JP4481287B2 - 射出成形条件の解析方法 - Google Patents

Description

本発明は、射出成形機を用いて樹脂製品を成形するにあたって、金型内に充填させる溶融樹脂の挙動を解析する方法に関する。

従来、射出成形機を用いて樹脂製品を成形する場合は、例えば図８に示した手順で予めシミュレーションによって成形条件の予測値を求め、この予測値に基づいて実際の溶融樹脂の射出を行っている。
まず、金型形状及び樹脂成形品形状である形状データを形状データ入力部１０１に入力すると、この形状データ１０３は有限要素法、境界要素法、差分法などの数値解析法で使えるような微小要素に分解されて形状データ記憶部１０５に記憶される。
次いで、充填樹脂の流量と温度を射出条件データ入力部１１１に入力すると、これらの流量と温度データ１１３は数値処理されて射出条件データ記憶部１１５に記憶される。
さらに、前記形状データ１０３及び充填樹脂の流量と温度１１３を金型内挙動解析部１２１に入力すると、充填過程中における溶融樹脂の流動解析、充填終了からゲートシールまでの保圧過程の解析、及びゲートシール後の型内冷却過程の解析を行い、この解析過程の成形樹脂の金型内部における挙動データ１２３を算出する。こののち、挙動データ１２３は挙動データ記憶部１２５に記憶される。

しかしながら、前記従来の技術では、射出条件データ入力部１１１には、充填樹脂流量及び温度のみ１１３を入力しており、シリンダ内のバレル部に溜まっている溶融樹脂の圧縮性に関するデータは入力しておらず、該部に充満する溶融樹脂の圧縮性は解析に考慮されていない。このバレル部内の溶融樹脂量は大きいた め、圧縮性を考慮しない場合、実際の射出条件は、前記従来のシミュレーションによって得られる予測値とずれるおそれがあり、実機を用いて予測値の調整や補 正を何回も行う必要があった。また、バレル部に溜まった溶融樹脂の圧縮率が変化した場合には、その都度、予測値の調整を行う必要があった。
さらに、前記従来の技術においては、モータやボールねじなど、射出成形機を構成する機器の動作遅れ等に関するデータは入力されない。よって、従来のシミュレーションによっては、充填される溶融樹脂の流量を所定の目標応答パターンに近づけるような充填樹脂の応答に応じた射出成形機における制御コントローラの性能評価を行うことが困難であった。

本発明は、前記課題を解決し、バレル部内の溶融樹脂の圧縮性と、射出成形機の構成機器に起因する機械的な樹脂流動の遅れとを考慮に入れた、より実際の射出条件に近い射出成形条件の解析方法を提供することを目的とする。

本発明に係る射出成形条件の解析方法は、樹脂成形品形状に対応した金型キャビティの形状を数学的に定義した金型形状データと、射出成形機の射出装置と金型を連結する樹脂通路形状を数学的に定義した樹脂通路形状データと、金型キャビティの表面温度と、粘度を含む温度に依存する充填樹脂の物性データと、スプル入口部の溶融樹脂の圧力と温度と流量を含む射出条件データとを含む入力データを用い、射出ノズルの流路形状とシリンダのバレル部に貯溜される溶融樹脂の圧縮性を考慮して
溶融樹脂の金型キャビティ内への流動特性を算出する射出成形条件の解析方法である。
前記解析方法の解析シミュレーション手順は、
（１）形状データの入力
（２）射出条件データの入力
（３）バレル部条件データの入力
（４）成形樹脂の金型内における挙動解析
（５）ノズル流量等の計算
を含み、
更に、射出成形機を構成する機器に起因する機械的遅れを、樹脂充填解析の入力条件と
することにより、機械的な遅れと溶融樹脂の圧縮性による遅れの双方を考慮するものであ
る。

