JP4443282B2 - 金型の設計方法、金型、射出成形品の製造方法及びプログラム - Google Patents

Description

本発明は、樹脂を射出成形する場合の金型の設計方法、該設計方法に基づいて設計された金型、該金型を用いた射出成形品の製造方法及び金型設計パラメータを求める工程をコンピュータに実行させるプログラムに関する。

射出成形においては、製品の寸法や形状に応じて複数のゲートを設けることが必要となる。その場合、以下に示すように、複数のゲートから流入した溶融材料の流れの状態を制御することにより、必要な型締力の低減やウエルド位置制御など、成形プロセス面、製品品質面での改良を行う提案がなされている。

例えば、特許文献１には、製品形状が長手方向に延びている場合、キャビティ内に溶融樹脂を射出するゲートを充填開始側から充填完了側に向けて複数配置するとともに、充填開始側のゲートの射出開始から所定の時間差にて、溶融樹脂を順次キャビティ内へ射出することにより、成形に必要な型締力を小さくする技術が記載されている。

また、特許文献２には、第１のゲートから射出された樹脂が第２のゲートを通過するのとほぼ同時か又は通過した後、この第２のゲートから、軟化した樹脂材料をキャビティ内に射出することにより、ウエルドの発生を防止することが記載されている。

さらに、特許文献３には、成形品の形状を微小要素に分割し、成形品の成形プロセスの流動シミュレーションを行ない、成形品に発生するウエルドラインの発生位置を予測する技術が開示されている。そして、予測されたウエルドラインを基に、さらにバルブゲートの開閉を調整し、これを望ましい修正位置に移動させることが記載されている。

特開２００２−３５５８６６号公報（第２頁） 特開平８−１１８４２０号公報（第２〜３頁） 特開２００１−２７７３０８号公報（第７〜９頁）

しかしながら、特許文献１又は２に記載された方法は、ゲートからの射出の開始や、流入量の減少又は停止を行なうタイミングを判断するために、勘や経験を頼りに人手によって試行錯誤を繰り返す必要がある。また、特許文献３の方法では、ウエルドの全体位置を制御しているのではなく、ウエルド上の特定の一点から補正値を計算しているので、例えば、三方からの樹脂流れが合流する複雑な形状を持つウエルドを制御することは困難であった。また、これらの特許文献の方法では、予め定めたゲートの配置の条件下においてゲートを調整するものであるので、必ずしも最良の結果を得ることができなかった。

この発明は上記のような課題に鑑み、樹脂製品を射出成形する際に、型締力やウエルド発生をより良くコントロールすることができるような金型の設計方法、金型、射出成形品の製造方法及びプログラムを提供することを目的とする。

この発明は、上記の目的を達成するためになされたもので、本発明は、キャビティへの複数の樹脂流入路を有する金型を用いて射出成形を行なう場合に、射出成形過程を計算する数値解析手法と計算機支援による最適化手法を組み合わせ、ウエルドの発生を抑制又は制御する対象区域を複数の領域に区分し、これらの領域におけるウエルド発生量に重み付けをして合算したものをウエルド評価値として用いることにより、ウエルド発生を特定の領域に誘導し又は特定領域から回避して、前記樹脂流入路の配置、形状、及び／又は寸法に関する金型設計パラメータを事前に求めることを特徴とする金型の設計方法である。

このように、樹脂流入路の配置、形状、及び／又は寸法に関する金型設計パラメータを、射出成形過程を計算する数値解析手法と計算機支援による最適化手法の組み合わせを用いて求めることにより、人手による試行錯誤を繰り返すことなく、金型設計パラメータを迅速に正確に算出することができる。最適化には、好適な射出成形条件を評価する適当な評価関数を定め、これを数値解析手法によって算出して用いる。なお、射出成形とは、広く射出成形全般を指し、例えば、射出プレス成形、射出圧縮成形、発泡射出成形等も含まれる。

目的としては、成形に必要な型締力を低減させることができる成形条件を得ることや、成形品におけるウエルドの発生を抑制又は制御することなどが挙げられる。金型設計パラメータとしては、金型のキャビティへの流入口であるゲートの点数及び／又はゲートの位置が好ましいが、さらに、ノズルからゲートまでの流路であるランナーの形状、径、あるいは経路、及びゲートの径、角度等を採用してもよい。

