JP7489127B2

JP7489127B2 - 位相最適設計を用いた形状適応型冷却チャンネルの設計方法

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Publication number: JP7489127B2
Application number: JP2022519529A
Authority: JP
Inventors: ウペ、ソン; ジェチュ、ホン; ジェチャン、ヒョ; ソクパク、ヨン; ジンジョン、イェ; ヒョンユ、スン
Original assignee: Sfs Co Ltd
Current assignee: Sfs Co Ltd
Priority date: 2022-03-11
Filing date: 2022-03-14
Publication date: 2024-05-23
Anticipated expiration: 2042-03-14
Also published as: US20230311368A1; JP2024513267A; CN117062708A; WO2023171843A1; KR20230134050A

Description

本発明は、形状適応型冷却チャンネルの設計方法に係り、さらに詳しくは、位相最適設計を用いて、金型内部の形状適応型冷却チャンネルを設計する方法に関する。

射出成形は、金型内に溶融樹脂を注入し、多様な形状の成形物を大量生産する技術であって、広く用いられているプラスチック製品の生産方法の一つである。

射出成形工程は、金型内に溶融樹脂を充填する充填工程と、溶融樹脂の充填後、金型内部の圧力を一定に維持させる保圧工程と、充填された溶融樹脂を一定時間冷却させる冷却工程と、冷却後、成形された製品を取り出す離型工程と、を経て、製品を生産するようになる。

射出成形工程のうち、冷却工程が成形サイクルの約７０％を占め、成型品の品質は、充填された樹脂の冷却後、温度均一度により大きな影響を受ける。

成型品の外形を定める金型の表面と冷却チャンネルが近いほど、冷却効果に優れており、成型品の外形に沿った形状適応型冷却チャンネル（ｃｏｎｆｏｒｍａｌｃｏｏｌｉｎｇｃｈａｎｎｅｌ）が用いられている。

しかしながら、伝統的な加工方法により、金型の内部に複雑な形状の形状適応型冷却チャンネルを形成することは難しいという問題点があった。しかしながら、３Ｄプリンタは、複雑な形状の中空構造を持つ物品を出力することができ、形状適応型冷却チャンネルが形成された金型を３Ｄプリンタで出力することが可能である。

しかしながら、既存は、金型の内部に形状適応型冷却チャンネルを形成する場合も、金型の内部に充填された樹脂が均一に冷却されないという問題点があった。

これにより、冷却効率が最適化される形状適応型冷却チャンネルの設計方法が必要であった。

本発明の一実施形態による位相最適設計を用いた形状適応型冷却チャンネルの設計方法は、成形物を立体または平面構造物に分類して、冷却対象面を決め、それぞれの冷却対象面に対して、位相最適設計を用いて、独立した冷却チャンネルを形成した後、金型内部の形状適応型冷却チャンネルを設計する方法を提供することを目的とする。

本発明の課題は、上記において言及した技術的課題に制限されず、言及されていない他の技術的課題は、下記の記載から当業者にとって明確に理解されるであろう。

本発明の一実施形態による形状適応型冷却チャンネルの設計方法は、成形物を平面構造物（ｔｈｉｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）または立体構造物（ｂｕｌｋｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）に分類し、冷却対象領域を決めるステップと、前記冷却対象領域を２次元形状である冷却対象面に分解するステップと、前記冷却対象面のそれぞれに対して、位相最適設計を用いて、互いに独立した冷却チャンネルをそれぞれ形成するステップと、前記冷却チャンネルを互いに結合して形状適応型冷却チャンネルを形成するステップと、を含む。

ここで、前記冷却対象領域を決めるステップは、前記成形物の特性長さが０．０６未満である場合、平面構造物に分類してもよい。

ここで、前記２次元形状は、熱負荷（ｔｈｅｒｍａｌｌｏａｄ）を反映して、冷却量が決められるように、前記３次元形状の情報が反映されてもよい。

ここで、前記位相最適設計は、設計領域を設定するステップと、前記設計領域の作動条件に相当する境界条件を設定するステップと、冷却流体の入口及び出口における圧力降下及び取出温度までの冷却所要時間の最小化に相当する目的関数を設定するステップと、前記目的関数が収束条件を満足するように設計変数を変更するステップと、を含んでもよい。