前記射出成形機を構成する機器に起因する機械的遅れは、例えば、機構動作計算により算出される。
本発明に係る射出成形条件の解析方法は、更に、解析した前記バレル部の樹脂の圧力を介して前記射出成形機の制御コントローラの制御出力をフィードバック計算することを含むことができる。
前記挙動解析、ノズル流量等の計算においては、例えば、以下の関係式が用いられる。
＜関係式＞
（ａ）スプル入口以降金型キャビティ内で成立する関係
Ｐ _Ｂ ＝ｆ _１ （η，β，Ｑ，ｌ） （式ａ）
（ｂ）ノズル部の関係
Ｐ _B −Ｐ _C ＝ｆ _２ （η，Ｑ） （式ｂ）
（ｃ）バレル部での関係
Ｖ _B ・β・ｄＰ _B ／ｄｔ＝−ＡB・ｖ _ｓ −Ｑ （式ｃ−１）
ｄＶ _B ／ｄｔ＝−Ａ _B ・ｖ _s （式ｃ−２）
（ｄ）スクリューの駆動条件で決る関係
ｖ _s ＝ｆ _３ （ｔ） （式ｄ）
ここに、Ｐ _B はノズル入口圧力、Ｐ _C はスプル入口圧力（＝ノズル出口圧力）あるいは金型充填圧力、βは樹脂圧縮率、ηは溶融粘度、Ｑはノズル樹脂の流量、ｌは金型キャビティの形状データ、Ｖ _B はバレル部の溶融樹脂の容積、Ａ _B はバレル部の断面積、ｖ _ｓ は射出スクリュー速度、ｆ _１ とｆ _２ は特性関数、ｆ _３ は射出速度の司令値に対して制御結果として得られる射出速度と制御系のパラメータとの関係をあらわす関数である。
このように、射出条件データには、スプル入口での溶融樹 脂の圧力、温度、流量（又は流速）などを含むことができる。そして、解析は少なくともこのようなスプル入口における条件に基づいて行なわれる。また、上記の樹脂通路には、スプル、ランナ、ゲートといった射出装置のノズル先端と、金型の本体あるいは金型の成形品の形状に対応する部分をつなぐ部分が含まれる。また、前記バレル部に収容された溶融樹脂の圧縮性に関するデータは、溶融樹脂をシリンダから押し出すスクリューの移動速度、バレル部断面積、ノズル−スプル間の流路断面積、流量特性係数、及び樹脂圧縮率の少なくともいずれかを含むことができる。

前記シリンダ内には、シリンダの軸方向に前進又は後退することが可能なスクリューが配設されており、このスクリューの前方側に位置するバレル部には、溶融 樹脂が収容されている。スクリューを前進させると、バレル部内の溶融樹脂が押し出され、シリンダ先端部のノズルから金型内のキャビティに溶融樹脂が流動圧入される。この場合において、前記バレル部に収容された溶融樹脂の量は非常に大きく、かつ、圧力が加えられると弾性的に圧縮される。これにより、射出開始 後、ボールネジ等に配設したロードセルによって圧力が検出されてから、金型内部の圧力が出力されるまでに時間遅れが生じる。しかしながら、従来は、このバ レル部の溶融樹脂は非圧縮性を有するもの、即ち、加圧されても全く圧縮されないと仮定して流動解析シミュレーションを行っていた。

本発明によれば、このバレル部内の溶融樹脂の圧縮性も考慮に入れた流動解析を行って、従来よりも、実際の射出条件に更に近く正確な挙動データを得ることができる。よって、シミュレーションの結果をそのまま用いて射出成形を行うことができ、従来のように、何回も実機を用いてシミュレーションの結果を補正する 必要がなくなり、コスト面のみならず、生産作業面においても非常に有利となる。

そして、本発明によれば、上述の解析方法において、金型キャビティ内へ溶融樹脂を充填完了した後の溶融樹脂に対する冷却特性を算出することにより、樹脂が 冷却されるときの収縮に伴う容積減少を補償するに要する溶融樹脂の充填圧力を算出する保圧算出工程をさらに含むようにすることができる。
さらに、本発明に係る射出成形条件の解析方法の別の態様は、前記入力データに、目標樹脂充填流量パターンと制御コントローラ内パラメータとを加えることによって、射出成形機を構成する機器に起因する機械的な遅れを考慮した、ノズル内を流動する溶融樹脂の充填流量を算出する方法である。

