JP4643373B2 - 押出スクリュの均一溶融シミュレーション方法およびその方法を実行するコンピュータプログラムおよび押出スクリュの均一溶融シミュレーション装置 - Google Patents

押出スクリュの均一溶融シミュレーション方法およびその方法を実行するコンピュータプログラムおよび押出スクリュの均一溶融シミュレーション装置 Download PDF

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Description

この発明は、押出機に用いられる押出スクリュの均一溶融シミュレーション方法、その方法を実行するコンピュータプログラムおよび押出スクリュの均一溶融シミュレーション装置に関し、特に、押出成形シート、フィルムの厚薄精度に関しての押出スクリュの良否を判断するために、溶融樹脂の均一性の評価をシミュレーションする押出スクリュの均一溶融シミュレーション方法、その方法を実行するコンピュータプログラムおよび押出スクリュの均一溶融シミュレーション装置に関するものである。
押出機によって製造される押出成形シート、フィルムの厚薄精度や成形ひずみ低減のために、押出スクリュによる溶融樹脂の均一性を評価することが行われている。
従来、この押出スクリュの均一溶融の評価は、各種仕様の押出スクリュを使用して混練成形試験を繰り返し行い、押出圧力の変動(押出機出口にギヤポンプが接続されている場合には、ギヤポンプ出口圧力の変動)や押出温度の変動を測定し、実機による試験運転、実験結果より行っているのが現状である。このため、評価を得るために、かなりの手間と時間、費用を掛けている。
また、大型機への押出スクリュのスケールアップについては、経験や実績に基づく手法に依存しており、経験や実績を必要としていた。
この発明が解決しようとする課題は、実機による試験運転、実験結果や、経験、実績に基づくことなく、CEA解析によるシミュレーションによって、精度よく高い信頼性をもって定量的に押出スクリュの均一溶融の評価することである。
この発明による押出スクリュの均一溶融シミュレーション方法は、押出機のバレル内に設けられる押出スクリュによる樹脂の均一溶融性状態をシミュレーションする押出スクリュの均一溶融シミュレーション方法において、入力された前記押出スクリュの形状寸法と前記バレルの形状寸法とに基づいて前記バレル内において溶融した樹脂が完全充満している一定容積部を、前記押出スクリュの条数をNとして、前記スクリュ先端から所定距離だけ上流側に偏倚した軸垂直断面による少なくても、1/Nリード分以上の軸長を有する前記バレルと前記押出スクリュとの間の三次元的空間と定義し、前記一定容積部がなす解析対象空間を三次元の多数の微小要素に分割し、前記微小要素毎の溶融樹脂の温度を、入力された押出機の押出スクリュの温度と熱伝導率、バレルの温度および熱伝導率、押出スクリュ回転速度、前記バレル内の溶融樹脂流量、溶融樹脂の流入温度、溶融樹脂の押出圧力、および樹脂データとしての溶融樹脂の粘度、比熱と、非圧縮ナビエーストークス方程式、連続の式、およびエネルギー式に基づく三次元熱流体解析演算とを使用して算出し、算出された微小要素毎の溶融樹脂温度より前記解析対象空間の温度ヒストグラムを作成し、前記温度ヒストグラムの標準偏差を算出し、前記微小要素毎の溶融樹脂の温度あるいは前記温度ヒストグラムより前記解析対象空間における溶融樹脂の平均温度を算出し、前記平均温度と前記温度ヒストグラムの標準偏差との比率値を演算し、前記比率値を均一溶融の評価指標とする。
この発明によるコンピュータプログラムは、コンピュータに、入力された押出スクリュの形状寸法とバレルの形状寸法とに基づいて押出機のバレル内において溶融した樹脂が完全充満している一定容積部を、前記押出スクリュの条数をNとして、前記スクリュ先端から所定距離だけ上流側に偏倚した軸垂直断面による少なくても、1/Nリード分以上の軸長を有する前記バレルと前記押出スクリュとの間の三次元的空間と定義し、前記一定容積部がなす解析対象空間を三次元の多数の微小要素に分割する手段と、前記微小要素毎の溶融樹脂の温度を、入力された押出機の押出スクリュの温度と熱伝導率、バレルの温度と熱伝導率、押出スクリュ回