成形品におけるウエルドの発生量や位置は、製品の外観や強度に大きく影響する。本発明においては、数値解析手法によって算出した対象区域におけるウエルド発生量を評価関数として最適化を行なうことにより、ウエルドの発生を最も良く抑制又は制御することができるような金型設計パラメータが探索される。したがって、外観や強度性能の良好な製品を成形することができる。ウエルド発生量としては、例えばウエルドの数や長さを求めるが、計算上は、有限要素法において複数の樹脂材料流れが所定値以上の角度で合流する条件を満たす節点の数あるいは連続する節点を結んだ線の長さを求める。

複数のゲートから樹脂材料を注入する場合、ある程度のウエルド発生は避けられない。製品には、ウエルド発生が大きく製品価値に影響する領域とある程度許容できる領域がある。本発明においては、ウエルド発生量を低減するとともに、前者におけるウエルド発生を避けて後者に誘導することにより、良好な製品の成形を可能とする。

最適化のための評価関数として、成形に必要な型締力と、ウエルドの発生を評価するウエルド評価値とを、重み付けして合算したものを用いることが望ましい。この構成においては、２つの目的のバランスが重み付けにより設定される。

前記金型設計パラメータが、前記金型のキャビティへの流入口であるゲートの点数及び／又はゲートの位置を含むことが望ましい。この構成においては、好適な射出成形条件を得るためのゲートの配置に関するパラメータが探索される。

前記金型設計パラメータが、前記金型のキャビティへの流入口であるゲートの寸法及び／又は形状を含むことが望ましい。この構成においては、好適な射出成形条件を得るためのゲートの寸法・形状に関するパラメータが探索される。

前記金型設計パラメータを求める際に、成形過程における樹脂流入量を設定するプロセスパラメータを同時に求めることが望ましい。この構成においては、好適な射出成形条件を得るために、成形過程における樹脂流入量の設定が探索される。

前記プロセスパラメータが、前記複数の樹脂流入路に配置された流入量調整弁の動作を制御するパラメータであることが望ましい。この構成においては、好適な射出成形条件を得るために、複数の樹脂流入路に配置された流入量調整弁の動作を制御するパラメータが探索される。

充填工程中の同時刻に全ての流入調整弁が全閉とならない条件（すなわち、「充填工程中の同時刻に全ての流入調整弁が全閉となる条件」を含まない条件）の中で前記プロセスパラメータを最適化することが望ましい。この構成においては、少なくとも１つの流入調整弁が開であるような実用的な条件の中で最適なパラメータが探索される。

本発明は、上記の金型の設計方法に基づいて設計された金型である。本発明においては、本金型を用いて射出成形を行うことにより、好適な成形結果を得ることができる。

本発明は、キャビティへの複数の樹脂流入路を有する金型を用いて射出成形を行なう場合に、射出成形過程を計算する数値解析手法と計算機支援による最適化手法を組み合わせ、ウエルドの発生を抑制又は制御する対象区域を複数の領域に区分し、これらの領域におけるウエルド発生量に重み付けをして合算したものをウエルド評価値として用いることにより、ウエルド発生を特定の領域に誘導し又は特定領域から回避して、前記樹脂流入路の配置、形状、及び／又は寸法に関する金型設計パラメータを事前に求め、この求められた金型設計パラメータに基づいて作製した金型を用いて射出成形を行なうことを特徴とする射出成形品の製造方法である。本発明においては、最適化によって得られた金型設計パラメータに基づいて作製した金型を用い、目的に応じた好適な射出成形条件下で射出成形を行なうことにより好適な成形結果を得ることができる。

本発明は、キャビティへの複数の樹脂流入路を有する金型を用いて射出成形を行なう場合に、射出成形過程を計算する数値解析手法と計算機支援による最適化手法を組み合わせ、ウエルドの発生を抑制又は制御する対象区域を複数の領域に区分し、これらの領域におけるウエルド発生量に重み付けをして合算したものをウエルド評価値として用いることにより、ウエルド発生を特定の領域に誘導し又は特定領域から回避して、前記樹脂流入路の配置、形状、及び／又は寸法に関する金型設計パラメータを事前に求める工程をコンピュータに実行させるプログラムである。本発明においては、人手による試行錯誤を繰り返すことなく、コンピュータによって金型設計パラメータが迅速に正確に算出される。

この発明においては、樹脂成分に対し、本発明の目的を損なわない範囲内で、ガラス繊維、シリカアルミナ繊維、アルミナ繊維、炭素繊維、麻、ケナフ等の植物より得られる有機繊維、合成繊維などの繊維状補強材；ホウ酸アルミニウムウィスカー、チタン酸カリウムウィスカーなどの針状の補強材；ガラスビーズ、タルク、マイカ、グラファイト、ウォラストナイト、ドロマイトなどの無機充填材；フッ素樹脂、金属石鹸類などの離型改良剤；染料、顔料などの着色剤；酸化防止剤；熱安定剤；紫外線吸収剤；帯電防止剤；界面活性剤などの通常の添加剤を１種以上添加することができる。