射出成形機は、モータやボールネジなどの様々な機器から構成されており、この機器には各々、いわゆるあそびあるいはあそび代を有する。このあそびは、回転運動を行う機械であれば必然的につきまとうものであるため、設備的な対策によって、無くすことはできない。
そこで、本発明によれば、主に、この機械のあそびに起因する機械的な樹脂流動の遅れを流動解析シミュレーションに取り入れることによって、従来よりも更に正確な樹脂の挙動データを算出することができる。

そして、本発明に係る射出成形条件の解析方法の更に別の態様は、前記制御コントローラ内パラメータが、スクリューの移動速度を演算制御する制御装置のＰＩＤ演算部のゲイン常数である方法である。ＰＩＤ制御は、制御偏差の現在値、過去からの積分値と、微分係数とを用いて操作量を決定する自動制御方法である。

なお、本発明に係る射出成形条件の解析方法においては、前記射出成形機を構成する機器は、溶融樹脂をシリンダ内から押し出すスクリューと、該スクリューを前後方向に移動させるボールネジと、該ボールネジを回転させるモータとからなる電動式駆動装置、あるいは油圧により直線駆動を行う油圧式駆動装置のいずれでもよい。

以下に、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。
［射出成形機の構造］
図１は、本発明の実施形態に用いる射出成形機の概略図である。
射出成形機の後部には、回転可能なサーボモータ１，１が上下に配設され、これらは互いに同期回転するように同期ベルト３によって連結されている。また、サーボモータ１，１の先端部は、タイミングベルト５，５によってボールネジ７，７に連結されている。該ボールネジ７，７にはボールナット９，９が螺合され ている。このボールナット９，９はプッシャープレート１１，１１を介して、シリンダ１３内のスクリュー１５の基部に接続され、該スクリュー１５は、回転可能に支持されている。

一方、図２に示すように、可塑化シリンダ１３内には、前記したように、前後方向に移動可能なスクリュー１５が配設されており、該スクリュー１５の前部は、バレル部１７と呼する溶融樹脂溜りが形成されている。更にシリンダ１３の先端部には、ノズル２１が形成されて、スプル、ランナ、ゲートをこの順に有する金型２３に接続されている。この金型２３の内部には、製品形状に合致した形状のキャビティ２５が形成されており、パーテイング面で分離・開閉可能に構成されている。

前記構成を有する射出成形機の動作状況を次に説明する。シリンダ１３は図示しない台盤に固定され、プッシャープレート１１は台盤上をボールねじ７とナット９から成る直線駆動機構を介して前後進駆動される。スクリュー１５は、プッシャープレート１１に回転支持されていてシリンダ１３内で回転可能及び前進後退可能に駆動される。

次に、射出成形作業が連続的動作に入った段階から概説する。
射出が完了した段階では可塑化段階では、スクリュー１５はシリンダ１３に対しての最前進位置にある。図示しない回転駆動装置でスクリュー１５を回転するとスクリューの基部に供給された固形の樹脂はスクリューのねじ溝に沿って送られる。樹脂はこの時シリンダ内壁面、ねじ溝面の間で摩擦を受けて発熱する。一方シリンダ１３は外部にヒータを設けて加熱しているので、シリンダ１３内の樹脂は摩擦の拠る発熱と外部加熱を受けねじ溝のリードに沿った送り動作に伴って順次溶融する。溶融した樹脂はバレル１７に貯溜される。溶融樹脂がバレル１７に貯溜するにしたがって、スクリュー１３は後退する。溶融樹脂の貯溜量が所定量に達すると スクリューの回転は停止され射出工程に移る。

射出成形時には、サーボモータ１，１が駆動され、ボールネジ７，７が回転し、該ボールネジ７，７に螺合するボールナット９，９及びプッシャープレート１１，１１は、図１の左方向に前進し、これに合わせてスクリュー１５も前進してシリンダ１３内に収容された溶融樹脂が金型２３のキャビティ２５内に射出され、このとき射出圧力はロードセル２７（図１参照）で検出される。
以上はボールねじ方式の直線駆動機構であるが、油圧駆動式に置き換えることが可能であることは言うまでもない。油圧駆動式の例としては、特開平１０−１０９３３９号公報に記載のものがある。