転速度、前記バレル内の溶融樹脂流量、溶融樹脂の流入温度、溶融樹脂の押出圧力、および樹脂データとしての溶融樹脂の粘度、比熱と、非圧縮ナビエーストークス方程式、連続の式、およびエネルギー式に基づく三次元熱流体解析演算とを使用して算出する手段と、算出された微小要素毎の溶融樹脂温度より前記解析対象空間の温度ヒストグラムを作成する手段と、前記温度ヒストグラムの標準偏差を算出する手段と、前記微小要素毎の溶融樹脂の温度あるいは前記温度ヒストグラムより前記解析対象空間における溶融樹脂の平均温度を算出する手段と、前記平均温度と前記温度ヒストグラムの標準偏差との比率値を演算する手段と、前記比率値を押出スクリュの均一溶融の評価指標として出力する手段として機能させるためのプログラムである。
この発明による押出スクリュの均一溶融シミュレーション装置は、押出機のバレル内に設けられる押出スクリュによる樹脂の均一溶融性状態をシミュレーションする押出スクリュの均一溶融シミュレーション装置において、入力された押出スクリュの形状寸法とバレルの形状寸法とに基づいて前記バレル内において溶融した樹脂が完全充満している一定容積部を、前記押出スクリュの条数をNとして、前記押出スクリュの条数をNとして、前記スクリュ先端から所定距離だけ上流側に偏倚した軸垂直断面による少なくても、1/Nリード分以上の軸長を有する前記バレルと前記押出スクリュとの間の三次元的空間と定義し、前記一定容積部がなす解析対象空間を三次元の多数の微小要素に分割する手段と、前記微小要素毎の溶融樹脂の温度を、入力された押出機の押出スクリュの温度と熱伝導率、バレルの温度と熱伝導率、押出スクリュ回転速度、前記バレル内の溶融樹脂流量、溶融樹脂の流入温度、溶融樹脂の押出圧力、および樹脂データとしての溶融樹脂の粘度、比熱と、非圧縮ナビエーストークス方程式、連続の式、およびエネルギー式に基づく三次元熱流体解析演算とを使用して算出する手段と、算出された微小要素毎の溶融樹脂温度より前記解析対象空間の温度ヒストグラムを作成する手段と、前記温度ヒストグラムの標準偏差を算出する手段と、前記微小要素毎の溶融樹脂の温度あるいは前記温度ヒストグラムより前記解析対象空間における溶融樹脂の平均温度を算出する手段と、前記平均温度と前記温度ヒストグラムの標準偏差との比率値を演算する手段と、前記比率値を均一溶融の評価指標して出力する手段とを有する。
この発明は、溶融樹脂充満の一定容積部における溶融樹脂温度のヒストグラムの特性値と、押出機出口に接続されているギヤポンプの出口部の圧力変動(一定容積部の圧力変動)とに相関性があることに着目しててなされたものであり、一定容積部がなす解析対象空間を三次元に分割した微小要素毎の溶融樹脂温度の数値解析演算(CAE解析)による算出値より解析対象空間(一定容積部)の温度ヒストグラムを作成し、その解析対象空間における溶融樹脂の平均温度と温度ヒストグラムの標準偏差との比率値を評価指標とすることにより、実機による試験運転、実験結果や、経験、実績に基づくことなく、CEA解析によるシミュレーションによって押出スクリュの均一溶融の評価を、精度よく、高い信頼性をもって、定量的に行うことができる。
これにより、押出機における均一溶融性についての押出スクリュ諸元や運転条件の妥当性を効率よく、検討でき、併せて成形品の品質を高めるための検討を効率よく的確に行うことができるようになる。
まず、この発明による押出スクリュの均一溶融シミュレーション方法および装置が適用される押出成形システムの概要を、図5を参照して説明する。
押出機50は、ベント部51を有するベント式押出機であり、定量フィーダ61よりホッパ52に、樹脂ペレットを定量供給され、バレル(200)内で樹脂ペレットを溶融させ、押出スクリュ(201、202)によって溶融樹脂を混練しつつ押出機出口53へ搬送する。押出機出口53には、ギヤポンプ62、フィルタ63、Tダイ64が順に接続され、溶融樹脂を、フィルム・シート成形用のロール装置65へ供給するようになっている。
つぎに、この発明による押出スクリュの均一溶融シミュレーション方法および装置の一つの実施形態を、図1を参照して説明する。