この発明において好適に使用される樹脂として熱可塑性樹脂がある。ここで、熱可塑性樹脂とは、一般に熱可塑性樹脂と称されるもの全てを指し、例えば、無定形ポリマー、半結晶性ポリマー、結晶性ポリマー、液晶ポリマー等であってよい。また、熱可塑性樹脂は、一種類であってもよく、複数のポリマー成分のブレンドであってもよい。具体的には、低密度ポリエチレン、高密度ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレンプロピレン共重合体等のオレフィン系樹脂；ポリスチレン、ハイインパクトポリスチレン、ＡＢＳ樹脂等のスチレン系樹脂；ポリメチルメタクリレート等のアクリル系樹脂；ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート等のポリエステル系樹脂；ポリカーボネート、変性ポリカーボネート等のポリカーボネート系樹脂；ポリアミド６６、ポリアミド６、ポリアミド４６等のポリアミド系樹脂；ポリオキシメチレンコポリマー、ポリオキシメチレンホモポリマー等のポリアセタール樹脂；ポリエーテルスルホン、ポリエーテルイミド、熱可塑性ポリイミド、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレンサルファイド等のエンジニアリングプラスチック、スーパーエンジニアリングプラスチック；セルロースアセテート、セルロースアセテートブチレート、エチルセルロース等のセルロース誘導体；液晶ポリマー、液晶アロマチックポリエステル等の液晶系ポリマー；熱可塑性ポリウレタンエラストマー、熱可塑性スチレンブタジエンエラストマー、熱可塑性ポリオレフィンエラストマー、熱可塑性ポリエステルエラストマー、熱可塑性塩化ビニルエラストマー、熱可塑性ポリアミドエラストマー等の熱可塑性エラストマー等が挙げられる。

さらに好適な樹脂材料として、ポリプロピレン系熱可塑性樹脂が挙げられる。
ポリプロピレン系熱可塑性樹脂としては、ホモポリプロピレン、ポリプロピレンと他のオレフィンとのブロック共重合体またはランダム共重合体、または、これらの混合物等が挙げられる。

本発明によれば、樹脂流入路の配置、形状、及び／又は寸法に関する金型設計パラメータを、人手による試行錯誤を繰り返すことなく、迅速に正確に算出することができるので、任意の形状の樹脂製品を射出成形する場合でも、ウエルド発生の制御や型締力の低減などを達成できるような金型設計結果を得ることができる。そして、このような設計結果を用いることにより、使用目的に応じた良好な性能を持つ製品を、装置や作業コストの低減を図りつつ成形することができる。

以下、図面を参照して、この発明の第１の実施の形態を詳しく説明する。この実施の形態では、図１に示すような一方向に長く延びた（縦横比＝３／１６）平板状の部材を、予め決められた樹脂材料を用いて射出成形法により製造する場合を例示する。図２に示すように、キャビティCVには、平板の１つの側端の中央と左右に３つのゲート（G1，G2，G3）を配置している。この発明においては、ゲートの数は２つ以上であればよく、樹脂製品の形状や寸法に応じて適宜に設定することができる。

この発明では、少なくとも１つのゲートをバルブによって開閉が可能なバルブゲートとして構成し、このバルブゲートの開度を調整することにより、ウエルドが任意の位置に来るような射出成形を行なう。この実施の形態では、図２に示すように３つのゲートのいずれもバルブゲートとして構成されているが、後述する最適化の結果として、いずれかを全開又は全閉とすることになる場合には、実機の金型にはバルブゲートは不要となる。各ゲートは、ランナーRを介してノズルNに連絡しており、ランナーRは中で樹脂が固化しないように所定の温度に制御された、いわゆるホットランナーになっている。これらのランナーRとゲートG1，G2，G3によって樹脂流入路が構成される。

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、好適な成形条件を得ることができるような、樹脂流入路の配置、形状、及び／又は寸法に関する金型設計パラメータ及び成形過程における樹脂流入量を設定するプロセスパラメータを同時に求めている。後述する第２の実施の形態のように、バルブゲートを用いない場合は、金型設計パラメータのみを求めれば良い。