［第１の実施の形態］
以下に、第１の実施の形態として、金型２３内に溶融樹脂を射出して充填させる際に、バレル部１７の溶融樹脂の圧縮率を考慮して解析を行う解析手順を図３を用いて説明する。
（１）形状データの入力
まず、金型形状と樹脂成形品の形状（以下、形状データともいう）に関するデータをコンピュータの形状データ入力部３１に入力すると、この入力された形状データ２３は、有限要素法、境界要素法、差分法などの数値解析法で使えるような微小要素に分解されて形状データ記憶部３５に記憶される。

（２）射出条件データの入力
次いで、充填樹脂の物性データと流量と温度、及びスクリューの移動速度（以下、射出条件データともいう）の時間応答のデータを射出条件データ入力部３７に入力すると、これらのデータ３９は後述の計算に適した単位換算などの数値処理が施されて射出条件データ記憶部４１に記憶される。なお、前記物性データは、樹脂の溶融密度、比熱、熱伝導率などの熱特性や、溶融時の粘度特性などを少なくともいくつか含むものである。また、前記射出条件データ３９は、射出、保圧、冷却条件を定めるために有効なデータである。

（３）バレル部条件データの入力
さらに、バレル部の断面積及び長さ、ノズル径及び長さ、スプル径及び長さ、流量係数、樹脂の粘度及び樹脂の圧縮率（以下、バレル部条件データという）をバレル部条件データ入力部４３に入力すると、前記バレル部条件データ４５は、後述の計算に適した単位換算などの数値処理を施されて、バレル部条件データ記憶部４７に記憶される。

（４）成形樹脂の金型内における挙動解析
こののち、前記形状データ３３、前記射出条件データ３９、及び、後述のノズル流量等の記憶部に記憶されたノズル流量データ４９を金型内挙動解析部５１に入力すると、金型内部に充填中における溶融樹脂の流動解析、充填終了からゲートシールまでの保圧過程の解析、及びゲートシール後の型内冷却過程の解析を行い、この解析過程の成形樹脂の金型内部における挙動データ５３を算出する。該挙動データ５３は、成形樹脂の型内挙動データ記憶部５５に記憶される。

（５）ノズル流量等の計算
前記バレル部条件データ記憶部４７に記憶されたバレル部条件データ４５、前記射出条件データ記憶部４１に記憶された射出条件データ３９、及び、前記型内挙 動データ記憶部５５に記憶された挙動データ５３の中の金型内スプル圧力５７をノズル流量等の計算部５９に入力すると、該計算部において、バレル部１７の溶融樹脂の容積、バレル部１７の溶融樹脂の圧力、及びノズル流量などのデータ６１が計算され、ノズル流量等の記憶部６３に記憶される。

なお、バレル部１７の溶融樹脂の容積Ｖ_Bは次式により計算される。
ｄＶ_B／ｄｔ＝−Ａ_B・ｖ_s （式１）
ただし、Ｖ_Bはバレル部の溶融樹脂の容積、Ａ_Bはバレル部の断面積、ｖ_Sはスクリュー速度である。
バレル部１７の溶融樹脂の圧力Ｐ_Bは次式により計算される。
Ｖ_B・β・ｄＰ_B／ｄｔ＝−Ａ_B・ｖ_s−Ｑ （式２）
ただし、Ｐ_Bはバレル部の溶融樹脂の圧力、Ｑはノズル樹脂の流量、βは樹脂圧縮率である。
ノズル部での樹脂流量Ｑは、次式により計算される。
Ｑ＝［（Ｐ_B−Ｐ_C）／Ａ_r］^1/n （式３）
ただし、Ｐ_Cは金型スプルの入口の圧力、Ａ_rはノズルの通路断面積、ｎは流量特性に関わる定数である。

