JPH06293053A - ２軸押出機におけるスクリュー設計方法 - Google Patents
２軸押出機におけるスクリュー設計方法Info
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- JPH06293053A JPH06293053A JP5081701A JP8170193A JPH06293053A JP H06293053 A JPH06293053 A JP H06293053A JP 5081701 A JP5081701 A JP 5081701A JP 8170193 A JP8170193 A JP 8170193A JP H06293053 A JPH06293053 A JP H06293053A
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
- B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
- B29C48/00—Extrusion moulding, i.e. expressing the moulding material through a die or nozzle which imparts the desired form; Apparatus therefor
- B29C48/25—Component parts, details or accessories; Auxiliary operations
- B29C48/251—Design of extruder parts, e.g. by modelling based on mathematical theories or experiments
- B29C48/2517—Design of extruder parts, e.g. by modelling based on mathematical theories or experiments of intermeshing screws
-
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- B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
- B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
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- B29C48/36—Means for plasticising or homogenising the moulding material or forcing it through the nozzle or die
- B29C48/395—Means for plasticising or homogenising the moulding material or forcing it through the nozzle or die using screws surrounded by a cooperating barrel, e.g. single screw extruders
- B29C48/40—Means for plasticising or homogenising the moulding material or forcing it through the nozzle or die using screws surrounded by a cooperating barrel, e.g. single screw extruders using two or more parallel screws or at least two parallel non-intermeshing screws, e.g. twin screw extruders
- B29C48/41—Intermeshing counter-rotating screws
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Abstract
(57)【要約】
【目的】原料及び製品毎に適正なスクリュー形状の設計
が可能な２軸押出機におけるスクリュー設計方法を提供
する。 【構成】プリプロセッサ１１は、バレル内樹脂流路を６
面体セル要素で３次元的に分割したメッシュデータを作
成する。熱流動計算部１２は、このメッシュデータに基
づき、実際の現象に基づいた各種の境界条件と樹脂特性
とによって数値解析を行い離散化するとともに、温度、