本発明の実施形態によれば、少なくとも次のような効果がある。

本実施形態によれば、位相最適設計を用いて圧力降下と冷却時間及び冷却均一度に優れた金型内部の形状適応型冷却チャンネルを設計することができる。

また、成形物を立体または平面構造物に分類した後、冷却対象面を決め、それぞれの冷却対象面に対して、位相最適設計を用いて、冷却チャンネルを設計した後、形状適応型冷却チャンネルを設計することにより、性能に優れた形状適応型冷却チャンネルを相対的に迅速に設計することができる。

本発明による効果は、上記において例示された内容により制限されず、さらに様々な効果が、本明細書内に含まれている。

本発明の一実施形態による位相最適設計を用いた形状適応型冷却チャンネルの設計方法のフローチャートである。成形物の形状を分類するための特性長さの説明図である。成形物の形状による取出温度までの平均冷却時間及び最大温度偏差の測定グラフである。形状分解ステップの説明図である。独立した冷却チャンネル形成ステップのフローチャートである。形状適応型冷却チャンネル形成ステップの説明図である。実験例１の形状適応型冷却チャンネルの例示図及び平均圧力降下シミュレーション結果である。実験例１の形状適応型冷却チャンネルの最大温度偏差の測定グラフである。実験例２の形状適応型冷却チャンネルの例示図及び平均圧力降下シミュレーション結果である。実験例２の形状適応型冷却チャンネルの最大温度偏差の測定グラフである。実験例３の形状適応型冷却チャンネルを示す図である。実験例３の成型品の表面最大／最小温度差の測定結果である。実験例３の取出温度までの冷却時間の測定結果である。

本発明は、様々な変換を加えてもよく、様々な実施形態を有してもよいので、特定の実施形態を図面に例示し、これについて、詳細な説明において詳述する。本発明の効果及び特徴、また、それらを達成する方法は、図面とともに詳細に後述されている実施形態を参照すれば、明確になるであろう。しかしながら、本発明は、以下に開示される実施形態に限定されるものではなく、様々な形態で具現されてもよく、本発明の思想及び技術範囲に含まれる全ての変更、均等物乃至代替物を含むものと理解されなければならない。

説明に先立って、詳細な説明に記載された用語について説明する。以下の実施形態において、第１、第２等の用語は、限定的な意味ではなく、一つの構成要素を他の構成要素から区別する目的で用いられた。したがって、以下で言及される第１構成要素は、本発明の技術的思想の範囲内で、第２構成要素であり得ることはもちろんである。また、単数の表現は、文脈からみて、明らかに異なる意味を有さない限り、複数の表現を含む。また、「含む」または「備える」のような用語は、明細書上に記載された特徴、数字、ステップ、動作、構成要素、部品、またはこれらの組合せが存在することを意味するものであり、一つ以上の他の特徴または構成要素が付加される可能性を予め排除するものではない。

また、図面では、説明の便宜のため、構成要素の大きさが誇張または縮小されてもよい。例えば、図示されたそれぞれの構成の大きさ及び厚さは、説明の便宜のため、ランダムに示されているので、本発明が必ずしも図示のものに限定されるものではない。

以下、本発明による一実施形態について、添付された図面を参照して詳述する。添付図面を参照して説明するにあたって、同じまたは対応する構成要素に対しては、同一の図面符号を与え、それについての重複する説明を省略する。

本発明は、位相最適設計を用いて、金型内部の形状適応型冷却チャンネルを設計する方法に関する。

図１は、本発明の一実施形態による位相最適設計を用いた形状適応型冷却チャンネルの設計方法のフローチャートである。

本発明の一実施形態による位相最適設計を用いた形状適応型冷却チャンネルの設計方法（Ｓ１０００）は、形状分類ステップ（Ｓ１００）と、形状分解ステップ（Ｓ２００）と、独立した冷却チャンネル形成ステップ（Ｓ３００）と、形状適応型冷却チャンネル形成ステップ（Ｓ４００）と、を含む。