以上を整理すると以下の様になる。
（ａ）スプル入口以降金型内で成立する関係
Ｐ_C＝ｆ₁（η，β，Ｑ，ｌ） （式４）
（ｂ）ノズル部の関係
Ｐ_B−Ｐ_C＝ｆ₂（η，Ｑ） （式５）
（ｃ）バレル部での関係
Ｖ_B・β・ｄＰ_B／ｄｔ＝−Ａ_B・ｖ_s−Ｑ （式６）
ｄＶ_B／ｄｔ＝−Ａ_B・ｖ_s （式７）
（ｄ）スクリューの駆動条件で決る関係
ｖ_s＝ｆ₃（ｔ） （式８）
ここに、Ｐ_Bはノズル入口圧力、ｌは金型キャビティの形状データである。
Ｐ_Cはスプル入口圧力（＝ノズル出口圧力）であって、金型充填圧力としても考えられるものである。ｆ₁とｆ₂は特性関数であり、ｆ₃は、射出速度の司令値に対して制御結果として得られる射出速度と制御系のパラメータとの関係をあらわす関数である。ｆ₁、ｆ₂、ｆ₃は、理論的あるいは実験的データにより決定することができる。本発明においては、これらの関数のうち特にｆ₂（ｔ）は、樹脂圧縮率βにも依存している。
式４のみに拠る解析が、有限要素法、境界要素法、ＦＡＮ法等数値解析手法を用いたＣＡＤ／ＣＡＥ／ＣＡＭで提案されている従来技術の流動解析内容を総括的に示す部分である。

これに対し、本発明においては、Ｑ又はｖ_sを予め与えてＱ＝ｖ_s ^*Ａ_Bを得て式６などに拠って解析する。さらに、本発明によれば、ｖ_sとしては駆動系動特性から決まるｖ_sを用いることができる。例えば、射出スクリューの速度、射出スクリュー駆動装置の速度、射出スクリュー用のボールネジの回転駆動モータの速度、あるいは射出スクリューの直線駆動用油圧系の駆動状態などに関するセンサ信号値や制御信号値に関連付けてｖ_sの値、すなわちｆ₃（ｔ）を定めることができる。 図９に示すように、信号司令値に対応した速度司令値が与えられ、それぞれのコントローラ１５１、１５２により、電動機駆動または油圧駆動式装置といった制御対象１５４が制御される。すなわち、Ｘ_S、ｖ_sがコントローラ１５１、１５２からそれぞれ出力される。ｖ_sは解析装置１５３に出力されて解析される。

［第２の実施の形態］
第１の実施形態の式４から式８を連立させて解析する場合を示す。
以下に、第２の実施の形態として、金型２３内に溶融樹脂を射出して充填させる際に、バレル部１７の溶融樹脂の圧縮率と射出成形機の構成機器に起因する機械的な遅れの双方を考慮して解析を行う解析手順を図４を用いて説明する。
（１）解析条件データの入力
まず、充填樹脂の流量の目標パターン、制御コントローラ内のパラメータ、後述する機構動作計算部への入力諸元、及び形状データ（金型形状と樹脂成形品の形 状）を、後述の計算に適した単位換算などの数値処理を行ったり、形状データについては有限要素法、境界要素法、差分法などの数値解析法に適した微小要素に 分解して解析条件データ入力部７１に入力し、解析条件データ記憶部７３に記憶させる。
なお、前記機構動作計算部とは、アンプ、モータ１、ロードセル２７、ボールネジ７、スクリュー１５の動作の計算を行う部位を示す。

（２）制御コントローラ計算部への入力
次いで、前記解析条件データ記憶部７３に記憶した充填樹脂の流量の目標パターンと制御コントローラ内のパラメータ、また、機構動作計算記憶部に記憶されたモータ位置、及び樹脂充填解析計算値記憶部に記憶されたノズル樹脂流量と型内樹脂圧力を、制御コントローラ計算部７５に入力すると、制御出力７７である位 置指令とトルク制限指令を計算して、制御コントローラ出力記憶部７９に記憶される。
なお、制御コントローラ計算部７５における計算方法は、充填樹脂の流量の目標パターンと樹脂充填解析計算部が計算したノズル樹脂流量との差を小さくする計算方法（いわゆる馴染み制御）、又は、馴染み制御と同じ目的を有するＰＩＤ制御や最適制御等の公知の制御計算手法を用いて計算を行う。

（３）機構動作計算部への入力
さらに、前記解析条件データ記憶部７３に記憶した充填樹脂の流量の目標パターンと制御コントローラ内のパラメータ、また、制御コントローラ出力記憶部７９ に記憶された位置指令とトルク制限指令、樹脂充填解析計算値記憶部に記憶されたバレル部樹脂圧力を、機構動作計算部８１に入力すると、スクリュー速度や モータ位置などを計算して、機構動作計算値記憶部８３に記憶される。
この機構動作計算部においては、ニュートン力学の並進運動方程式、回転運動方程式に則った公知の方程式を解く計算方法を用いて計算を行う。