剪断速度、粘度等の物理量履歴を定量化する熱流動解析
を行う。ポストプロセッサ１３は、この数値解析によっ
て離散化された流速に基づいて解析対象領域内の流跡線
を表示し、また各物理量をメッシュデータ上に図化す
る。そして、この熱流動解析方法によって出力される値
を用いて、押出機内の樹脂溶融完全充満部で、樹脂がス
クリューフライト噛合部を平均的に何回通過するかを指
標化し、その指標を用いてスクリュー寸法を設計する。
が可能な２軸押出機におけるスクリュー設計方法を提供
する。 【構成】プリプロセッサ１１は、バレル内樹脂流路を６
面体セル要素で３次元的に分割したメッシュデータを作
成する。熱流動計算部１２は、このメッシュデータに基
づき、実際の現象に基づいた各種の境界条件と樹脂特性
とによって数値解析を行い離散化するとともに、温度、
剪断速度、粘度等の物理量履歴を定量化する熱流動解析
を行う。ポストプロセッサ１３は、この数値解析によっ
て離散化された流速に基づいて解析対象領域内の流跡線
を表示し、また各物理量をメッシュデータ上に図化す
る。そして、この熱流動解析方法によって出力される値
を用いて、押出機内の樹脂溶融完全充満部で、樹脂がス
クリューフライト噛合部を平均的に何回通過するかを指
標化し、その指標を用いてスクリュー寸法を設計する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、２軸押出機におけるス
クリューの設計方法に関するものである。
クリューの設計方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】２軸押出機のスクリュー性能を検討する
ものとして、従来より、２軸同方向押出機スクリュー部
での樹脂の流れ、圧力分布を定量化するもの（ANTEC'90
P.135-138) 、２軸同方向押出機内の樹脂流路を３次元
で解析を行い、スクリュー部での樹脂の流れ、操業特性
とスクリュー形状特性とを定量化するもの（ANTEC'90
P.139-142) 、２軸同方向押出機のスクリューエレメン
トの混練性能を実験的に行ったもの（ANTEC'91 P.149-1
52) 、２軸同方向押出機内の樹脂流路内の樹脂流速、圧
力、剪断速度を定量化したもの（ANTEC'92 P.1311-131
6) 等がある。
ものとして、従来より、２軸同方向押出機スクリュー部
での樹脂の流れ、圧力分布を定量化するもの（ANTEC'90
P.135-138) 、２軸同方向押出機内の樹脂流路を３次元
で解析を行い、スクリュー部での樹脂の流れ、操業特性
とスクリュー形状特性とを定量化するもの（ANTEC'90
P.139-142) 、２軸同方向押出機のスクリューエレメン
トの混練性能を実験的に行ったもの（ANTEC'91 P.149-1
52) 、２軸同方向押出機内の樹脂流路内の樹脂流速、圧
力、剪断速度を定量化したもの（ANTEC'92 P.1311-131
6) 等がある。
【０００３】また、本発明者が以前に提案したものとし
て、押出機内の樹脂流路を３次元微少要素分割したメッ
シュデータに基づいて３次元の数値解析を行うもの（特
開平３−２８８６２０号公報、特開平４−３６４９２１
号公報）、及びこれらの解析結果を用いて要求品質に合
致するスクリュー形状を決定するもの（特開平３−２８
８６１９号公報）等がある。
て、押出機内の樹脂流路を３次元微少要素分割したメッ
シュデータに基づいて３次元の数値解析を行うもの（特
開平３−２８８６２０号公報、特開平４−３６４９２１
号公報）、及びこれらの解析結果を用いて要求品質に合
致するスクリュー形状を決定するもの（特開平３−２８
８６１９号公報）等がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ＡＮＴ
ＥＣに掲載された上記各技術では、既存の押出機のスク
リューを用いて原料及び製品毎にテストを行い、その結
果に基づいてスクリュー形状を決定しているため、設計
の自由度が少なく、また設計完了までに多くの時間を必
要としていた。
ＥＣに掲載された上記各技術では、既存の押出機のスク
リューを用いて原料及び製品毎にテストを行い、その結
果に基づいてスクリュー形状を決定しているため、設計
の自由度が少なく、また設計完了までに多くの時間を必
要としていた。
【０００５】また、本発明者が提案したものにおいて
も、押出機内の熱流動に対するシミュレーションにおい
て、押出機内の樹脂挙動を定量化しているのみであり、
また温度の考慮も行っていないことから、押出最終製品
での外観、物性までも考慮したシミュレーションとはな
っておらず、このため原料及び製品毎の具体的なスクリ