このシミュレーションは、コンピュータ(電子計算機システム)10が、シミュレーションプログラムを実行することにより実施される。コンピュータ10は、CPU、記憶手段等を有するコンピュータ本体11と、キーボート等による入力部12と、CRT等によるディスプレイ部13とにより構成されている。
シミュレーションプログラム(コンピュータプログラム)は、コンピュータ10に、入力された押出スクリュ・バレルの仕様に基づいて押出機のバレル内において溶融した樹脂が完全充満している一定容積部を定義し、当該一定容積部がなす解析対象空間を三次元の多数の微小要素に分割する手段と、前記微小要素毎の溶融樹脂の温度を、入力された押出機の稼働状態を示す情報に応じて数値解析演算によって算出する手段と、算出された微小要素毎の溶融樹脂温度より前記解析対象空間の温度ヒストグラムを作成する手段と、前記温度ヒストグラムの標準偏差を算出する手段と、前記微小要素毎の溶融樹脂の温度あるいは前記温度ヒストグラムより前記解析対象空間における溶融樹脂の平均温度を算出する手段と、前記平均温度と前記温度ヒストグラムの標準偏差との比率値を演算する手段と、前記比率値を押出スクリュの均一溶融の評価指標として出力する手段として機能させるためのプログラムである。
コンピュータ10は、上述のシミュレーションプログラムの実行下で、ユーザ操作によって入力部12よりスクリュ・バレルの仕様と、押出機50の稼働状態を示す情報を取り込み、押出スクリュ・バレル仕様をデータ記憶部101のスクリュ・バレル仕様データ部102に、押出機の稼働状態を示す情報をデータ記憶部101の押出機稼働条件データ部103に各々ストアする。
この実施形態において、押出スクリュの均一溶融シミュレーションを行う押出機50は、図2(a)、(b)に示されているような2軸同方向噛合型ベント式押出機であり、バレル200内に2本の押出スクリュ201、202を有する。図2(a)、(b)は、共に、スクリュ先端の軸垂直断面図であり、このうち、図2(a)は標準溝スクリュのものを、図2(b)は、超深溝スクリュのものを示している。
入力項目である押出スクリュ・バレルの仕様は、押出スクリュ201、202の形状寸法とバレル200の形状寸法であり、押出機50の稼働状態を示す情報は、押出スクリュ・バレル温度および熱伝導率、スクリュ回転速度、バレル内の溶融樹脂流量、溶融樹脂の流入温度、溶融樹脂の押出圧力、および樹脂データとしての溶融樹脂の粘度、比熱等である。
コンピュータ10は、前述したシミュレーションプログラムを実行することにより、押出スクリュの均一溶融シミュレーション装置として機能し、一定容積部定義・微小要素設定部(手段)111と、溶融樹脂温度数値解析演算部(手段)112と、温度ヒストグラム作成部(手段)113と、標準偏差算出部(手段)114と、平均温度算出部(手段)115と、比率値演算部(手段)116と、評価指標出力部(手段)117をソウトウェア式に具現化する。
一定容積部定義・微小要素設定部111は、スクリュ・バレル仕様データ部102にストアされたスクリュ・バレルの仕様に基づいてバレル200内において溶融した樹脂が完全充満している一定容積部210を定義し、当該一定容積部210がなす解析対象空間を、予めパラメータ設定されている容積の微小空間に分割した三次元の多数の微小要素ΔE1、ΔE2・・・(図2参照)を画定する。
一定容積部210は、押出スクリュ201、202の条数をNとして、スクリュ先端から所定距離だけ上流側に偏倚した軸垂直断面による少なくても、1/Nリード分以上の軸長を有するバレル200と押出スクリュ201、202との間の三次元空間である。たとえば、押出スクリュ201、202の条数が2条の場合は、一定容積部210は、少なくてもスクリュ半リード分以上の軸長を有するバレル200と押出スクリュ201、202との間の三次元空間である。なお、一定容積部210は、押出スクリュ201、202の条数が、3条の場合には、1/3リード分以上、4条の場合には、1/4リード分以上の軸長を有するバレル200と押出スクリュ201、202との間の三次元空間になる。
溶融樹脂温度数値解析演算部112は、CAE(Computer Aided Engineering)解析部であり、微小要素ΔE1、ΔE2・・・毎の溶融樹脂の温度を、押出機稼働条件データ部103にストアされている押出機の稼働状態を示す情報に応じて数値解析演算によって算出する。
