JPH11184906A - 成形性解析方法及びこれを用いた成形用金型設計方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 解析の精度を簡便に且つ確実に向上させる。 【解決手段】 材料特性データの各パラメータを設定し
て成形解析シミュレーションを行う。同条件での実成形
を評価用金型を用いて行う。シミュレーション結果と実
成形結果とから評価対象を決定して、該評価対象につい
ての成形解析シミュレーション結果と実成形結果との差
を求めて基準値と比較する。比較結果が評価基準値を上
回る時、材料特性データの各パラメータが評価対象に及
ぼす影響を評価して、材料特性データの各パラメータの
うち、評価対象に及ぼす影響が大きいパラメータから優
先的に値を変化させて成形解析シミュレーションを行っ
て、その解析結果と前記実成形結果との差を求める。こ
の差が評価基準値内に収まるように収束計算を行って材
料特性データの各パラメータを決定し、決定した材料特
性データを用いて成形解析シミュレーションを行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は成形解析シミュレー
ションプログラムを用いた成形性解析方法に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】金型の設計や成形条件の決定を、成形解
析シミュレーションプログラムを用いた解析結果を基に
行うことがなされている。たとえば、特開平２−１２０
６４３号公報においては、熱硬化性樹脂において流動シ
ミュレーションを行って、各部の樹脂温度、粘度、流
速、平均見かけ粘度を算出し、圧力損失を求めて流動予
測することにより金型設計を行うものが示されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、シミュレーシ
ョンに必要な材料特性データの正確な値が不明であるこ
とが多かったりする上に、解析上の仮定が混じることか
ら、解析結果通りに金型設計や成形条件の決定を行って
も、実際に成形されたものはシミュレーション結果とは
異なることが多く、これに伴って金型の修正や成形条件
の見直しなどが必要となっている。

【０００４】もちろん、シミュレーションに必要な材料
特性データを正確に数値化できていれば、上記のような
問題は少なくなるものの、材料特性データの正確な測定
は多大な労力及び時間を要する。本発明はこのような点
に鑑み為されたものであり、その目的とするところは解
析の精度を簡便に且つ確実に向上させることができる成
形性解析方法と修正が必要となることがない成形用金型
設計方法とを提供するにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】しかして本発明は、成形
解析シミュレーションプログラムによって成形性解析を
行うにあたり、材料特性データの各パラメータを設定し
て成形解析シミュレーションを行うとともに、該成形解
析シミュレーション時と同条件での実成形を評価用金型
を用いて行い、上記成形解析シミュレーション結果と上
記実成形結果とから評価対象を決定して、該評価対象に
ついての成形解析シミュレーション結果と実成形結果と
の差を求めて基準値と比較し、該比較結果が評価基準値
を上回る時、材料特性データの各パラメータが評価対象
に及ぼす影響を評価して、材料特性データの各パラメー
タのうち、評価対象に及ぼす影響が大きいパラメータか
ら優先的に値を変化させて成形解析シミュレーションを
行って、その解析結果と前記実成形結果との差を求める
とともに、該差が上記基準値値内に収まるように収束計
算を行って、材料特性データの各パラメータを決定し、
決定した材料特性データを用いて成形解析シミュレーシ
ョンを行うことに特徴を有している。

【０００６】ここで用いる成形解析シミュレーションプ
ログラムは、充填、保圧、冷却、金型からの成形品の取
り出しという成形過程に関して、充填過程での成形材料
の金型内での流動挙動や温度変化の解析を行う流動解
析、成形の保圧過程での成形材料の圧力変化や温度変化
の解析を行う保圧解析、成形の冷却過程での金型内での
成形材料の温度変化の解析を行う冷却解析、これら解析
結果に基づいて成形材料の体積収縮、流動方向収縮、垂
直方向収縮などの解析を行う収縮解析、収縮や温度変化
や配向等による金型から取り出した後の成形品の反り変
形を解析する反り解析、成形材料がガラス等の繊維を含
有している場合において成形材料の充填過程での流動挙
動や繊維配向挙動を解析する繊維配向解析、熱硬化性材
料の場合において保圧過程後の金型の温度で硬化する挙
動の解析を行う硬化度解析のすべてを含んだものである
ことが好ましいが、これに限るものではない。