（４）樹脂充填解析計算部
そして、前記解析条件データ記憶部７３に記憶された金型形状と樹脂成形品形状、及び、機構動作計算値記憶部８３に記憶されたスクリュー速度を樹脂充填解析計算部８５に入力すると、型内樹脂圧力、ノズル樹脂流量、バレル部樹脂圧力等が計算され、樹脂充填解析計算値記憶部８７に記憶される。なお、この計算は、前記第１の実施の形態で説明した「（５）ノズル流量等の計算」におけるものと同じ計算方法を用いる。

ここでの計算は、式５又はノズル入口以降からゲートまでを数値解析によって計算する場合を示すものである。
すなわち、式５の関係を式３に拠らずに数値演算処理する場合に相当に相当する。
次いで、図５を用いて、１次元要素でｎ分割してモデル化されたノズル形状に対するノズル部での圧力損失解析の流れを説明する。
まず、ステップ４００にて流動解析に使用された射出速度データＶ（Ｖ₀）に、前記（式３）で求めたノズル樹脂流量Ｑを計算する。
ステップ４０１では、サンプリング周期で離散化された時間情報を表すカウンタＮを「１」に設定し、金型側のノズル端部の樹脂圧力損失累積ＰＮ₁を「０」とする（ステップ４０３）。
ステップ４０４において、ノズル形状モデル内の要素番号カウンタｉを「１」に設定し、要素ｉでのせん断速度γ_iを円管内の式９から求める（ステップ４０５）。
γ_i＝４Ｑ／（πＲ_i ³） ・・・・（式９）
ここで、Ｒ_iは要素ｉにおける半径である。

次にステップ４０６で、要素ｉ内での溶融粘度η_iを樹脂温度Ｔ（なお、この樹脂温度は、ノズルに設定された温度より経験的に予想して求める。例えば、ノズル設定温度に１０度加算した温度とする。）、せん断速度γ_iから、例えば次の式１０に示す粘度モデル式などによって求める。
η_i＝Ａ×γ_iＢ×Ｅｘｐ（Ｃ×Ｔ） ・・・・（式１０）
ここで、Ａ、Ｂ、Ｃは定数である。ステップ４０８は、（式６）に示す円管内の流動圧力損失式から要素ｉ内での圧力損失ΔＰ_iを求め、節点ｉの圧力損失累計ＰＮ_iにΔＰ_iを加え節点ｉ＋１の圧力損失累計ＰＮ_i＋１を求める（ステップ４０９）。
ΔＰ_i＝Ｌ_i×Ｑ×８η_i／（πＲ_i４） ・・・・（式６）
ここでＬ_iは要素ｉの長さ、Ｒ_iは要素ｉにおける半径、η_iは要素ｉにおける溶融粘度であり、予め入力されている。

次に、要素番号ｉをｉ＋１として（ステップ４１０）、ステップ４０５に戻り、ｉがｎを超えるまで４０６〜４１０の操作を実行して求められた成形機側のノズル端部の節点での圧力損失累計ＰＮ_n+1をＰ_loss（Ｎ）として記憶する（ステップ４１１）。
ステップ４１２は、カウンタＮを「１」加算し、カウンタＮの値が樹脂流動解析で得られた樹脂流入口の樹脂圧力のデータの数Ｎ０になるまでステップ４０２〜４１２の演算を繰り返し、圧力損失カーブＰ_loss（Ｎ）を計算する。

なお、前述の第２の実施形態による溶融樹脂のノズル流量を図６に示す。この図６は、従来の方法によってノズル流量を解析したグラフと、第２の実施形態によって解析したノズル流量とを同一のスクリュー速度において対比して描いたものである。また、下側には、スクリュー速度が同一時間軸で示してある。
この図６から判るように、本発明の方がノズル流量の時間的遅れを明確に示しており、滑らかな曲線状を描いている。特に、充填が開始された直後は、バレル部の樹脂量が多いため、圧縮による収縮量が大きくなり従来との相違が大きくなり、これは、充填量の差として充填終了まで影響を及ぼすことになる。