形状分類ステップ（Ｓ１００）は、冷却対象領域を決めるために、成形物を立体構造物（ｂｕｌｋｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）または平面構造物（ｔｈｉｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）に分類するステップである。すなわち、成形物の形状に対応するキャビティの形状を平面または立体形状に分類する。

本実施形態では、物体を冷却する過程で、冷却チャンネルに当接する面積が増加するほど、冷却量が増加する形状学的特性に基づき、冷却工程上の温度偏差による形状を分類する。すなわち、同じ形状の成形物である場合も、平面構造物である場合と立体構造物である場合により、冷却対象領域が異なる。したがって、形状分類ステップ（Ｓ１００）では、成形物が平面構造物であるか、あるいは立体構造物であるかを決める。

本実施形態において、成形物が平面構造物であるか、あるいは立体構造物であるかを決める基準は、成形物の特性長さ（ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｌｅｎｇｔｈ）を用いる。さらに具体的に、本実施形態では、特性長さが０．０６未満である場合、平面構造物に分類し、特性長さが０．０６以上である場合、立体構造物に分類する（図２参照）。

六面体形状を挙げて説明すれば、以下の通りである。

六面体の断面を基準として、断面積が１になるように、長辺の長さをｎ、短辺の長さを１／ｎと定義する。

この場合、特性長さは、

である。ここで、Ｌ_Ｃは、特性長さ、Ａは、断面積、Ｐは、断面の周りである。

ここで、Ｌ_Ｃが０．０６未満である場合、平面構造物に分類する。

下記の表１に示すように、六面体を６つの種類に分けると、Ａ、Ｂ、Ｃは、特性長さが０．０６以上であるので、本実施形態において、立体構造物に分類され、Ｄ、Ｅ、Ｆは、特性長さが０．０６未満であるので、本実施形態において、平面構造物に分類される。

平面構造物に分類されると、冷却対象面は、上面と下面になり、立体構造物に分類されると、冷却対象面は、上面と下面、及び両側面になる。これに基づいて実験した結果、平面構造物に近いほど（Ｅ、Ｆ）、取出温度までの平均冷却時間は短く、最大温度偏差も少ないことが確認される（図３参照）。

図４は、形状分解ステップの説明図である。

形状分解ステップ（Ｓ２００）は、形状分類ステップ（Ｓ１００）で決められた成形物の形状（立体／平面）により決められた冷却対象領域を、２次元形状に分解するステップである。ここで、２次元形状は、冷却対象領域の表面と同じである。

また、それぞれの冷却対象面には、３次元形状の情報が反映される。これは、２次元形状に熱負荷（ｔｈｅｒｍａｌｌｏａｄ）が反映されるようにするためである。

直方体、正六面体等のように冷却流体の流動方向に沿って厚さが同じ場合には、２次元形状のそれぞれの領域に対して必要な冷却量が同一であると仮定することができる（図４の（ａ）参照）。しかしながら、成形物の形状が冷却流体の流動方向に沿って厚さが一定でない場合、２次元形状のそれぞれの領域において必要な冷却量が異なることがある。

これにより、冷却対象面は、２次元形状であるが、それぞれの領域の異なる厚さにより、必要な冷却量の差が反映されるように、３次元形状の情報を反映する（図４の（ｂ）参照）。本実施形態では、冷却対象面のそれぞれの領域の厚さに比例して熱負荷が加えられると仮定して、３次元形状の情報を反映する。言い換えれば、２次元形状である冷却対象面に成形物の厚さ情報を反映し、２次元形状の厚さ情報より、必要な冷却量が異なると仮定する。

図５は、独立した冷却チャンネル形成ステップのフローチャートであり、図６は、形状適応型冷却チャンネル形成ステップの説明図である。

独立した冷却チャンネル形成ステップ（Ｓ３００）は、冷却対象面のそれぞれに対して、位相最適設計（ｔｏｐｏｌｏｇｙｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ）を用いて、互いに独立した冷却チャンネルをそれぞれ形成する。