ュー形状の適正化といった点において課題を残してい
た。
も、押出機内の熱流動に対するシミュレーションにおい
て、押出機内の樹脂挙動を定量化しているのみであり、
また温度の考慮も行っていないことから、押出最終製品
での外観、物性までも考慮したシミュレーションとはな
っておらず、このため原料及び製品毎の具体的なスクリ
ュー形状の適正化といった点において課題を残してい
た。
【０００６】本発明はかかる実情に鑑みてなされたもの
で、その目的は、原料及び製品毎に適正なスクリュー形
状の設計が可能な２軸押出機におけるスクリュー設計方
法を提供することにある。
で、その目的は、原料及び製品毎に適正なスクリュー形
状の設計が可能な２軸押出機におけるスクリュー設計方
法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の２軸押出機におけるスクリュー設計方法
は、バレル内にスクリューが設けられ、このスクリュー
の回転によってバレル内の樹脂が混練溶融されて押し出
されるように形成された２軸押出機において、前記バレ
ル内の樹脂流路を６面体セル要素で空間的に３次元微小
要素に分割したメッシュデータに基づいて、熱流動を支
配する各方程式を全て３次元で取り扱うとともに、実際
の現象に基づいた各種の境界条件と樹脂特性とによって
数値解析を行い離散化する際に、前記バレル内の樹脂流
路を複数の領域に分割し、各領域毎に微小要素に分割
し、各領域間では互いに境界条件の受け渡し処理を行っ
て数値解析を行い、この数値解析によって離散化された
流速に基づいて解析対象領域内の流跡線を表示し、温
度、剪断速度、粘度等の物理量履歴を定量化する熱流動
解析方法によって出力される値を用いて、押出機内の樹
脂溶融完全充満部で、樹脂がスクリューフライト噛合部
を平均的に何回通過するかを指標化し、その指標を用い
て最適スクリュー寸法を設計するものである。
め、本発明の２軸押出機におけるスクリュー設計方法
は、バレル内にスクリューが設けられ、このスクリュー
の回転によってバレル内の樹脂が混練溶融されて押し出
されるように形成された２軸押出機において、前記バレ
ル内の樹脂流路を６面体セル要素で空間的に３次元微小
要素に分割したメッシュデータに基づいて、熱流動を支
配する各方程式を全て３次元で取り扱うとともに、実際
の現象に基づいた各種の境界条件と樹脂特性とによって
数値解析を行い離散化する際に、前記バレル内の樹脂流
路を複数の領域に分割し、各領域毎に微小要素に分割
し、各領域間では互いに境界条件の受け渡し処理を行っ
て数値解析を行い、この数値解析によって離散化された
流速に基づいて解析対象領域内の流跡線を表示し、温
度、剪断速度、粘度等の物理量履歴を定量化する熱流動
解析方法によって出力される値を用いて、押出機内の樹
脂溶融完全充満部で、樹脂がスクリューフライト噛合部
を平均的に何回通過するかを指標化し、その指標を用い
て最適スクリュー寸法を設計するものである。
【０００８】本発明における２軸押出機とは、スクリュ
ーの回転方向がそれぞれの軸で反対のもの、同じものの
双方を含む。また、本発明における樹脂とは、熱と剪断
によるエネルギーによって溶融、流動性を発現する熱可
塑性樹脂、及び熱と剪断によるエネルギーによって不溶
化（硬化反応）し、再加熱しても融解しない熱硬化性樹
脂が挙げられる。上記熱可塑性樹脂としては、例えばポ
リエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリカー
ボネート、硬質塩化ビニル樹脂、軟質塩化ビニル樹脂、
ナイロン樹脂、ポリビニルアセタール樹脂、アクリル樹
脂、アセタール樹脂、ポリエステル樹脂等が挙げられ
る。これらの熱可塑性樹脂には、可塑剤、充填剤等が添
加されていてもよい。
ーの回転方向がそれぞれの軸で反対のもの、同じものの
双方を含む。また、本発明における樹脂とは、熱と剪断
によるエネルギーによって溶融、流動性を発現する熱可
塑性樹脂、及び熱と剪断によるエネルギーによって不溶
化（硬化反応）し、再加熱しても融解しない熱硬化性樹
脂が挙げられる。上記熱可塑性樹脂としては、例えばポ
リエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリカー
ボネート、硬質塩化ビニル樹脂、軟質塩化ビニル樹脂、
ナイロン樹脂、ポリビニルアセタール樹脂、アクリル樹
脂、アセタール樹脂、ポリエステル樹脂等が挙げられ
る。これらの熱可塑性樹脂には、可塑剤、充填剤等が添
加されていてもよい。
【０００９】また、上記熱硬化性樹脂としては、例えば
フェノール樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、アニリン
樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ジアリルフタレート樹
脂、エポキシ樹脂、アルキド樹脂、珪素樹脂、ポリイミ
ド樹脂、ポリウレタン樹脂等が挙げられる。
フェノール樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、アニリン
樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ジアリルフタレート樹
脂、エポキシ樹脂、アルキド樹脂、珪素樹脂、ポリイミ
ド樹脂、ポリウレタン樹脂等が挙げられる。
【００１０】また、本発明において数値解析とは、樹脂
流路データ（メッシュデータ）を各種の条件（スクリュ
ー回転周速、壁面温度、流入量等）の基で流動場、温度
場を最終的に収束解が得られるまで繰り返し計算するこ
とをいい、有限要素法、有限差分法、有限体積法等が挙
げられる。また、本発明において押出機内樹脂溶融完全
充満部とは、樹脂の溶融流動状態において、押出機内の
バレルとスクリューとの間の樹脂流路で、樹脂の占める
割合が１００％である部分をいう。
流路データ（メッシュデータ）を各種の条件（スクリュ
ー回転周速、壁面温度、流入量等）の基で流動場、温度
場を最終的に収束解が得られるまで繰り返し計算するこ
とをいい、有限要素法、有限差分法、有限体積法等が挙
げられる。また、本発明において押出機内樹脂溶融完全
充満部とは、樹脂の溶融流動状態において、押出機内の
バレルとスクリューとの間の樹脂流路で、樹脂の占める
割合が１００％である部分をいう。
【００１１】
【作用】バレル内の樹脂流路を６面体セル要素で空間的
に３次元微小要素に分割したメッシュデータに基づい
て、熱流動を支配する各方程式（連続の式、運動方程
式、エネルギー方程式、構成方程式）を全て３次元で取
り扱うとともに、実際の現象に基づいた各種の境界条件
（スクリュー回転周速、壁面温度、流入量等）と樹脂特
性（流動特性、熱特性、機械特性等）によって数値解析
を行い離散化する。その際、バレル内の樹脂流路を複数
の領域に分割し、各領域毎に微小要素に分割し、各領域
間では互いに境界条件の受け渡し処理を行って数値解析
を行う。そして、この数値解析によって離散化された流
速に基づいて解析対象領域内の流跡線を表示し、温度、
剪断速度、粘度等の物理量履歴を定量化する熱流動解析
を行う。
に３次元微小要素に分割したメッシュデータに基づい
て、熱流動を支配する各方程式（連続の式、運動方程
式、エネルギー方程式、構成方程式）を全て３次元で取
り扱うとともに、実際の現象に基づいた各種の境界条件
（スクリュー回転周速、壁面温度、流入量等）と樹脂特
性（流動特性、熱特性、機械特性等）によって数値解析
を行い離散化する。その際、バレル内の樹脂流路を複数
の領域に分割し、各領域毎に微小要素に分割し、各領域
間では互いに境界条件の受け渡し処理を行って数値解析
を行う。そして、この数値解析によって離散化された流
速に基づいて解析対象領域内の流跡線を表示し、温度、
剪断速度、粘度等の物理量履歴を定量化する熱流動解析
を行う。
【００１２】そして、この熱流動解析方法によって出力
される値を用いて、押出機内の樹脂溶融完全充満部で、
樹脂がスクリューフライト噛合部を平均的に何回通過す
るかを指標化し、その指標を用いて最適スクリュー寸法
を設計する。
される値を用いて、押出機内の樹脂溶融完全充満部で、
樹脂がスクリューフライト噛合部を平均的に何回通過す
るかを指標化し、その指標を用いて最適スクリュー寸法
を設計する。
【００１３】すなわち、２軸押出機内の詳細樹脂挙動に
則した押出機内樹脂溶融完全充満部での樹脂履歴を加味
した熱流動解析結果に基づいて、押し出す原料及び製品
毎の適正なスクリュー設計が可能となる。
則した押出機内樹脂溶融完全充満部での樹脂履歴を加味
した熱流動解析結果に基づいて、押し出す原料及び製品
毎の適正なスクリュー設計が可能となる。
【００１４】そのため、設計の自由度が広くなるととも
に、スクリュー設計が極めて短時間に行える。また、設
計指針が明確で定量的になっているため、種々のスクリ
ューに対するデータベースの構築が可能となる。
に、スクリュー設計が極めて短時間に行える。また、設
計指針が明確で定量的になっているため、種々のスクリ
ューに対するデータベースの構築が可能となる。
【００１５】
【実施例】以下、本発明の一実施例を図面を参照して説
明する。
明する。
【００１６】図１は、押出機内樹脂流路の熱流動解析方
法を実行するためのシステム構成を示している。
法を実行するためのシステム構成を示している。