射出成形過程を計算する数値解析の手法としては、近年、有限要素法をベースとし、成形中において要素間に作用する関係に基づく計算式を用いて樹脂の挙動を解析するものが、実用化されてきている。この実施の形態では、Moldflow Plastics Insight 2.0 rev1（商品名：Moldflow Corporation製）を使用している。計算機支援による最適化手法も、同様に多くのものが開発されている。ここでは、ソフトウエアとして、iSIGHT 6.0 (商品名：Engineous Software Inc.製)を用い、非線形性の強い問題を扱うことになるため、解空間を大域的に探索でき、局所最適解（Local Optimum）に陥る危険が少なく、大域最適値（Global Optimum）を見つけやすいとされるSA（焼きなまし法）を用いた。以下に、解析の全般の流れを、図３のフロー図に沿って説明する。

（１）解析用モデルの作成
まず、ステップ２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モデルを作成する。この実施の形態では、以下の長尺平板モデルを用いた。
寸法：幅1600mm、長さ300mm、厚さ3mm
要素数：2862、節点数：1558、サイド3点ゲート
ランナー径：6mmφ（ホットランナー）、ゲート：4mmφ×7.5mmL（バルブゲート）

（２）成形条件の設定
ステップ３において、射出成形を行なうための条件設定を行なう。まず、材料として選択した樹脂の物性値等のデータを入力する必要がある。ここでは、樹脂として、ポリプロピレン系熱可塑性樹脂である住友ノーブレンNP156（商品名、住友化学工業株式会社製、短繊維GFPP、GF30wt%）を用いている。必要な物性値としては、例えば、熱伝導率、比熱、流動停止温度、粘度等がある。
他の成形条件として、樹脂温度／ホットランナー温度／金型温度を、それぞれ230℃／230℃／50℃に設定し、射出速度は等速設定とし、射出時間が約８秒となるように設定した。

（３）計算機支援による最適化工程
ステップ４から後の工程は、計算機支援による最適化工程である。すなわち、ステップ４において、設計変数である求めるべきパラメータ（ここではバルブゲートの開閉のタイミングとゲートの数及び位置）の初期値を設定し、ステップ５において、初期設定された設計変数の値に応じて解析用形状モデルの該当個所を修正する。そして、ステップ６において、樹脂の流入プロセスを計算し、ステップ７においてその結果ファイルを出力する。そして、ステップ８において、その結果ファイルに基づき、型締力及びウエルド発生に関する評価関数を算出し、ステップ９において、その算出値が最適解に収束しているかを評価する。そして、最適解に収束していない場合には、ステップ１０において最適化手法のアルゴリズムに基づいて設計変数を修正し、ステップ５からステップ９までの工程を繰り返す。ステップ９において評価関数が最適解に収束していると判断された時には、最適化工程を終了する。評価関数が最適解に収束していると判断されない時には、ステップ１０以降の工程を繰り返す。

最適化手法のアルゴリズムとしては、この実施の形態では、焼きなまし法を採用している。金属の焼きなましにおいては、ゆっくり冷やすことで、高い状態にあった各分子エネルギーが一様に低い状態に落ち着く。焼きなまし法はこれをモデルとしており、最適解の探索を急速に進めるのでは無く、部分的には解の改悪を許すことで解の多様性を生み出し、大域探索を可能とする手法である。最適解への収束は、所定の回数の計算を行った後に判断するようにしている。

（４）開閉タイミングの設定における制約条件
この実施の形態ではバルブゲートは３つ有り、開閉タイミングはこれら全てを独立に操作することを前提としてもよい。しかしながら、これらのバルブゲートは実作業上の制約から完全に独立に操作できない場合がある。また、最適化作業をより絞った条件下で行なうことにより最適化作業を効率化することができる。
そこで、以下のような制約条件を設けた。

まず、この実施の形態では、各バルブゲートの開度自体を連続的にあるいは段階的に調整することはせず、実用性を考慮して開と閉の２位置のみを採るものとした。ホットランナー中では樹脂は固化しないから、各バルブゲートは射出成形の開始後でも閉状態で待機することができ、その後任意の時間に開動作を行なうことができる。また、一度開となって樹脂が通過したバルブゲートを閉とすることもできる。一方、一度開とした後に閉としたバルブゲートを開とすると、閉とする時間にもよるが、バルブゲートから先では樹脂の固化が進んでいる可能性があり、外観悪化等の成形不良が懸念される。従って、１つのバルブゲートの操作パターンとして考えられるのは、ア）常開、イ）常閉、ウ）閉→開、エ）開→閉、オ）閉→開→閉の5パターンである。これを制約条件１ａとした。また、より簡略な制約条件としては、開→閉のパターンを用いないものが考えられる。すなわち、ア）常開、イ）常閉、ウ）閉→開の３パターンからなるものを制約条件１ｂとした。

