじめ特定することができるため、金型の修正に必要な時間や費用を削減することができ、射出成型品の製造コストを大幅に削減することができる。
【００３９】
【発明の実施の形態】
図２は本発明に係る溶融材料の射出成型における流動解析結果の評価方法を実行するための装置の電気的構成を示している。同図において金型内に溶融材料を充填する過程における溶融材料の速度，圧力，温度等の挙動を解析するための充填解析部７に対して、解析に必要な被解析物の形状データ，物性データおよび境界条件などの入力データが与えられている。充填解析部７では与えられた入力データをもとに金型内に溶融材料が充填される過程を差分法，有限要素法，境界要素法，ＦＡＮ法などを含む数値解析法を用いて数値解析する。数値解析で得られた溶融材料の金型内での充填状況のデータは指定された時間間隔で欠陥パラメータ算出部８に送られる。欠陥パラメータ算出部８では溶融材料が充填された領域での速度ベクトルと溶融材料の温度から欠陥予測パラメータを算出し、それらの値をメモリ上あるいは磁気ディスクなどの記憶装置に記憶する。その後、再び充填解析部５に戻り溶融材料が金型内に充満されるまで繰り返す。充填解析終了後、記憶装置に蓄えられた解析結果をＣＲＴ，プリンタ等の表示出力装置９にグラフィック出力する。この表示出力装置９に出力された結果より充填挙動の良否を判定する。
【００４０】
つぎに本発明における溶融材料の射出成型における流動解析結果の評価方法を実際の適用例を用いて説明する。射出成型により成型される成型品および射出成型に使用する金型について、金型内の流動解析を行う手順は従来の解析法と同じである。最初に金型内の流動解析を行うために、射出成型により成型される成型品および射出成型に使用する金型から流動解析を行うための微小要素に分割された形状モデルを作成する。解析に取り上げたモデルは図３に示すようなリング状のダイカスト部品である。初期方案においてオーバーフローの位置が適切でなかったため、表面の機械加工後に気泡の巻き込みと思われる光沢むらが発生した製品である。ここで１０は溶融材料を金型内に射出するゲート、１１は製品を形作るキャビティ、１２は製品完成後切り離してしまうオーバーフローを示している。本実施例では被解析部分を直交メッシュで要素分割するＦＤＭメッシュを使用しているが、使用する流動解析プログラムに応じて三角形要素，四角形要素、その他の多角形要素あるいは境界を変形したＢＦＣ要素などを含む要素で要素分割を行う。これら成型品および金型の形状モデルに対して溶融材料が流れるランナ位置や速度およびキャビティ内に流れ込む位置や速度を必要に応じて設定する。これらの操作により、溶融材料の射出成型における流動解析を行うための形状データの設定を完了する。
【００４１】
さらに、溶融材料の射出成型における流動解析を行うための物性データの設定作業を行う。すなわち、使用する金型の密度，比熱，熱伝導率などの熱的な物性値、および使用する溶融材料の密度，比熱，熱伝導率などの熱的な物性値や粘度を示す粘性係数，金型と溶融材料との間の熱伝達係数などの熱的境界条件を設定することにより、溶融材料の射出成型における流動解析を行うための物性データの設定作業を完了する。ここまでの作業は従来の溶融材料の射出成型における流動解析を行うためのデータ作成手順と同様である。
【００４２】
そこで本実施例において、前記の欠陥予測パラメータを温度場と流れ場の連成解析プログラムに組み込み、実際のダイカスト品で発生した欠陥位置との比較することにより本発明の欠陥予測パラメータの有用性を確認した。ここで流動解析を行う際、微小時間に分割された各タイムステップにおいて溶融材料の充填された領域における速度ベクトルと温度分布から各要素における欠陥予測パラメータを算出し、これを記録媒体に保存する。この操作を数値解析における金型内への溶融材料の充填開始から充填終了まで繰り返し行う。記録媒体に保存されたデータを整理し各要素のパラメータの値を３次元グラフィック出力することにより図４に示すような解析結果が得られる。
【００４３】