【００１７】このシステムは、押出機内樹脂流路を６面
体セル要素で３次元的に分割して熱流動解析を行うため
のメッシュデータを作成するプリプロセッサ（メッシュ
ジェネレータ）１１、作成したメッシュデータと実際の
現象により規定される種々の境界条件を用いて流動場と
温度場とを繰り返し計算するアナリシスプログラムを備
えた熱流動計算部１２、熱流動計算部１２のアナリシス
プログラムにより３次元に離散化された各物理量をメッ
シュデータ上に図化しかつ各要素の流速を用いて樹脂の
流跡線を表示するポストプロセッサ１３によって構成さ
れている。
体セル要素で３次元的に分割して熱流動解析を行うため
のメッシュデータを作成するプリプロセッサ（メッシュ
ジェネレータ）１１、作成したメッシュデータと実際の
現象により規定される種々の境界条件を用いて流動場と
温度場とを繰り返し計算するアナリシスプログラムを備
えた熱流動計算部１２、熱流動計算部１２のアナリシス
プログラムにより３次元に離散化された各物理量をメッ
シュデータ上に図化しかつ各要素の流速を用いて樹脂の
流跡線を表示するポストプロセッサ１３によって構成さ
れている。
【００１８】プリプロセッサ１１では、押出機内の樹脂
流路を特徴付ける主要なパラメータと、３次元の各方向
への分割数とを規定した入力データに基づいて、メッシ
ュデータを作成する。作成されたメッシュデータは、メ
ッシュ情報として出力されるとともに、メッシュデータ
ファイルに蓄積される。
流路を特徴付ける主要なパラメータと、３次元の各方向
への分割数とを規定した入力データに基づいて、メッシ
ュデータを作成する。作成されたメッシュデータは、メ
ッシュ情報として出力されるとともに、メッシュデータ
ファイルに蓄積される。
【００１９】図２乃至図４に、２軸異方向回転押出機に
対する入力パラメータを示す。ここで、図２中、図３
中、及び図４の表中に示された各変数は次の通りであ
る。
対する入力パラメータを示す。ここで、図２中、図３
中、及び図４の表中に示された各変数は次の通りであ
る。
【００２０】すなわち、まず２軸押出機内の樹脂流路を
微少要素に分割し、６面体ソリッド要素の集合体とす
る。この分割は、フライトＺ方向分割数（NWOB）、溝部
Ｚ方向分割数（NWCH）、溝部Ｘ方向分割数（NHCH）、バ
レル部Ｘ方向分割数（NHBA）、基本ブロック数（NBB
N）、スクリュー非噛合部周方向分割数（NNC ）、スク
リュー噛合部周方向分割数（NC）、フライト条数（ISN
）、スクリュー内半径（RI）、スクリュー外半径（R
O）、バレル内半径（RB）、スクリュー軸間距離（R
L）、フライトピッチ（PICH）、フライト頂幅（A ）、
圧力角（ALF ）を設定することによって行われる。
微少要素に分割し、６面体ソリッド要素の集合体とす
る。この分割は、フライトＺ方向分割数（NWOB）、溝部
Ｚ方向分割数（NWCH）、溝部Ｘ方向分割数（NHCH）、バ
レル部Ｘ方向分割数（NHBA）、基本ブロック数（NBB
N）、スクリュー非噛合部周方向分割数（NNC ）、スク
リュー噛合部周方向分割数（NC）、フライト条数（ISN
）、スクリュー内半径（RI）、スクリュー外半径（R
O）、バレル内半径（RB）、スクリュー軸間距離（R
L）、フライトピッチ（PICH）、フライト頂幅（A ）、
圧力角（ALF ）を設定することによって行われる。
【００２１】２軸押出機内の樹脂流動挙動を解析する場
合、形状が複雑になるため、解析対象を３つの領域に分
けてメッシュデータを作成し、各領域間は相互に境界条
件を受渡して計算を進める。この３つの領域を図６に示
す。同図において、ａ，ｃはスクリューが噛み合わない
領域、ｂは左右のスクリューが噛み合う領域である。
合、形状が複雑になるため、解析対象を３つの領域に分
けてメッシュデータを作成し、各領域間は相互に境界条
件を受渡して計算を進める。この３つの領域を図６に示
す。同図において、ａ，ｃはスクリューが噛み合わない
領域、ｂは左右のスクリューが噛み合う領域である。
【００２２】図５に、図３に示す表の数値を用いてメッ
シュ生成したときのメッシュ図の一例を示している。た
だし、このメッシュ図は、その構成を理解し易いように
セル要素の分割数を少なくした簡略化した表現となって
いるが、実際にはこれよりも微小なセル要素に分割して
いる。
シュ生成したときのメッシュ図の一例を示している。た
だし、このメッシュ図は、その構成を理解し易いように
セル要素の分割数を少なくした簡略化した表現となって
いるが、実際にはこれよりも微小なセル要素に分割して
いる。
【００２３】次に、熱流動計算部１２の動作を、図７及
び図８に示すアナリシスプログラムの全体の流れ図を参