また、実成形上、全ゲートが同時に閉となると、ランナーやバルブゲートに異常な圧力が作用すると考えられるし、解析上もソフトウエア上の問題によりエラーが発生しやすい。その対策として、成形中、最低一つのゲートが開となっていることを制約条件２ａとした。また、より簡略な条件としては、常時特定の１つのゲートを開とすることが考えられる。これを制約条件２ｂとした。

（５）設計変数としての開閉タイミングの設定
制約条件１ａ，１ｂのいずれかと制約条件２ａ，２ｂのいずれかを組み合わせることにより、バルブゲートの動作に関して種々の制約条件が導かれる。ここでは、一番簡略な組み合わせである、１ｂ、２ｂの組み合わせを採用した。つまり、３つのゲートのうち、常時開とするものをまず調整用ゲートとして選択し、次に、他の２つのゲートを任意制御ゲートとして、これらを開とするタイミングを独立な設定変数として、最適化を行う。この実施の形態では、ゲートG1を常時開とする場合と、ゲートG2を常時開とする場合の双方について行った。

（６）設計変数としてのゲート位置
ここでは、ゲート位置のx座標を設計変数（実数）とする。ゲート部と製品部とを接合（節点を共有化）する必要があるため、移動後のゲート位置に最も近い製品部節点を算出し、その位置（修正後X座標）にゲートがくるようにゲート部全体を平行移動させた。ゲート部の移動後、ランナー部の節点を移動することにより、各ランナーを対応位置まで移動・伸縮させた。

（７）評価関数
評価関数としては、この実施の形態では、（ウエルド発生＋成形に必要な型締力）を用いた。ウエルドの発生を制御することは、製品の外観上あるいは製品の強度上必要なことである。また、型締力を低減させることは、装置の小型化や、エネルギー節約、金型の保護等につながり、コストの低減を図ることができる。以下、それぞれについて説明する。

（７−１）ウエルド発生に関する評価
ａ）ウエルドの判定
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、これに基づいて判定した。
ｂ）特定領域内のウエルド検出
成形品によっては特定領域内でのウエルド発生を回避（他の領域にウエルドを移動）できれば良いケースもあることから、特定領域内のウエルドのみを検出するプログラムを作成した（図４参照）。このプログラムでは、予め指定された領域（製品と中心及び長手方向を同じくする長方形状の領域で、幅400mm×長さ100mm及び幅800m×長さ100mmの部分）内に存在するウエルド発生点のみカウントし、その個数をファイルに出力する。特定領域の設定は、例えば、多角形領域であれば座標値を用いた不等式等で範囲を指定することができるが、領域内の全ての節点を記憶させる方法により任意の形状の領域を指定することができる。

（７−２）成形に必要な型締力
型締力は、解析ソフトによってキャビティ内の樹脂圧を算出し、これに投影面積を掛けることによって求められる。

（７−３）最終的な評価関数
特定領域内でのウエルド発生数（節点数）をA [個]、成形に必要な型締力をB [ton]とした場合に、評価関数を、
評価関数 = A × δ＋ B
によって与えた。δは重み付けの因子で、ウエルド発生を重視する場合はこれを大きくする。この実施の形態では、δ＝1000とし、ウエルド発生を防止することを優先した。なお、ウエルドの評価は、前記のような発生節点数を用いるのが簡便であるが、解析モデルの節点の間隔が均一でない場合には、ウエルド長さに換算する方が好ましい。また、ウエルドの強度をも評価する場合、樹脂が合流する際の温度、圧力を加味することによってより精度の高い結果が得られる。

（８）最適化計算例
図１に示すような製品を射出成形する際のゲート位置と開閉タイミングを、以下の初期条件と制約条件を設定して最適化した。
（条件A）
ゲートG1を常開とし、ゲートG2,G3の開放タイミング変動の場合
制約条件：1100≦x1≦1500、600≦x2≦1000、100≦x3≦500、0≦t2≦8.0s、0≦t3≦8.0s
初期条件：x1＝1300、x2=800、x3=300、t2=4.0s、t3=4.0s
（条件B）
ゲートG2を常開とし、ゲートG1,G3の開放タイミング変動の場合
制約条件：1100≦x1≦1500、600≦x2≦1000、100≦x3≦5000≦t1≦8.0s、0≦t3≦8.0s
初期条件：x1＝1300、x2=800、x3=300、t1=4.0s、t3=4.0s
ここにおいて、x1、x2、x3（mm）はそれぞれゲートG1、ゲートG2、ゲートG3のx座標、t1, t2, t3（秒）はそれぞれ射出開始を0（秒）としたゲートG1、ゲートG2、ゲートG3の開放のタイミングである。