これまで述べた射出成形条件の解析方法による作用効果について説明する。
前記の第１の実施形態によれば、バレル部から型内の全ての溶融樹脂を一体として取り扱って解析計算することによって、バレル部の樹脂の圧縮性を考慮して、 スクリューの動きに対する樹脂流動の遅れを考慮することが可能となり、高速充填時の金型内部の樹脂圧力、ノズル樹脂流量などの充填挙動を精度良く計算することができる。
また、射出成形機のバレル部、ノズル部及び金型内の全ての樹脂の圧縮性を一つのプログラム内で取り扱い、バレル部、ノズル部、金型内の全域に亘る圧力分布、温度分布を計算することができる。
さらに、充填流量を射出条件とし、金型内の圧力分布、温度分布を計算する手法として、有限要素法、境界要素法、差分法などのいかなる数値解析やその分割次数が２次元であるか又は３次元であるかにかかわらず、使用することができる。

一方、前記第２の実施形態によれば、射出成形機の制御コントローラに入力するパラメータと目標樹脂充填流量パターンを入力することによって、射出成形機を構成するモータやボールネジなどの機械的な駆動装置の電気的又は機械的な動作遅れとバレル部樹脂の圧縮性による応答遅れとを考慮したノズル樹脂充填流量の経時的な特性値を算出することができる。
また、バレル部の樹脂の圧力を介して制御コントローラにフィードバックして、樹脂の圧縮性を考慮した制御出力である位置指令を計算することができる。
さらに、制御パラメータを変更したとき、射出成形機の駆動部を構成する機器の諸元を変更したとき、金型形状を変更したときのそれぞれにおいて、機械的な遅れとバレル部樹脂の圧縮性による遅れとを一括して考慮して、１回の計算によって成形品の品質評価を行うことができる。

なお、本発明は、前述した実施の形態に限定されることなく、本発明の技術思想に基づいて種々の変更及び変形が可能である。
例えば、第１の実施の形態においては、成形樹脂の金型内挙動解析部５１とノズル流量等の計算部５９とを分けて別々に入力及び計算をしたが、これらは一体にして計算することも可能である。ほとんどの成形樹脂の金型内挙動解析手法では、その内部で多次元の連立方程式を解いており、この連立方程式と前述した式１〜式３までを連立して解くことによって、金型内挙動解析部５１とノズル流量等の計算部５９とにおける計算を一体に行うことができる。

また、本発明に係る解析方法をインターネットを介して第三者に利用可能にすることができる。例えば、図７に示すように、まず、利用者登録を行った利用者９１が、利用者識別子と提供要求内容を表すリクエストから構成される商品購入要求情報９３とをインターネット９４内の課金可能ウェブサーバ９５に送信する。次いで、このサーバ９５からインターフェース９６を介してデータ提供者の保有するホームページに設けられたシミュレーションソフトウェア９７（本発明に係る解析シミュレーション）にアクセスすることができる。利用者９１が基礎データを入力すると、型内樹脂の圧力分布、温度分布、バレル部の溶融樹脂の圧縮性や機械的遅れを考慮したノズル樹脂流量が前記シミュレーションソフトウェア９７によって算出されるため、この算出値と課金情報を利用者９１に送信する。そして、前記課金情報は利用者識別子に対応してデータベースに記憶される。

本発明の実施形態に用いる射出成形機を示す概略図である。 図１の要部を示す拡大断面図である。 第１の実施形態に係る解析方法の手順を示すフローチャートである。 第２の実施形態に係る解析方法の手順を示すフローチャートである。 第２の実施形態に係るノズル部での圧力損失解析を示すフローチャートである。 第２の実施形態に係るシミュレーション結果を示すグラフである。 本発明に係る解析シミュレーションをインターネットを介して第三者に利用可能にするシステムの概念図である。 従来の解析方法の手順を示すフローチャートである。 本発明において用いられる制御系統を示すダイアグラムである。

符号の説明

１ サーボモータ３
３ 同期ベルト
５ タイミングベルト
７ ボールネジ
９ ボールナット
１１ プッシャープレート
１３ シリンダ
１５ スクリュー
１７ バレル
２１ ノズル
２３ 金型
２５ キャビティ２５