照して説明する。
び図８に示すアナリシスプログラムの全体の流れ図を参
照して説明する。
【００２４】まず、定数の設定を行い、コントロールデ
ータの読み込みを行う（ステップＳ１，Ｓ２）。この
後、これらのデータを出力ファイルに書き出す（ステッ
プＳ３）。
ータの読み込みを行う（ステップＳ１，Ｓ２）。この
後、これらのデータを出力ファイルに書き出す（ステッ
プＳ３）。
【００２５】次に、メッシュデータの読み込みの有無を
判断し、読み込む場合には磁気ディスク等の記憶媒体に
メッシュデータを記憶する（ステップＳ４，Ｓ５）。ま
た、読み込まない場合にはそのままメッシュデータを生
成する（ステップＳ４，Ｓ６）。
判断し、読み込む場合には磁気ディスク等の記憶媒体に
メッシュデータを記憶する（ステップＳ４，Ｓ５）。ま
た、読み込まない場合にはそのままメッシュデータを生
成する（ステップＳ４，Ｓ６）。
【００２６】この後、生成した又は記憶媒体に記憶した
メッシュデータにエラーが無いかどうかが判断され、デ
ータエラーがある場合にはエラーリストを出力ファイル
に書き出し、動作を終了する（ステップＳ７，Ｓ８）。
また、データエラーが無い場合には、リスタート計算す
るかしないかの判断が行われる（ステップＳ７，Ｓ
９）。そして、リスタート計算する場合にはリスタート
ファイルを読み込み（ステップＳ１０）、リスタート計
算しない場合には流速、温度、圧力等の初期値をセット
し、セル体積を計算する（ステップＳ１１，Ｓ１２）。
メッシュデータにエラーが無いかどうかが判断され、デ
ータエラーがある場合にはエラーリストを出力ファイル
に書き出し、動作を終了する（ステップＳ７，Ｓ８）。
また、データエラーが無い場合には、リスタート計算す
るかしないかの判断が行われる（ステップＳ７，Ｓ
９）。そして、リスタート計算する場合にはリスタート
ファイルを読み込み（ステップＳ１０）、リスタート計
算しない場合には流速、温度、圧力等の初期値をセット
し、セル体積を計算する（ステップＳ１１，Ｓ１２）。
【００２７】次に、各ブロックの計算を継続するかどう
かを判断し、継続する場合には結合部にデータを読み込
んで行く（ステップＳ１３，Ｓ１４）。また、継続しな
い場合にはステップＳ１４をスキップして後述する熱流
動計算に移る（ステップＳ１５）。そして、この熱流動
計算の結果を出力するとともに、結合部のデータを出力
する（ステップＳ１６，Ｓ１７）。その後、ＣＰＵタイ
ム、正常、異常、終了等の情報を出力し（ステップＳ１
８）、処理を完了する。
かを判断し、継続する場合には結合部にデータを読み込
んで行く（ステップＳ１３，Ｓ１４）。また、継続しな
い場合にはステップＳ１４をスキップして後述する熱流
動計算に移る（ステップＳ１５）。そして、この熱流動
計算の結果を出力するとともに、結合部のデータを出力
する（ステップＳ１６，Ｓ１７）。その後、ＣＰＵタイ
ム、正常、異常、終了等の情報を出力し（ステップＳ１
８）、処理を完了する。
【００２８】次に、ステップＳ１５での処理、すなわち
熱流動計算の処理について説明する。
熱流動計算の処理について説明する。
【００２９】熱流動計算は、熱流動計算部１２の流動解
析部と温度解析部とによって行われ、両解析部の収束計
算により全体が安定計算段階に入るまで繰り返し行われ
る。
析部と温度解析部とによって行われ、両解析部の収束計
算により全体が安定計算段階に入るまで繰り返し行われ
る。
【００３０】計算座標は、押出機内で回転するスクリュ
ー上での回転座標系と静止座標系との両者を選択でき
る。また、温度境界条件は、スクリューフライトに実際
の現象により規定されるバレル・スクリューフライトの
壁面温度をセットする。
ー上での回転座標系と静止座標系との両者を選択でき
る。また、温度境界条件は、スクリューフライトに実際
の現象により規定されるバレル・スクリューフライトの
壁面温度をセットする。
【００３１】また、流動境界条件は、計算に用いる座標
系によって異なるが、静止座標での解析を例にとると、
図５のスクリューフライト部にスクリュー回転速度によ
り規定される周速度をセットする。そして、図６に示す
３つの領域ａ，ｂ，ｃ毎に収束計算を行う。ここで、ｂ
の領域の計算は、ａ領域及びｃ領域のｂ領域に隣接する
要素の物理量を境界条件とし、ａ領域及びｃ領域の計算
は、ｂ領域のａ領域及びｃ領域に隣接する要素の物理量
を境界条件として、３つの領域ａ，ｂ，ｃ全てが安定計
算段階に入るまで収束計算を継続する。
系によって異なるが、静止座標での解析を例にとると、
図５のスクリューフライト部にスクリュー回転速度によ
り規定される周速度をセットする。そして、図６に示す