結果を、表１及び表２に示す。

（９）検討結果
これらの表において、ア）〜ク）は従来の方法によるもので、いずれもゲートの位置は固定している。ゲート開放タイミングに関しては、ア）、カ）は一点ゲートの場合、イ）、キ）は最初に開となったゲートから流入した樹脂が他のゲートに到達した時に他のゲートを開とする、いわゆるカスケード制御の場合、ウ）は常開の二点ゲートの場合、エ）は常開の三点ゲートの場合である。最適化を行ったのは、オ）、ク）であるが、これらで、実施の形態である条件Ａ，Ｂよりは狭い領域である中央部１でのウエルド回避を目的とし、ゲートの開放タイミングだけを最適化している。これらの結果では、製品の中央部２におけるウエルド発生数が０で、かつ型締力が低いような成形条件は得られなかった。

一方、この発明の実施の形態では、ゲート位置とゲート開放タイミングを制御することにより、所望の領域（中央部２）におけるウエルド発生を抑制しつつ型締力を低レベルに維持することが可能となった。特に、条件Ａの場合において、前半は両側のゲートG1、G3から注入し、中央のゲートG2を成形の後半に開くことによって、ウエルドを抑制しつつ型締力を低下させることができた。従って、この方法によって製品の形状と成形過程を考慮した金型を設計することができ、またそのような設計結果を用いた実用的な成形方法を提供することができる。

なお、上の実施の形態では、ウエルド発生を抑制する領域を１個所のみとしたが、複数に分散した領域の場合でも評価関数をそれぞれの発生数の和として構築することにより同様に取り扱うことができる。また、以下の第２の実施の形態のように、領域ごとにそれぞれに重みを付けた和とすることにより、重要度の異なる複数の領域を取り扱うこともできる。このように領域ごとにウエルドの発生を制御することにより、ウエルドの発生位置をより細かく制御することができる。

以下、この発明の第２の実施の形態を説明する。この実施の形態では、図５に示すように、内部に開口部がある正方形に近い台形（縦横比＝８／１０）平板状の部材を、射出成形法により製造する場合を例示する。図５および図６に示すように、キャビティCVには、平板の中央部に第１のゲート（センターゲート）G4を配置し、それと開口部を挟んだ１つの辺上に第２のゲート（サイドゲート）G5を配置している。

この実施の形態では、いずれのゲートもバルブゲートではなく、常開の通常のゲートで、これらのゲートの寸法や位置を設計変数として最適化を行った。センターゲートG4はキャビティCVに対して直交するように形成され、サイドゲートG5はキャビティCVと同一の面内において辺と直交する方向に形成されている。図７（ａ）に示すように、センターゲートG4は、ホットランナーHRの先端がより小径のスプルーSRを介してキャビティCVに接続されて構成されている。この実施の形態では、スプルーSRはホットランナーHR側からキャビティCV側に向かって拡径するテーパが形成されている。また、サイドゲートG5は、図７（ｂ）に示すように、ホットランナーHRの先にテーパ付きスプルーSRが形成され、その先端はキャビティCVの面に沿って屈曲するコールドランナーCRであり、その先端に断面が長方形のランド部LDが形成されて構成されている。ホットランナーHRは、中で樹脂が固化しないように所定の温度に制御されており、一方、スプルーSR以降は金型と同じ融点以下の温度である。これらのホットランナーHR、及びスプルーSR、コールドランナーCR、ランド部LDを含むゲートG4, G5によって樹脂流入路が構成される。

この実施の形態では、バルブゲートを用いていないので、成形過程において変化するようなプロセスパラメータは設計変数とせず、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、好適な成形条件を得ることができるような、樹脂流入路の配置、形状、及び／又は寸法に関する金型設計パラメータのみを求める。射出成形過程を計算する数値解析には、Moldflow Plastics Insight 2.0 rev1（商品名：Moldflow Corporation製）を用い、計算機支援による最適化のソフトウエアとして、iSIGHT 6.0 (商品名：Engineous Software Inc.製)を、最適化手法としてSA（焼きなまし法）を用いた。以下に、解析の流れを、図８のフロー図に沿って説明する。

（１）解析用モデルの作成
まず、ステップ２では、以下の平板モデルを解析用モデルとして作成した。
寸法：幅1000mm、長さ800mm、厚さ2.0〜3.5mm
開口部：幅400mm、長さ100mm
要素数：8136、節点数：4053
ゲート：センター及びサイドの2点ゲート
ランナー径：16mmφ（ホットランナー部）、8mmφ（コールドランナー部）
サイドゲートランド形状：断面長方形、長さ10mm
センターゲート形状：4.8mmφ（先端）→8.0mmφ（製品部）