前記六面体形状の例示において、平面構造物に分類されると、冷却対象面は、上面と下面であり、立体構造物に分類されると、冷却対象面は、上面と下面、及び両側面である。これにより、平面構造物の場合、冷却チャンネルは、上面と下面に対してそれぞれ形成し、立体構造物の場合、冷却チャンネルは、上面と下面、及び両側面に対してそれぞれ形成する。

それぞれの冷却対象面に対して、冷却チャンネルを形成するために、位相最適設計を行う。

冷却チャンネルを形成するための位相最適設計は、設計領域設定ステップ（Ｓ３１０）と、境界条件設定ステップ（Ｓ３２０）と、敏感度解析ステップ（Ｓ３３０）と、位相最適設計導出ステップ（Ｓ３４０）と、を含む。

まず、設計領域を設定する。本実施形態において、設計領域（ｄｅｓｉｇｎｄｏｍａｉｎ）は、冷却対象面である。すなわち、３次元形状の情報が反映された２次元形状の冷却対象面である。

また、境界条件を設定する。本実施形態において、境界条件は、冷却対象面の境界（ｂｏｕｎｄａｒｙ）と、入口（ｉｎｌｅｔ）と出口（ｏｕｔｌｅｔ）の直径、位置、及び入口と出口における冷却流体の流量である。

以降、目的関数（ｏｂｊｅｃｔｉｖｅｆｕｎｃｔｉｏｎ）を設定する。また、目的関数が収束条件を満足するように設計変数を変更し、位相最適設計を導出することができる。

このとき、目的関数に対するそれぞれの要素の敏感度解析（ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙａｎａｌｙｓｉｓ）を行うことができる。敏感度による目的関数のそれぞれの要素の設計変数を変更しながら、目的関数が収束条件を満足するまで、繰り返して位相最適設計を導出することができる。

本実施形態において、目的関数は、冷却流体の入口及び出口等における圧力降下及び取出温度までの冷却所要時間の最小化である。すなわち、流動損失及び冷却時間の最小化である。

本実施形態において、目的関数は、多目的関数（ＭｕｌｔｉＯｂｊｅｃｔｉｖｅｆｕｎｃｔｉｏｎ）であり、下記のように正義されてもよい。

ここで、ｃは、多目的関数であり、Φは、圧力降下の最小化に関する目的関数であり、Γは、冷却所要時間の最小化に関する目的関数である。

また、Φ及びΓは、それぞれ、下記のように正義されてもよい。

ここで、μは、流体粘性係数（ｆｌｕｉｄｄｙｎａｍｉｃｖｉｓｃｏｓｉｔｙ）、ｕは、速度場（ｖｅｌｏｃｉｔｙｆｉｅｌｄ）、ρは、擬似密度（ｐｓｅｕｄｏ－ｄｅｎｓｉｔｙ）、αは、摩擦損失係数または逆透過係数（ｄａｒｃｙｆｒｉｃｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ／ｉｎｖｅｒｓｅｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ）、ｆは、体積力（ｆｌｕｉｄｂｏｄｙｆｏｒｃｅ）、Ωは、設計領域（形状ドメイン）である。

ここで、ｋは、等価熱伝導率（ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｔｈｅｒｍａｌｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ）、Τは、温度場（ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄ）、ρ_ｍは、等価密度（ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｄｅｎｓｉｔｙ）、ｃ_ｐは、等価熱容量（ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｈｅａｔｃａｐａｃｉｔｙ）、ｆ_Ｔは、熱源（ｈｅａｔｓｏｕｒｃｅ）、ｕは、速度場（ｖｅｌｏｃｉｔｙｆｉｅｌｄ）、Ωは、設計領域（形状ドメイン）である。

敏感度解析は、位相最適設計を導出するために、設計変数の変化による目的関数の影響を解釈することを意味する。

形状適応型冷却チャンネル形成ステップ（Ｓ４００）は、それぞれの独立した冷却チャンネルを、成形物の形状に対応するように、再配置及び結合して、最終的に形状適応型冷却チャンネルを形成する。上記のように、位相最適設計を用いて、形状適応型冷却チャンネルを設計することにより、圧力降下及び冷却時間と冷却均一度に優れている。