３つの領域ａ，ｂ，ｃ毎に収束計算を行う。ここで、ｂ
の領域の計算は、ａ領域及びｃ領域のｂ領域に隣接する
要素の物理量を境界条件とし、ａ領域及びｃ領域の計算
は、ｂ領域のａ領域及びｃ領域に隣接する要素の物理量
を境界条件として、３つの領域ａ，ｂ，ｃ全てが安定計
算段階に入るまで収束計算を継続する。
【００３２】ポストプロセッサ１３は、メッシュデータ
及びアナリシスプログラムによる計算結果を用いて、メ
ッシュ図上に各物理量の分布図、各要素の流速に基づく
流跡線を表示する。また同時に、解析コントロールデー
タのスイッチを切り替え操作することにより、収束計算
の収束状況や、各物理量の履歴を図化出力する。
及びアナリシスプログラムによる計算結果を用いて、メ
ッシュ図上に各物理量の分布図、各要素の流速に基づく
流跡線を表示する。また同時に、解析コントロールデー
タのスイッチを切り替え操作することにより、収束計算
の収束状況や、各物理量の履歴を図化出力する。
【００３３】図１１乃至図１３に、２軸異方向回転押出
機での流速、温度の熱流動解析結果の図化出力を示す。
ただし、図１１では、本来図５に示すメッシュ図上に流
速ベクトルが図化されるのであるが、ここでは外観図上
に流速ベクトルを図化することにより簡略化した表現と
なっている。また、図１２に示す流速ベクトル図及び図
１３に示す温度分布図も、理解を容易なものとするため
に簡略化した表現となっている。
機での流速、温度の熱流動解析結果の図化出力を示す。
ただし、図１１では、本来図５に示すメッシュ図上に流
速ベクトルが図化されるのであるが、ここでは外観図上
に流速ベクトルを図化することにより簡略化した表現と
なっている。また、図１２に示す流速ベクトル図及び図
１３に示す温度分布図も、理解を容易なものとするため
に簡略化した表現となっている。
【００３４】次に、流跡線表示プログラムについて説明
する。
する。
【００３５】図９に、流跡線表示プログラムの概略の流
れ図を示す。
れ図を示す。
【００３６】このプログラムでは、まずプリプロセッサ
１１で作成したメッシュデータと、熱流動計算部１２の
アナリシスプログラムでの解析結果とを各ファイルから
読み込む（ステップＳ２１〜Ｓ２７）。次に、粒子解析
を行うかどうかを判断し（ステップＳ２８）、行う場合
には粒子運動解析処理に移る（ステップＳ２９）。
１１で作成したメッシュデータと、熱流動計算部１２の
アナリシスプログラムでの解析結果とを各ファイルから
読み込む（ステップＳ２１〜Ｓ２７）。次に、粒子解析
を行うかどうかを判断し（ステップＳ２８）、行う場合
には粒子運動解析処理に移る（ステップＳ２９）。
【００３７】すなわち、入力データで規定される解析領
域内の粒子位置座標を検出し、この粒子位置座標の含ま
れる要素と、その周りの要素の流速とから、その粒子の
流速を内挿計算する。その後、粒子をその流速で移動さ
せ、移動後の粒子位置座標を求め、流速を求めるといっ
た処理を繰り返し行い、粒子が入力データで規定される
座標値若しくは計算時間となるまで処理を繰り返す（ス
テップＳ２９）。その後に、この粒子の移動の軌跡をメ
ッシュデータ上に図化出力し、入力データのスイッチの
切り替え操作により粒子の各物理量（温度、剪断速度、
圧力等）の履歴を図化出力する（ステップＳ３０，Ｓ３
１）。また、この流線運動解析の結果を出力し（ステッ
プＳ３２）、その後ＣＰＵタイム、正常、異常、終了等
の情報を出力して（ステップＳ３３）、処理を完了す
る。
域内の粒子位置座標を検出し、この粒子位置座標の含ま
れる要素と、その周りの要素の流速とから、その粒子の
流速を内挿計算する。その後、粒子をその流速で移動さ
せ、移動後の粒子位置座標を求め、流速を求めるといっ
た処理を繰り返し行い、粒子が入力データで規定される
座標値若しくは計算時間となるまで処理を繰り返す（ス
テップＳ２９）。その後に、この粒子の移動の軌跡をメ
ッシュデータ上に図化出力し、入力データのスイッチの
切り替え操作により粒子の各物理量（温度、剪断速度、
圧力等）の履歴を図化出力する（ステップＳ３０，Ｓ３
１）。また、この流線運動解析の結果を出力し（ステッ
プＳ３２）、その後ＣＰＵタイム、正常、異常、終了等
の情報を出力して（ステップＳ３３）、処理を完了す
る。
【００３８】図１０に、２軸異方向回転押出機での流跡
線表示例を示す。
線表示例を示す。
【００３９】この流跡線の２軸押出機内の樹脂溶融完全
充満部全体での粒子の履歴を解析領域入口での１００個
について定量化し、その流跡線に基づいて各粒子のスク
リューフライト噛合部の通過回数を平均化する。
充満部全体での粒子の履歴を解析領域入口での１００個
について定量化し、その流跡線に基づいて各粒子のスク