この数値解析演算は、公知の非圧縮ナビエーストークス方程式、連続の式、エネルギー式に基づく三次元熱流体解析演算であり、微小要素ΔE1、ΔE2・・・毎の溶融樹脂温度を算出できる。
温度ヒストグラム作成部113は、溶融樹脂温度数値解析演算部112によって算出された微小要素ΔE1、ΔE2・・・毎の溶融樹脂温度より解析対象空間(一定容積部210)の温度ヒストグラムを作成する。図3(a)は標準溝スクリュによるものの温度ヒストグラムを、図3(b)は、超深溝スクリュによるもの温度ヒストグラムを各々示している。
標準偏差算出部114は、温度ヒストグラムの標準偏差σを算出する。標準偏差σは、温度ヒストグラム作成部113によって作成された温度ヒストグラムより得られる確率変数Xの分散の平方根であり、一般的には、σ(X)で表される。
平均温度算出部115は、溶融樹脂温度数値解析演算部112によって算出された微小要素ΔE1、ΔE2・・・毎の溶融樹脂温度、あるいは温度ヒストグラム作成部113によって作成された温度ヒストグラムより、解析対象空間(一定容積部210)における溶融樹脂の平均樹脂温度(算術平均)Trを算出する。
比率値演算部116は、標準偏差算出部114によって算出された標準偏差σと、平均温度算出部115によって算出された平均樹脂温度Trとの比率値kσ/Trを演算する。比率値演算部116は、この実施形態では、k=3として、比率値3σ/Trを算出する。
評価指標出力部117は、比率値演算部116によって演算された比率値3σ/Trを、押出スクリュ201、202の均一溶融の評価指標として出力する。この出力は、記憶手段に書き込むファイル出力、ディスプレイ部13に出力する描画出力等がある。
溶融樹脂充満の一定容積部210における溶融樹脂温度のヒストグラムの特性値、つまり、比率値3σ/Trと、押出機出口53に接続されているギヤポンプ62の出口部の圧力変動とに相関性があることから、比率値3σ/Trを、押出スクリュ201、202の均一溶融性についての評価指標とすることにより、実機による試験運転、実験結果や、経験、実績に基づくことなく、CEA解析によるシミュレーションによって押出スクリュ201、202の均一溶融の評価を、精度よく、高い信頼性をもって、定量的(数量的)に行うことができる。
これにより、押出機における均一溶融性についての押出スクリュ諸元や運転条件の妥当性を効率よく検討でき、大型機への押出スクリュのスケールアップについても、経験や実績に基づく手法に依存することなく、妥当性を効率よく検討できる。
また、成形品の品質を高めるための検討も効率よく的確に行うことができるようになる。
溶融樹脂充満の一定容積部における溶融樹脂温度のヒストグラムの特性値が、ギヤポンプ出口部の圧力変動とに相関性があり、比率値3σ/Trが押出スクリュの均一溶融の評価指標としての妥当性を、以下の実機試験により検証した。
噛合型同方向回転式二軸押出機において、D/d(押出スクリュ外径/押出スクリュ谷径)の異なる二種類の押出スクリュ、すなわち、標準溝スクリュA(D/d≒1.6、D=47.3)と、超深溝スクリュB(D/d≒1.8、D=50.2)について、MFR3.0のPP樹脂を使用して押出圧力変動(ギヤポンプ出口部圧力変動)の差異を調査する混線試験を行った。
A、B二本のスクリュは、D/d値を除いて、スクリュ構成は、ほぼ同一である。押出流量、スクリュ回転速度、バレル設定温度、押出圧力も、ほぼ同一条件で試験をした。
その結果、超深溝スクリュBの押出圧力変動(ΔP/P)は、標準溝スクリュAのそれの約50%であり、超深溝スクリュBは、標準溝スクリュAより均一溶融性がよい試験データが得られた。なお、押出圧力変動(ΔP/P)は、ギヤポンプ出口部の圧力変動である。
上記2本のスクリュA、Bにおいて、本発明によるシミュレーション法に従って、スクリュ先端部溶融樹脂の充満長部の一定容積部について、運転条件を基に温度ヒストグラムを数値計算(CAE解析)し、3σ/Trを求めた結果、超深溝スクリュBの3σ/Trは、標準溝スクリュAの3σ/Trより20%小さく、超深溝スクリュBは均一溶融性に優れていることが数値計算で確認できた。