＜実験例１＞
平面構造物として、直方体形状である成形物に対して、形状適応型冷却チャンネルを設計し、チャンネル流動の圧力降下、最大温度偏差、及び取出温度までの冷却時間を測定した。

直列形状（ｓｅｒｉａｌ－ｓｈａｐｅｄ）の形状適応型冷却チャンネル（ケース１）、並列形状（ｐａｒａｌｌｅｌ－ｓｈａｐｅｄ）の形状適応型冷却チャンネル（ケース２）、本実施形態による位相最適設計を用いた形状適応型冷却チャンネル（ケース３）を設計して比較した（図７の（ａ）参照）。

上記の表２は、チャンネル流動の圧力降下を比較したものであり、表３は、形状適応型冷却チャンネルの最大温度偏差を比較したものであり、表４は、取出温度までの冷却時間を比較したものである。表２及び図７の（ｂ）を参照すると、ケース１及びケース２に比べて、本実施形態による位相最適設計を用いた形状適応型冷却チャンネル（ケース３）の圧力降下が遥かに少ないことが確認される。

また、表３及び図８を参照すると、本実施形態による位相最適設計を用いた形状適応型冷却チャンネル（ケース３）の場合、最大温度偏差が、ケース１に比べて３０．２Ｋ、ケース２に比べて４．６Ｋ低いことが確認される。

また、表４を参照すると、本実施形態による位相最適設計を用いた形状適応型冷却チャンネル（ケース３）の場合、取出温度（７０℃）までの冷却時間が０．８ｓであり、ケース１に比べて２．７ｓ、ケース２に比べて０．３ｓ早いことが確認される。

＜実験例２＞
平面構造物として、厚さがますます減少する形状である成形物に対して、形状適応型冷却チャンネルを設計し、チャンネル流動の圧力降下、及び最大温度偏差を測定した。

直列形状（ｓｅｒｉａｌ－ｓｈａｐｅｄ）の形状適応型冷却チャンネル（ケース１）、並列形状（ｐａｒａｌｌｅｌ－ｓｈａｐｅｄ）の形状適応型冷却チャンネル（ケース２）、本実施形態による位相最適設計を用いた形状適応型冷却チャンネル（ケース３）を設計して比較した（図９の（ａ）参照）。

上記の表５は、チャンネル流動の圧力降下を比較したものであり、表６は、最大温度偏差を比較したものである。表５及び図９の（ｂ）を参照すると、ケース１及びケース２に比べて、本実施形態による位相最適設計を用いた形状適応型冷却チャンネル（ケース３）の圧力降下が遥かに少ないことが確認される。

また、表６及び図１０を参照すると、本実施形態による位相最適設計を用いた形状適応型冷却チャンネル（ケース３）の場合、最大温度偏差が、ケース１に比べて７Ｋ、ケース２に比べて５．９Ｋ低いことが確認される。

＜実験例３＞
化粧品容器形状の成形物に対して、冷却チャンネルを設計し、チャンネル流動の圧力降下、成型品表面の最大温度偏差、及び取出温度までの冷却時間を測定した。

従来の冷却チャンネルを形成する機械工法で製作可能な直線状の冷却チャンネル（ケース１）、螺旋（Ｈｅｌｉｃａｌ）状の冷却チャンネル（ケース２）、本実施形態による位相最適設計を用いた形状適応型冷却チャンネル（ケース３）を設計して比較した（図１１参照）。

上記の表７は、チャンネル流動の圧力降下を比較したものである。表７を参照すると、冷却チャンネル内部の圧力降下は、本実施形態による位相最適設計を用いた形状適応型冷却チャンネル（ケース３）が、螺旋状の冷却チャンネル（ケース２）よりも約８０倍低いことが確認される。