（２）成形条件の設定
ステップ３において、射出成形を行なうための条件設定を行なう。まず、材料として選択した樹脂の物性値等のデータを入力する必要がある。ここでは、樹脂として、ポリプロピレン系熱可塑性樹脂である住友ノーブレンAZ564（商品名、住友化学工業株式会社製）を用いている。必要な物性値としては、例えば、熱伝導率、比熱、流動停止温度、粘度等がある。他の成形条件として、樹脂温度／ホットランナー温度／金型温度を、それぞれ210℃／210℃／40℃に設定し、射出速度は等速設定とし、射出時間が約2秒となるように設定した。

（３）計算機支援による最適化工程
ステップ４から後の工程では、ステップ４において、設計変数（サイドゲートG5位置および両ゲートの寸法）の初期値を設定し、ステップ５において、設定された初期値に応じて解析用形状モデルを修正し、ステップ６において、樹脂の流入プロセスを計算し、ステップ７においてその結果ファイルを出力する。そして、ステップ８において、その結果ファイルに基づき、型締力及びウエルド発生に関する評価関数を算出し、ステップ９において、その算出値が最適解に収束しているかを評価する。そして、最適解に収束していない場合には、ステップ１０において最適化手法のアルゴリズムに基づいて設計変数を修正し、ステップ５からステップ９までの工程を繰り返す。ステップ９において評価関数が最適解に収束していると判断された時には、最適化工程を終了する。評価関数が最適解に収束していると判断されない時には、ステップ１０以降の工程を繰り返す。

（４）設計変数
ここでは、２つのゲートに関する以下のパラメータを設計変数とした。
ａ）サイドゲートG5のキャビティCVの下辺上での位置、図５中、左下端を原点としたx座標（sx）であり、これが変化すると、サイドゲートG5は、図９（ａ）に示すように移動する。
ｂ）サイドゲートG5のランド幅（sw）
ｃ）サイドゲートG5のランド厚み（st）
ｄ）サイドゲートG5のコールドランナー径（sd）
ｅ）センターゲートG4のゲート径（cd）

（５）評価関数
評価関数としては、先の実施の形態と同様に、射出成形解析より得られる型締力とウエルド評価値の合成和であるが、この実施の形態では、開口部周囲に発生するウエルドを特定の領域に誘導することを目的としている。すなわち、図９（ｂ）に示すように、成形体の開口部の周辺の区域を、それぞれが同じ長さの開口縁を持つように２０の領域に区画した。これらは、開口部の辺に位置する領域（1、3〜9、11、13〜19）と、四隅に位置する領域（2、10、12、20）に分類される。それぞれの領域毎に重み付け係数を設定し、各領域で検出されたウェルド発生数と重み付け係数の積の総和としてウエルド評価値を定義した。重み付け係数は、ウェルドを発生させたい領域の係数を1、その領域から最も離れた領域の係数を2500とし、各領域に1〜2500の係数をステップ状に与えた。
ウェルド評価値=ΣAs＊Ws
s：開口部周辺の領域ナンバー（S=1〜20）、As：各領域の重み付け係数
Ws：各領域で発生したウェルド数（節点数）
全体の評価関数は、上記ウエルド評価値と、成形に必要な型締力[ton]との和として与えた。
評価関数＝ウェルド評価値＋型締力

（６）最適化計算例
上記の設定のもとで、以下の初期条件と制約条件および重み付けを設定して最適化した。
初期条件[mm]・・sx=400、sw=5、st=1、sd=8、cd=8
制約条件[mm]・・300≦sx≦700、3≦sw≦15、1≦st≦3、4≦sd≦12、4≦cd≦12
重み付けについては、ウェルドを領域10、20へ誘導するために、それぞれの領域の重み付け係数Asを、表３のように与えた。

結果を、表４および図１０に示す。

図１０には、（ａ）初期条件のままの結果と、（ｂ）最適化の結果とが示されている。前者では、領域10、20以外の場所にウエルドWDが発生しているが、後者では、領域20に短い長さのものが存在しているのみである。この実施の形態では左側のウェルドWDを領域20内に発生させたまま、右側のウェルドWDを領域10内へ移動させることを目的としていたが、右側のウェルド発生位置を領域10方向に移動させる過程の中で、右側のウェルドが消失する結果となった。この結果を見ると、ゲート位置とゲート・ランナー径を同時に最適化することにより、領域10、20以外でのウェルド発生を無くし、型締力を初期の6割以下まで低減することができたことが分かる。