また、CAE解析において、一定容積部における標準溝スクリュAの最高温度と最低温度との温度差が約45℃であるのに対して、超深溝スクリュBの最高温度と最低温度との温度差は約42℃であることも確認できた。
押出圧力変動(ギヤポンプ出口部圧力変動)の試験結果と、本発明によるシミュレーション法(CAE解析)により得れる温度ヒストグラムの3σ/Trとを図4に示す。図4より、押出圧力変動の試験結果と本発明によるシミュレーション法により得れる温度ヒストグラムの3σ/Trに対応関係があることがわかる。
上述したように、超深溝スクリュは押出機用スクリュとして標準溝スクリュより優れているので、超深溝スクリュが、特にフイルム状シートの厚みの均一性について有利であることについて注目されている。
したがって、いろいろな大きさ(型式)の超深溝型押出機の需要が期待されている。しかしながら、スケールアップさせたい押出機に、超深溝スクリュを採用する場合、樹脂の均一溶融性が、どのようになるかを、予測できない。このため、超深溝スクリュを製作し、実際に押出機により運転をしてみないことには、その良否が不明であったが、本発明によるシミュレーション法により、そのことを解決した。
本発明のシミュレーション法では、上述したように、実際に超深溝スクリュを製作し、押出機によりテストを行った結果と、CAE解析の手法を利用して、当該超深溝スクリュを押出機に使用したときの溶融状態の解析結果とを比較し、その解析結果が実際の測定結果をよく反映していることを確認したので、本発明は、このようなCAE解析の手法が有効であると考え、溶融の均一性の評価をシミュレーションによって行うことを提唱するものである。
CAE解析の妥当性、合理性の根拠としては、充満部溶融樹脂の温度(変動)と、ギヤポンプ出口側での圧力変動とに密接な相関があり、且つバレル内部での温度データ(無数の測定点が必要)の実測が困難であるという前提の下に、これらをCAE解析の手法により解決するものである。
なお、本発明のシミュレーション法は、今回実験し、検証した超深溝スクリュを使用する2軸押出機に限定されるものではなく、1軸押出機にも適用できる。
そして、本発明のシミュレーション法は、より基本的には、ギヤポンプ出口部の圧力変動を、当該充満容積部分における溶融樹脂の温度分布によって一定の条件の下で推定可能であるという点に、高い有用性がある。
この発明による押出スクリュの均一溶融シミュレーション方法および装置の一つの実施形態を示す説明図である。 (a)は標準溝スクリュを使用した2軸同方向噛合型ベント式押出機のスクリュ先端の軸垂直断面図、(b)は超深溝スクリュを使用した2軸同方向噛合型ベント式押出機のスクリュ先端の軸垂直断面図である。 (a)は標準溝スクリュの温度ヒストグラムを、(b)は超深溝スクリュの温度ヒストグラムを示すヒストグラムである。 押出圧力変動の試験結果と、本発明によるシミュレーション法(CAE解析)により得れる温度ヒストグラムの3σ/Trとの関係を示す表図である。 この発明による押出スクリュの均一溶融シミュレーション方法および装置が適用される押出成形システムの概要を示す図である。
符号の説明
10 コンピュータ
11 コンピュータ本体
12 入力部
13 ディスプレイ部
50 押出機
51 ベント部
52 ホッパ
53 押出機出口
61 定量フィーダ
62 ギヤポンプ
63 フィルタ
64 Tダイ
65 ロール装置
111 一定容積部定義・微小要素設定部
112 溶融樹脂温度数値解析演算部
113 温度ヒストグラム作成部
114 標準偏差算出部
115 平均温度算出部
116 比率値演算部
117 評価指標出力部
200 バレル
201、202 押出スクリュ
210 一定容積部
ΔE1、ΔE2・・・ 微小要素

Claims (3)

  1. 押出機のバレル内に設けられる押出スクリュによる樹脂の均一溶融性状態をシミュレーションする押出スクリュの均一溶融シミュレーション方法において、