【０００７】使用する材料特性データとしては、成形材
料の粘度特性データ、熱特性データ（熱伝導率、密度、
比熱）、ＰＶＴデータ（圧力と容積と温度の相互関
係）、収縮特性データ（流動方向、垂直方向）、結晶化
特性、繊維配向特性、硬化特性（熱硬化性材料）、機械
物性データ（弾性率、ポアソン比、線膨張係数）のほ
か、金型材料の熱特性データ（熱伝導率、密度、比熱）
や機械物性データ（弾性率、ポアソン比、線膨張係数）
も用いるが、これは上記シミュレーションプログラムに
も依存する。

【０００８】材料特性データの設定するパラメータは、
上記の各特性データを数式化して表す場合の係数（ある
いは定数）や、複数の特性データの組み合わせを指すも
のであり、これらパラメータは、評価用金型を用いて実
成形を行う場合の樹脂及び金型に併せて設定する。使用
する樹脂について測定した特性データが無い場合は、そ
の樹脂の特性に近い（と思われる）他の樹脂の材料特性
データを用いて設定する。

【０００９】評価用金型は、解析結果と実成形結果とを
比較するためのものであるために、試験用金型であっ
て、圧力センサー、温度センサーといったセンサーを備
えたものであることが好ましく、熱硬化性材料である場
合にはさらに硬化度センサーを備えたものであることが
好ましい。解析結果と実成形結果とを比較して評価する
ための評価対象としては、金型内の成形材料の圧力値、
温度、硬化度、成形後の反り量などを好適に用いること
ができるが、これらに限るものではない。たとえば評価
用金型としてスパイラル金型を用いる場合、評価対象と
して流動長を用いるのが好ましい。

【００１０】材料特性データの各パラメータが評価対象
に及ぼす影響（寄与度合い）の評価は、たとえば複数の
パラメータをそれぞれ±１０％ずつ値を変化させてシミ
ュレーションを行って、評価対象に及ぶ影響度合いを基
に判定すればよい。なお、材料特性データのすべてにつ
いてこのような評価を行う必要はなく、たとえば粘度特
性データ、樹脂の熱伝導率、ＰＶＴ関係、収縮特性、硬
化特性などのうちのいずれか一つだけ、あるいはこれら
の組み合わせについて行うものであってもよい。しか
し、成形性解析方法の主要な解析である流動解析におい
て重要な材料データである粘度データを用いるのが最も
好ましい。

【００１１】そして、材料特性データの各パラメータの
うち、評価対象に及ぼす影響が大きいパラメータから優
先的に値を変化させて成形解析シミュレーションを行っ
て、その解析結果と前記実成形結果との差を求めてこの
差が評価基準値内に収まるように収束計算を行って、材
料特性データの各パラメータを決定するのである。この
ようにパラメータを決定した材料特性データは、実際の
材料特性の正確な測定値とは異なるものとなっている可
能性はあるものの、該材料特性データを用いるととも
に、ここで用いた成形解析シミュレーションプログラム
で解析シミュレーションを行う限り、実成形結果にほぼ
一致する解析結果を得ることができるものであり、材料
特性データが不明である樹脂を用いる場合においても、
該樹脂の材料特性データの決定（厳密には推定）を高精
度で行って、解析シミュレーションを行うことができ
る。

【００１２】上記の収束計算は、連続関数を用いて行っ
てもよいが、この場合、制限された計算回数内では極値
を求めてしまいやすいことから、遺伝的アルゴリズムを
用いて行うのが好ましい。すなわち、材料特性データの
各パラメータをコード化するとともに該コード化にあた
り各パラメータに範囲を与えてその範囲内でランダムな
値をコードに与え、次いでコードについて選択・公叉・
突然変位という３つの処理を施してパラメータの組み合
わせを変更し、各組み合わせのパラメータを持つ材料特
性データに基づいて成形性解析を行って適応度の高い
（基準値を満たす）材料特性データを求めるのである。
制限された計算回数の中で適解を求めることができる。

【００１３】評価用金型とこれを用いた実成形について
は、最終目的とする金型が取り得る寸法範囲を考慮して
複数種決定した評価用金型と、成形条件の取り得る値を
考慮して複数決定した成形条件とから複数の実成形結果
を得るようにしてもよく、この場合、同条件での複数の
成形解析シミュレーション結果とから評価対象について
の複数の差を導いて、該複数の差について夫々基準値値
内に収まるように収束計算を行って、材料特性データの
各パラメータを決定する。