図４の解析結果から得られた各要素における欠陥予測パラメータの大きさを示す。結果の表示はパラメータの大きさにより色分けして示しており、白い部分が最も大きな値を持っている。パラメータの値は一般に少ない方が望ましいものと考えられる。なぜならば提案したパラメータは溶融材料の速度ベクトルから衝突の度合いを表わす因子と、温度低下に伴う凝固現象の進行を表わす因子を掛け合わせた値であり、これらの値が小さいほうが流れの乱れ，温度低下による凝固がないことを示している。したがって欠陥予測パラメータの値を解析に用いた製品全体について調べ、相対的に値が大きい部分が欠陥の発生する可能性が高い部位となる。本実施例において解析結果から得られた欠陥の発生が予測された位置１３と実際の製品での機械加工後に気泡の巻き込みと思われる光沢むらが発生した位置はよく一致していることが確認できた。
【００４４】
本発明の欠陥予測パラメータの値は成型品の形状および溶融材料の流入速度，ランナやゲートの方案あるいは使用する溶融材料の物性値や温度条件などによって大きく変動するため、これら値の大きさを基準に絶対的な評価ができるものではない。しかし、製造条件を変化させたときどのような変化の傾向が現われるかを把握し、欠陥予測パラメータが製品全体において最小となる射出成型条件を求めることにより、適正な射出成型条件を求めることができる。
【００４５】
【発明の効果】
前述した実施例から明らかなように本発明によれば、射出成型により成型される成型品および射出成型に使用する金型を微小要素に分割した形状モデル内に溶融材料が流入する際の流動解析に際し、金型内への溶融材料の充填状況の良否を評価するために、充填中における溶融材料の速度ベクトルと温度を関数とした欠陥予測パラメータを溶融材料の充填開始から充填終了までの間で調べることにより、充填挙動の評価判定を容易に行うことができる。
【００４６】
したがって、本発明によれば射出成型により成型される成型品の流動解析を行う際、製造条件の適否を容易に判定できるとともに、この判定結果から欠陥のない高品質の成型品を得るためのゲート位置やその数，湯道方案，射出速度などの製造条件を適切に設定でき射出成型における製造条件の最適化に対する効果は大きい。また、事前のシミュレーションにより金型の修正すべき箇所などをあらかじめ特定することができるため、金型の修正に必要な時間や費用を削減することができ、射出成型品の製造コストを大幅に削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のパラメータを算出するための概念図である。
【図２】本発明に係る溶融材料の射出成型における流動解析結果の評価方法を実行するための装置の電気的構成を示している。
【図３】射出成型により成型される成型品の流動解析を行うための微小要素に分割された形状モデルである。
【図４】本発明に係る溶融材料の射出成型における流動解析結果の評価方法において、欠陥の発生が予測される部分を示している。
【符号の説明】
１…微小要素１、２…微小要素２、３…要素１内の溶融材料で満たされた部分、４…要素２内の溶融材料で満たされた部分、５…要素１内の溶融材料が持つ速度ベクトル、６…要素２内の溶融材料が持つ速度ベクトル、７…充填解析部、８…欠陥パラメータ算出部、９…解析結果表示部、１０…ゲート、１１…製品、１２…オーバーフロー、１３…欠陥の発生が予測される部分。

Claims

金型内に溶融材料を射出成型する射出成型品の製造方案において、前記金型を微小要素に分割し、前記金型内への前記溶融材料の充填開始から充填終了まで所要時間を任意の数に分割する工程、各々の分割された時刻における前記金型内の溶融材料の流速分布および充填状況から溶融材料同士が衝突する際の隣り合う２つの要素の速度，速度ベクトルがなす角度，溶融材料の分割された時刻における隣り合う２つの要素の平均温度，溶融材料の凝固開始温度を用いて前記溶融材料の衝突の大きさを求める工程、及び該衝突の大きさから溶融材料の射出成型における充填挙動の良否を求める工程を有することを特徴とする射出成型品の製造方案。
前記金型内のキャビティへの溶融材料の充填挙動が悪化する時間および充填挙動が悪化するキャビティ内の部位をグラフィック出力することを特徴とする請求項１に記載の射出成型品の製造方案。
前記金型内の形状および溶融材料の力学的，熱的な物性値を入力して溶融材料の射出成型における流動解析を行い、前記溶融材料の射出成型における溶融材料の充填挙動の良否を評価判定し、判定結果が良いと認められるまで前記入力データを変更し、上記請求項１に記載された全工程を繰り返すことを特徴とする請求項１又は２に記載の射出成型品の製造方案。