なお、上記の実施の形態では、追加的な評価関数として型締力を採用したが、個々の条件に応じて適宜のパラメータを評価関数として採用することができる。また、この実施の形態では、評価関数を複数の要素評価関数の和として構築したが、状況に応じた適宜の演算式を用いることができる。

この発明の第１の実施の形態を説明するための成形用キャビティとゲートの位置を示す図である。 この発明の第１の実施の形態を説明するための成形用キャビティと樹脂流路を示す図である。 この発明の樹脂製品の成形方法の第１の実施の形態を説明するフロー図である。 この発明の樹脂製品の成形方法の第１の実施の形態におけるウエルドの制御工程を示す図である。 この発明の第２の実施の形態を説明するための成形用キャビティとゲートの位置を示す図である。 図５のゲートランナー部分を拡大して示す図である。 （ａ）図５のセンターゲート部を拡大して示す図、（ｂ）図５のサイドゲート部を拡大して示す図である。 この発明の樹脂製品の成形方法の第２の実施の形態を説明するフロー図である。 （ａ）この発明の第２の実施の形態におけるサイドゲートの移動範囲を示す図、（ｂ）ウエルド評価の領域を示す図である。 この発明の樹脂製品の成形方法の第２の実施の形態におけるウエルドの制御結果を示す図であり、（ａ）初期条件のままの結果、（ｂ）最適化の結果である。

符号の説明

CV キャビティ
G1, G2, G3 ゲート
R ランナー
N ノズル
G4, G5 ゲート
HR ホットランナー
SR スプルー
CR コールドランナー
LD ランド部

Claims (10)

1. キャビティへの複数の樹脂流入路を有する金型を用いて射出成形を行なう場合に、
   射出成形過程を計算する数値解析手法と計算機支援による最適化手法を組み合わせ、
   ウエルドの発生を抑制又は制御する対象区域を複数の領域に区分し、これらの領域におけるウエルド発生量に重み付けをして合算したものをウエルド評価値として用いることにより、ウエルド発生を特定の領域に誘導し又は特定領域から回避して、
   前記樹脂流入路の配置、形状、及び／又は寸法に関する金型設計パラメータを事前に求めることを特徴とする金型の設計方法。
2. 最適化のための評価関数として、成形に必要な型締力と、ウエルドの発生を評価するウエルド評価値とを、重み付けして合算したものを用いることを特徴とする請求項１に記載の金型の設計方法。
3. 前記金型設計パラメータは、前記金型のキャビティへの流入口であるゲートの点数及び／又はゲートの位置を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の金型の設計方法。
4. 前記金型設計パラメータは、前記金型のキャビティへの流入口であるゲートの寸法及び／又は形状を含むことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の金型の設計方法。
5. 前記金型設計パラメータを求める際に、成形過程における樹脂流入量を設定するプロセスパラメータを同時に求めることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の金型の設計方法。
6. 前記プロセスパラメータは、前記複数の樹脂流入路に配置された流入量調整弁の動作を制御するパラメータであることを特徴とする請求項５に記載の金型の設計方法。
7. 充填工程中の同時刻に全ての流入調整弁が全閉とならない条件の中で前記プロセスパラメータを最適化することを特徴とする請求項６に記載の金型の設計方法。
8. 請求項１ないし７のいずれかに記載の金型の設計方法に基づいて設計された金型。
9. キャビティへの複数の樹脂流入路を有する金型を用いて射出成形を行なう場合に、
   射出成形過程を計算する数値解析手法と計算機支援による最適化手法を組み合わせ、
   ウエルドの発生を抑制又は制御する対象区域を複数の領域に区分し、これらの領域におけるウエルド発生量に重み付けをして合算したものをウエルド評価値として用いることにより、ウエルド発生を特定の領域に誘導し又は特定領域から回避して、
   前記樹脂流入路の配置、形状、及び／又は寸法に関する金型設計パラメータを事前に求め、
   この求められた金型設計パラメータに基づいて作製した金型を用いて射出成形を行なうことを特徴とする射出成形品の製造方法。
10. キャビティへの複数の樹脂流入路を有する金型を用いて射出成形を行なう場合に、
    射出成形過程を計算する数値解析手法と計算機支援による最適化手法を組み合わせ、
    ウエルドの発生を抑制又は制御する対象区域を複数の領域に区分し、これらの領域におけるウエルド発生量に重み付けをして合算したものをウエルド評価値として用いることにより、ウエルド発生を特定の領域に誘導し又は特定領域から回避して、
    前記樹脂流入路の配置、形状、及び／又は寸法に関する金型設計パラメータを事前に求める工程をコンピュータに実行させるプログラム。
    

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