【００１４】評価用金型として内部の複数位置に樹脂圧
力センサーや温度センサー等のセンサーを配したものを
用いるとともに、同条件での成形解析シミュレーション
において上記センサー配置位置に相当する位置での解析
結果を夫々求めて、評価対象についての上記複数の位置
での差を導いて、該複数の差について夫々基準値値内に
収まるように収束計算を行って、材料特性データの各パ
ラメータを決定するようにしてもよい。

【００１５】そして、上記の成形性解析方法による成形
解析シミュレーション結果に基づいて、金型の設計を行
うならば、材料データの測定誤差、材料データ測定時と
実成形時の材料の状態の差異、材料データの定式化での
差異等も考慮した上での現実にそくした金型設計を行う
ことができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】成形に供する樹脂として熱硬化性
樹脂であるエポキシ樹脂を用いるとともに、評価用金型
として、図２に示すようにトランスファー成形でタブレ
ットを中心部に置いてプランジャーでタブレットを押す
ことでスパイラル流路に溶融樹脂を押し出すスパイラル
金型を用いた。図中１１は硬化度センサー、１２は赤外
線温度センサー、１３は圧力センサーである。金型温度
は１６０℃、充填速度は３００ｍｍ³ ／ｓｅｃとした。

【００１７】評価対象としては上記タブレットをプラン
ジャーで押した際の流動長を用いるものとし、さらにパ
ラメータを変化させる材料特性データとして粘度データ
を用いた。成形解析シミュレーションプログラムとして
は、「ＭＯＬＤＦＬＯＷ」を用いた。ここにおいて、粘
度データにはパラメータとして１１の係数が存在する
が、これらパラメータをそれぞれ変化させた場合に解析
結果での流動長がどの程度変化するかを調べたところ、
粘度ηを次の式であらわす時のＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅが流
動長に及ぼす影響（寄与度合い）が大であることが導か
れたことから、これらＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅのパラメータ
を次に述べる収束計算に際してデータを変化させるもの
とした。

【００１８】

【式１】

【００１９】γ：せん断速度、Ｔ：温度、ａｇ：流動停
止する硬化度、α：硬化度 また、収束計算には遺伝的アルゴリズムを用いた。すな
わち、図３にも示すように、粘度データを染色体（２進
数コード）で表し、固体数（たとえば２０）個の値をラ
ンダムに発生させて、染色体（粘度データ）をパラメー
タに変換する。そして解析を実行して評価対象である流
動長を算出することを固体数分だけ繰り返し、その中か
ら適応度の高いデータ順に並びかえて、選択・公叉・突
然変異という遺伝的アルゴリズムの処理を行う。これを
世代数分だけ繰り返すことで、評価対象についての解析
結果が実成形結果における評価対象についての値に近づ
けた。なお、選択・公叉・突然変異の処理は、粘度デー
タにおける上記パラメータＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅについ
て、たとえば１１１１１０００００の２進化１０進コー
ドを与えた場合、選択は適応度の高い染色体を選択して
残すことを意味し、公叉は０００００１１１１１のよう
に染色体を入れ換えることを意味し、突然変異は突然変
異確率で染色体にランダムな値を入れること、たとえば
０００００１１１１１を１００００１１１１０１０とす
ることを意味する。

【００２０】粘度データの各パラメータＡ，Ｂ，Ｃ，
Ｄ，Ｅについて、実成形に供した熱硬化性樹脂材料の特
性の測定値から導いたＡ：２．２１Ｅ−０．９、Ｂ：−
０．７１６、Ｃ：１１８００．１、Ｄ６．５９９、Ｅ：
−１０．１１６９を初期値として与えて解析を行った場
合の評価対象の値（流動長）と、実成形結果による評価
対象の値（流動長）との差（目的変数）は、図４に示す
ように、６００ｍｍほどの値となったが、上記遺伝的ア
ルゴリズムを用いた収束計算を行って各パラメータＡ，
Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅを変化させて、目的変数を求める解析シ
ミュレーションを繰り返したところ、第１１世代におい
て実測値と解析値が一致した。この時のパラメータＡ，
Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅの各値はＡ：０．１９５７３Ｅ−０８、
Ｂ：−０．５１６１３、Ｃ：０．０、Ｄ：４．４５４
６、Ｅ：−６．２９３９であった。