    入力された前記押出スクリュの形状寸法と前記バレルの形状寸法とに基づいて前記バレル内において溶融した樹脂が完全充満している一定容積部を、前記押出スクリュの条数をNとして、前記スクリュ先端から所定距離だけ上流側に偏倚した軸垂直断面による少なくても、1/Nリード分以上の軸長を有する前記バレルと前記押出スクリュとの間の三次元的空間と定義し、前記一定容積部がなす解析対象空間を三次元の多数の微小要素に分割し、
    前記微小要素毎の溶融樹脂の温度を、入力された押出機の押出スクリュの温度と熱伝導率、バレルの温度と熱伝導率、押出スクリュ回転速度、前記バレル内の溶融樹脂流量、溶融樹脂の流入温度、溶融樹脂の押出圧力、および樹脂データとしての溶融樹脂の粘度、比熱と、非圧縮ナビエーストークス方程式、連続の式、およびエネルギー式に基づく三次元熱流体解析演算とを使用して算出し、
    算出された微小要素毎の溶融樹脂温度より前記解析対象空間の温度ヒストグラムを作成し、
    前記温度ヒストグラムの標準偏差を算出し、
    前記微小要素毎の溶融樹脂の温度あるいは前記温度ヒストグラムより前記解析対象空間における溶融樹脂の平均温度を算出し、
    当該平均温度と前記温度ヒストグラムの標準偏差との比率値を演算し、
    当該比率値を均一溶融の評価指標とする
    ことを特徴とする押出スクリュの均一溶融シミュレーション方法。
  2. コンピュータに、入力された押出スクリュの形状寸法とバレルの形状寸法とに基づいて押出機のバレル内において溶融した樹脂が完全充満している一定容積部を、前記押出スクリュの条数をNとして、前記スクリュ先端から所定距離だけ上流側に偏倚した軸垂直断面による少なくても、1/Nリード分以上の軸長を有する前記バレルと前記押出スクリュとの間の三次元的空間と定義し、前記一定容積部がなす解析対象空間を三次元の多数の微小要素に分割する手段と、前記微小要素毎の溶融樹脂の温度を、入力された押出機の押出スクリュの温度と熱伝導率、バレル温度熱伝導率、押出スクリュ回転速度、前記バレル内の溶融樹脂流量、溶融樹脂の流入温度、溶融樹脂の押出圧力、および樹脂データとしての溶融樹脂の粘度、比熱と、非圧縮ナビエーストークス方程式、連続の式、およびエネルギー式に基づく三次元熱流体解析演算とを使用して算出する手段と、算出された微小要素毎の溶融樹脂温度より前記解析対象空間の温度ヒストグラムを作成する手段と、前記温度ヒストグラムの標準偏差を算出する手段と、前記微小要素毎の溶融樹脂の温度あるいは前記温度ヒストグラムより前記解析対象空間における溶融樹脂の平均温度を算出する手段と、前記平均温度と前記温度ヒストグラムの標準偏差との比率値を演算する手段と、前記比率値を押出スクリュの均一溶融の評価指標として出力する手段として機能させる、
    ことを特徴とするコンピュータプログラム
  3. 押出機のバレル内に設けられる押出スクリュによる樹脂の均一溶融性状態をシミュレーションする押出スクリュの均一溶融シミュレーション装置において、
    入力された前記押出スクリュの形状寸法と前記バレルの形状寸法とに基づいて前記バレル内において溶融した樹脂が完全充満している一定容積部、前記押出スクリュの条数をNとして、前記スクリュ先端から所定距離だけ上流側に偏倚した軸垂直断面による少なくても、1/Nリード分以上の軸長を有する前記バレルと前記押出スクリュとの間の三次元的空間と定義し、前記一定容積部がなす解析対象空間を三次元の多数の微小要素に分割する手段と、
    前記微小要素毎の溶融樹脂の温度を、入力された押出機の押出スクリュの温度と熱伝導率、バレルの温度と熱伝導率、押出スクリュ回転速度、前記バレル内の溶融樹脂流量、溶融樹脂の流入温度、溶融樹脂の押出圧力、および樹脂データとしての溶融樹脂の粘度、比熱と、非圧縮ナビエーストークス方程式、連続の式、およびエネルギー式に基づく三次元熱流体解析演算とを使用して算出する手段と、
    算出された微小要素毎の溶融樹脂温度より前記解析対象空間の温度ヒストグラムを作成する手段と、
    前記温度ヒストグラムの標準偏差を算出する手段と、
    前記微小要素毎の溶融樹脂の温度あるいは前記温度ヒストグラムより前記解析対象空間における溶融樹脂の平均温度を算出する手段と、
    前記平均温度と前記温度ヒストグラムの標準偏差との比率値を演算する手段と、
    前記比率値を均一溶融の評価指標して出力する手段と、を有する、