Claims (9)

1. 樹脂成形品形状に対応した金型キャビティの形状を数学的に定義した金型形状データと、射出成形機の射出装置と金型を連結する樹脂通路形状を数学的に定義した樹脂通路形状データと、金型キャビティの表面温度と、粘度を含む温度に依存する充填樹脂の物性データと、スプル入口部の溶融樹脂の圧力と温度と流量を含む射出条件データとを含む入力データを用い、射出ノズルの流路形状とシリンダのバレル部に貯溜される溶融樹脂の圧縮性を考慮して溶融樹脂の金型キャビティ内への流動特性を算出する射出成形条件の解析方法であって、
   前記解析方法の解析シミュレーション手順は、
   （１）形状データの入力
   （２）射出条件データの入力
   （３）バレル部条件データの入力
   （４）成形樹脂の金型内における挙動解析
   （５）ノズル流量等の計算
   を含み、
   更に、射出成形機を構成する機器に起因する機械的遅れを、樹脂充填解析の入力条件とすることにより、機械的な遅れと溶融樹脂の圧縮性による遅れの双方を考慮することを特徴とする射出成形条件の解析方法。
2. 前記射出成形機を構成する機器に起因する機械的遅れを、機構動作計算により算出することを特徴とする請求項１に記載の射出成形条件の解析方法。
3. 更に、解析した前記バレル部の樹脂の圧力を介して前記射出成形機の制御コントローラの制御出力をフィードバック計算することを含むことを特徴とする請求項１または２に記載の射出成形条件の解析方法。
4. 前記挙動解析、ノズル流量等の計算において、以下の関係式を用いることを特徴とする請求項１に記載の射出成形条件の解析方法。
   ＜関係式＞
   （ａ）スプル入口以降金型キャビティ内で成立する関係
   Ｐ_Ｂ＝ｆ_１（η，β，Ｑ，ｌ） （式ａ）
   （ｂ）ノズル部の関係
   Ｐ_B−Ｐ_C＝ｆ_２（η，Ｑ） （式ｂ）
   （ｃ）バレル部での関係
   Ｖ_B・β・ｄＰ_B／ｄｔ＝−Ａ_B・ｖ_ｓ−Ｑ （式ｃ−１）
   ｄＶ_B／ｄｔ＝−Ａ_B・ｖ_ｓ （式ｃ−２）
   （ｄ）スクリューの駆動条件で決る関係
   ｖ_ｓ＝ｆ_３（ｔ） （式ｄ）
   ここに、Ｐ_Bはノズル入口圧力、Ｐ_Cはスプル入口圧力（＝ノズル出口圧力）あるいは金型充填圧力、βは樹脂圧縮率、ηは溶融粘度、Ｑはノズル樹脂の流量、ｌは金型キャビティの形状データ、Ｖ_Bはバレル部の溶融樹脂の容積、Ａ_Bはバレル部の断面積、ｖ_ｓは射出スクリュー速度、ｆ１とｆ２は特性関数、ｆ３は射出速度の司令値に対して制御結果として得られる射出速度と制御系のパラメータとの関係をあらわす関数である。
5. 金型キャビティ内へ溶融樹脂を充填完了した後の溶融樹脂に対する冷却特性を算出することにより、樹脂が冷却されるときの収縮に伴う容積減少を補償するに要する溶融樹脂の充填圧力を算出する保圧算出工程をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の射出成形条件の解析方法。
6. 前記射出スクリューの速度は、該射出スクリューを直線駆動する駆動装置の速度制御装置によって制御された速度であることを特徴とする請求項４に記載の射出成形条件の解析方法。
7. 前記直線駆動装置がボールネジと該ボールネジを回転駆動するモータとから成る電動式の駆動装置であることを特徴とする請求項６に記載の射出成形条件の解析方法。
8. 前記直線駆動装置が油圧式であることを特徴とする請求項６に記載の射出成形条件の解析方法。
9. 前記入力データに、目標樹脂充填流量パターンと制御コントローラ内パラメータとを加えることによって、射出成形機を構成する機器に起因する機械的な遅れを考慮した、ノズル内を流動する溶融樹脂の充填流量を算出する解析方法であることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の射出成形条件の解析方法。

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