【００２１】さらに、金型温度を上記１６０℃に設定し
て実成形及び成形解析シミュレーションを行うことに加
えて、金型温度を１７０℃及び１８０℃に設定して実成
形及び成形解析シミュレーションを行って、これら複数
の実成形結果と同条件での複数の成形解析シミュレーシ
ョン結果とから評価対象についての複数の差を導いて、
該複数の差について夫々基準値値内に収まるように材料
特性データのパラメータを収束させた。なお、他の点に
ついては上記の実施例と同じであり、評価対象は流動長
としている。図５及び図６はこの結果を示しており、図
中イは実成形での流動長の実測値、ロは収束させたこと
による最適値を基にした解析結果での値、ハは初期値に
基づく解析結果での値である。この時、各パラメータ
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，ＥはＡ：０．７４２９７×１０６、
Ｂ：−０．０６４５１７、Ｃ：９０３２．３、Ｄ：１
２．９０３、Ｅ：５４．８３９となった。なお、温度の
ほかに充填速度を変えたりしてもよいのはもちろんであ
る。

【００２２】成形条件を異ならせた複数回の実成形を行
うことに代えて、評価用金型として内部の複数位置に樹
脂圧力センサーや温度センサー等のセンサーを配したも
のを用いて実成形を行うとともに、該成形に際してのセ
ンサーを配した複数位置でのセンサー出力値と、同条件
での成形解析シミュレーションにおいて上記センサー配
置位置に相当する位置での解析結果とを評価対象とし
て、上記複数の位置での差を目標変数とし、複数の目標
変数が夫々評価基準値内に収まるように収束計算を行っ
て、材料特性データの各パラメータを決定するようにし
てもよい。この場合、複数位置でのセンサー出力履歴を
用いて、圧力センサーに樹脂が到達した時の充填時間、
またはその圧力値を評価対象とするようにしてもよい。
１回の実成形を行うだけで、複数回の実成形を行った場
合と同様の結果を求めることができる。

【００２３】このような成形性解析を行えば、材料特性
の測定誤差や材料データ測定時と実成形時の材料の状態
の差異、材料データの定式化での差異等はもちろん、成
形解析シミュレーションプログラム中の仮定なども考慮
した材料特性データを決定することができ、この材料特
性データを用いた成形解析シミュレーションは、評価用
金型による実成形にほぼ合致するものとなる。従って、
金型の設計を上記シミュレーション結果に基づいて行う
場合、得られる金型は確実に目的とする成形品を得るこ
とができるものとなるものであり、たとえば粘度データ
を変化させるパラメータを持つ材料特性データとして流
動解析を行い、この結果に基づいて金型を設計すれば、
充填バランスの良いランナー径や製品肉厚分布を決定す
ることができる。

【００２４】

【発明の効果】以上のように本発明においては、材料特
性データの各パラメータを設定して成形解析シミュレー
ションを行うとともに、該成形解析シミュレーション時
と同条件での実成形を評価用金型を用いて行い、上記成
形解析シミュレーション結果と実成形結果とから評価対
象を決定して、該評価対象についての成形解析シミュレ
ーション結果と実成形結果との差を求めて基準値と比較
し、該比較結果が評価基準値を上回る時、材料特性デー
タの各パラメータが評価対象に及ぼす影響を評価して、
材料特性データの各パラメータのうち、評価対象に及ぼ
す影響が大きいパラメータから優先的に値を変化させて
成形解析シミュレーションを行って、その解析結果と前
記実成形結果との差を求めるとともに、該差が上記基準
値値内に収まるように収束計算を行って、材料特性デー
タの各パラメータを決定し、決定した材料特性データを
用いて成形解析シミュレーションを行うことから、材料
特性データを的確なものとすることができるために、よ
り現実にそった解析結果を得ることができるものであ
り、また成形材料にはベースとなる樹脂材料に若干の変
更を施したものが多数存在するが、各材料についての特
性データを個別に且つ厳密に測定しなくても、各材料特
性データを適切に推定して成形性を解析することができ
る。

【００２５】パラメータを変化させる材料特性データと
して、成形材料の粘度データを用いると、粘度データは
その影響が大きいために、適切な解析をより迅速に行う
ことができる。また、評価用金型としてスパイラル金型
を用いるとともに、評価対象として流動長を用いると、
主要な材料特性である粘度及び硬化度の評価を的確に且
つ迅速に行うことができる。

【００２６】そして、上記の収束計算を遺伝的アルゴリ
ズムを用いて行うと、制限された計算回数の中で適解を
求めることができる。評価用金型とこれを用いた実成形
については、最終目的とする金型が取り得る寸法範囲を
考慮して複数種決定した評価用金型と、成形条件の取り
得る値を考慮して複数決定した成形条件とから複数の実
成形結果を得て、同条件での複数の成形解析シミュレー
ション結果とから評価対象についての複数の差を導い
て、該複数の差について夫々基準値値内に収まるように
収束計算を行って、材料特性データの各パラメータを決
定するようにすれば、より実際に即した形での材料特性
データを作成することができるために、解析シミュレー
ションの精度を向上させることができる。