    ことを特徴とする押出スクリュの均一溶融シミュレーション装置。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102009059073A1 (de) * 2009-12-18 2011-06-22 Bayer Technology Services GmbH, 51373 Datenbasierte Modelle zur Prognose und Optimierung von Schneckenextrudern und/oder Extrusionsverfahren
JP6185515B2 (ja) * 2015-06-22 2017-08-23 株式会社日本製鋼所 可塑化シミュレーション装置、その可塑化シミュレーション方法および可塑化シミュレーションプログラム
JP6550347B2 (ja) * 2016-03-17 2019-07-24 株式会社日本製鋼所 可塑化シミュレーション装置、その可塑化シミュレーション方法および可塑化シミュレーションプログラム
KR102285242B1 (ko) 2017-06-13 2021-08-04 가부시끼가이샤 니혼 세이꼬쇼 스크류 형상 추정 장치, 스크류 형상 추정 방법 및 스크류 형상 추정 프로그램
CN118046559B (zh) * 2024-04-16 2024-07-26 浙江翔光生物科技股份有限公司 一种注塑用生物降解材料的制备方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH03288619A (ja) * 1990-04-05 1991-12-18 Sekisui Chem Co Ltd 2軸押出機におけるスクリュ設計方法
JPH04364921A (ja) * 1991-06-13 1992-12-17 Sekisui Chem Co Ltd 押出機内樹脂流路の熱流動解析方法
JPH06335953A (ja) * 1993-05-31 1994-12-06 Sekisui Chem Co Ltd 2軸押出機におけるスクリュー設計方法
JPH10244579A (ja) * 1997-03-07 1998-09-14 R Furoo:Kk 押出機内樹脂流路の熱/流動解析方法
JP2001001386A (ja) * 1999-06-17 2001-01-09 Kuraray Co Ltd 2軸押出機における樹脂の流動解析方法およびスクリュー設計方法
JP2004148722A (ja) * 2002-10-31 2004-05-27 Japan Steel Works Ltd:The スクリュ式押出機のシミュレーション装置、そのシミュレーション方法及びシミュレーションプログラム

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH03288619A (ja) * 1990-04-05 1991-12-18 Sekisui Chem Co Ltd 2軸押出機におけるスクリュ設計方法
JPH04364921A (ja) * 1991-06-13 1992-12-17 Sekisui Chem Co Ltd 押出機内樹脂流路の熱流動解析方法
JPH06335953A (ja) * 1993-05-31 1994-12-06 Sekisui Chem Co Ltd 2軸押出機におけるスクリュー設計方法
JPH10244579A (ja) * 1997-03-07 1998-09-14 R Furoo:Kk 押出機内樹脂流路の熱/流動解析方法
JP2001001386A (ja) * 1999-06-17 2001-01-09 Kuraray Co Ltd 2軸押出機における樹脂の流動解析方法およびスクリュー設計方法
JP2004148722A (ja) * 2002-10-31 2004-05-27 Japan Steel Works Ltd:The スクリュ式押出機のシミュレーション装置、そのシミュレーション方法及びシミュレーションプログラム

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