また、成形物の生産時間及び残留応力による変形を比較するために、表面温度差を分析した。

螺旋状の冷却チャンネル及び本実施形態による位相最適設計を用いた形状適応型冷却チャンネルの取出時間である８秒における成型品の表面の最大温度偏差は、螺旋状の冷却チャンネルの場合、３１．４２５℃であって、本実施形態よりも約１．５７倍高いことが確認される。したがって、本実施形態の場合、既存の工法であるケース１よりも１０秒位生産時間を短縮し、残留応力による変形を最小化することができる（図１２参照）。

また、表面の最高取出温度（７０℃）への到達時、成型品の取出を仮定して、取出温度までの冷却時間を測定した結果、ケース１の取出温度までの冷却所要時間は、約１８秒であり、螺旋状の冷却チャンネル（ケース２）及び本実施形態による位相最適設計を用いた形状適応型冷却チャンネル（ケース３）は、約８秒であることが確認される（図１３参照）。

上記のような位相最適設計を用いた形状適応型冷却チャンネルの設計方法（Ｓ１０００）を通じて、形状適応型冷却チャンネルが形成された金型を製造することができる。具体的に、位相最適設計を通じて、最適の結果を導出して、形状適応型冷却チャンネルを設計し、それを積層加工するために、ＳＴＬフォーマットに変換することができる。ここで、積層加工は、選択的レーザー焼結（ＳＬＳ、ＳｅｌｅｃｔｉｖｅＬａｓｅｒＳｉｎｔｅｒｉｎｇ）、バインダージェット（Ｂｉｎｄｅｒ－Ｊｅｔ）等の３Ｄプリンタを用いて行われてもよい。３Ｄプリンタを通じて、形状適応型冷却チャンネルが複雑な中空構造を有しても、精密に製造することができる。

上述したように、本実施形態によれば、成形物の形状を立体または平面に分類して冷却対象面を決め、それぞれの冷却対象面に対して、位相最適設計を用いて、独立した冷却チャンネルを形成した後、金型内部の形状適応型冷却チャンネルを設計する方法が提供される。

本発明において、全ての例または例示的な用語（例えば、等）の使用は、単純に本発明を詳しく説明するためのものであって、請求の範囲により限定されない限り、上記した例または例示的な用語により、本発明の範囲が限定されるものではない。また、当該技術分野における通常の技術者であれば、様々な修正、組合せ、及び変更が加えられた請求の範囲またはその均等物の範疇内で、設計条件及びファクターにより構成されてもよいことがわかる。

したがって、本発明の思想は、上述された実施形態に限って定められてはならず、後述する請求の範囲のみならず、この請求の範囲と均等またはこれから等価的に変更された全ての範囲は、本発明の思想の範疇に属するものと言うべきである。

位相最適設計を用いて、金型内部の形状適応型冷却チャンネルを設計する方法が提供される。

Claims

成形物を平面構造物（ｔｈｉｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）または立体構造物（ｂｕｌｋｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）に分類し、冷却対象領域を決めるステップと、
前記冷却対象領域を２次元形状である冷却対象面に分解するステップと、
前記冷却対象面のそれぞれに対して、位相最適設計を用いて、互いに独立した冷却チャンネルをそれぞれ形成するステップと、
前記冷却チャンネルを互いに結合して形状適応型冷却チャンネルを形成するステップと、を含む、位相最適設計を用いた形状適応型冷却チャンネルの設計方法。
前記冷却対象領域を決めるステップは、
前記成形物の特性長さが０．０６未満である場合、平面構造物に分類する、請求項１に記載の位相最適設計を用いた形状適応型冷却チャンネルの設計方法。
前記２次元形状は、熱負荷（ｔｈｅｒｍａｌｌｏａｄ）を反映して、冷却量が決められるように、３次元形状の情報が反映される、請求項２に記載の位相最適設計を用いた形状適応型冷却チャンネルの設計方法。
前記位相最適設計は、
設計領域を設定するステップと、
前記設計領域の作動条件に相当する境界条件を設定するステップと、
冷却流体の入口及び出口における圧力降下及び取出温度までの冷却所要時間の最小化に相当する目的関数を設定するステップと、
前記目的関数が収束条件を満足するように設計変数を変更するステップと、を含む、請求項３に記載の位相最適設計を用いた形状適応型冷却チャンネルの設計方法。