【００２７】また、評価用金型として内部の複数位置に
樹脂圧力センサーや温度センサー等のセンサーを配した
ものを用いるとともに、同条件での成形解析シミュレー
ションにおいて上記センサー配置位置に相当する位置で
の解析結果を夫々求めて、評価対象についての上記複数
の位置での差を導いて、該複数の差について夫々基準値
値内に収まるように収束計算を行って、材料特性データ
の各パラメータを決定するようにした時には、複数の金
型の準備や複数の成形実験を行わなくとも、必要最小限
の成形実験で多数の評価値を得ることができるために、
精度の高い材料特性データを簡便に得ることができる。

【００２８】さらに上記の成形性解析方法による成形解
析シミュレーション結果に基づいて、金型の設計を行う
ならば、材料データの測定誤差、材料データ測定時と実
成形時の材料の状態の差異、材料データの定式化での差
異等も考慮した上での現実に即した金型設計を行うこと
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の一例のフローチャートで
ある。

【図２】同上に用いる評価用金型の一例の説明図であ
る。

【図３】同上に用いる遺伝的アルゴリズムを用いた収束
計算についてのフローチャートである。

【図４】収束結果の一例の説明図である。

【図５】収束結果の他例の説明図である。

【図６】同上の収束結果についての他の説明図である。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 成形解析シミュレーションプログラムに
   よって成形性解析を行うにあたり、材料特性データの各
   パラメータを設定して成形解析シミュレーションを行う
   とともに、該成形解析シミュレーション時と同条件での
   実成形を評価用金型を用いて行い、上記成形解析シミュ
   レーション結果と上記実成形結果とから評価対象を決定
   して、該評価対象についての成形解析シミュレーション
   結果と実成形結果との差を求めて基準値と比較し、該比
   較結果が評価基準値を上回る時、材料特性データの各パ
   ラメータが評価対象に及ぼす影響を評価して、材料特性
   データの各パラメータのうち、評価対象に及ぼす影響が
   大きいパラメータから優先的に値を変化させて成形解析
   シミュレーションを行って、その解析結果と前記実成形
   結果との差を求めるとともに、該差が上記評価基準値内
   に収まるように収束計算を行って材料特性データの各パ
   ラメータを決定し、決定した材料特性データを用いて成
   形解析シミュレーションを行うことを特徴とする成形性
   解析方法。
2. 【請求項２】 パラメータを変化させる材料特性データ
   として、成形材料の粘度データを用いることを特徴とす
   る請求項１記載の成形性解析方法。
3. 【請求項３】 評価用金型としてスパイラル金型を用い
   るとともに、評価対象として流動長を用いることを特徴
   とする請求項１または２記載の成形性解析方法。
4. 【請求項４】 収束計算を遺伝的アルゴリズムを用いて
   行うことを特徴とする請求項１記載の成形性解析方法。
5. 【請求項５】 最終目的とする金型が取り得る寸法範囲
   を考慮して複数種決定した評価用金型と、成形条件の取
   り得る値を考慮して複数決定した成形条件とから複数の
   実成形結果を得るとともに、同条件での複数の成形解析
   シミュレーション結果とから評価対象についての複数の
   差を導いて、該複数の差について夫々基準値値内に収ま
   るように収束計算を行って、材料特性データの各パラメ
   ータを決定することを特徴とする請求項１記載の成形性
   解析方法。
6. 【請求項６】 評価用金型として内部の複数位置に樹脂
   圧力センサーや温度センサー等のセンサーを配したもの
   を用いるとともに、同条件での成形解析シミュレーショ
   ンにおいて上記センサー配置位置に相当する位置での解
   析結果を夫々求めて、評価対象についての上記複数の位
   置での差を導いて、該複数の差について夫々基準値値内
   に収まるように収束計算を行って、材料特性データの各
   パラメータを決定することを特徴とする請求項１記載の
   成形性解析方法。
7. 【請求項７】 請求項１〜７のいずれかの項に記載の成
   形性解析方法による成形解析シミュレーション結果に基
   づいて、金型の設計を行うことを特徴とする成形用金型
   設計方法。