リューフライト噛合部の通過回数を平均化する。
【００４０】既存のスクリュー形状と、噛合部平均通過
回数を指標として設計したスクリュー形状との比較を表
１に示す。また、この設計スクリューを用いて作成した
製品（肉厚３mm、幅１３００mmのシート）の外観、物性
を表２に示す。
回数を指標として設計したスクリュー形状との比較を表
１に示す。また、この設計スクリューを用いて作成した
製品（肉厚３mm、幅１３００mmのシート）の外観、物性
を表２に示す。
【００４１】
【表１】
【００４２】
【表２】
【００４３】なお、表１のZONEの項に示した比較箇所で
あるMETERINGの部分は、図１４に示したスクリュー形状
の先端部分（図中にMETERINGとして記載されている）で
ある。また、NUMBER OF FLIGHT（フライト条数）とLEAD
との関係から、下式によってフライトピッチPIが求めら
れる。
あるMETERINGの部分は、図１４に示したスクリュー形状
の先端部分（図中にMETERINGとして記載されている）で
ある。また、NUMBER OF FLIGHT（フライト条数）とLEAD
との関係から、下式によってフライトピッチPIが求めら
れる。
【００４４】
【数１】PI＝LEAD／NUMBER OF FLIGHT また、ROLL CLEARANCEとは、図６に示すように、一方の
スクリュー軸の外周面と他方のスクリューの外周端との
隙間のことであり、MINIMUM FLIGHT CLEARANCEとは、同
図に示す左右のスクリューが噛み合う領域ｂにおいて、
両フライトが最も接近した位置の隙間のことである。
スクリュー軸の外周面と他方のスクリューの外周端との
隙間のことであり、MINIMUM FLIGHT CLEARANCEとは、同
図に示す左右のスクリューが噛み合う領域ｂにおいて、
両フライトが最も接近した位置の隙間のことである。
【００４５】また、表２に示す実施例及び比較例に用い
た装置は次の通りである。
た装置は次の通りである。
【００４６】使用押出機：２軸異方向回転コニカルタイ
プ押出機（押出機先端軸間距離六拾mm、押出機先端スク
リュー外径８０mm、外径コニカル角１．２°、軸間コニ
カル角１．０°）、使用樹脂：硬質ＰＶＣ（徳山積水、
商品名ＴＳ８００Ｅ）、使用金型：製品肉厚３mm，幅１
３００mmのシート用金型、押出成形条件：押出量５００
Kg/h，バレル温度１８０℃、シート表面外観評価：目
視、衝撃強度測定：ＪＩＳ Ｋ７１１０に準拠。
プ押出機（押出機先端軸間距離六拾mm、押出機先端スク
リュー外径８０mm、外径コニカル角１．２°、軸間コニ
カル角１．０°）、使用樹脂：硬質ＰＶＣ（徳山積水、
商品名ＴＳ８００Ｅ）、使用金型：製品肉厚３mm，幅１
３００mmのシート用金型、押出成形条件：押出量５００
Kg/h，バレル温度１８０℃、シート表面外観評価：目
視、衝撃強度測定：ＪＩＳ Ｋ７１１０に準拠。
【００４７】表２から分かるように、本設計方法を用い
た新規設計スクリューでは、設計期間を３か月から０．
５か月と大幅に短縮でき、かつ物性、外観共に良好な製
品を作成することができる。
た新規設計スクリューでは、設計期間を３か月から０．
５か月と大幅に短縮でき、かつ物性、外観共に良好な製
品を作成することができる。
【００４８】これを比較例１，２と比較すると、比較例
１，２では、シートの外観を向上するためにそれぞれ金
型背圧、スクリュー回転数を大きくすることによって、
目的とする外観の向上が図れているが、反面、比較例２
ではモーター負荷の定格（１００％）をオーバーしてお
り、かつ衝撃値が低下している。
１，２では、シートの外観を向上するためにそれぞれ金
型背圧、スクリュー回転数を大きくすることによって、
目的とする外観の向上が図れているが、反面、比較例２
ではモーター負荷の定格（１００％）をオーバーしてお
り、かつ衝撃値が低下している。
【００４９】
【発明の効果】本発明の２軸押出機におけるスクリュー
設計方法は、バレル内の樹脂流路を６面体セル要素で空
間的に３次元微小要素に分割したメッシュデータに基づ
いて、熱流動を支配する各方程式を全て３次元で取り扱
うとともに、実際の現象に基づいた各種の境界条件と樹
脂特性とによって数値解析を行い離散化する際に、バレ
ル内の樹脂流路を複数の領域に分割し、各領域毎に微小
要素に分割し、各領域間では互いに境界条件の受け渡し
処理を行って数値解析を行う。そして、この数値解析に
よって離散化された流速に基づいて解析対象領域内の流
跡線を表示し、温度、剪断速度、粘度等の物理量履歴を
定量化する熱流動解析方法によって出力される値を用い
て、押出機内の樹脂溶融完全充満部で、樹脂がスクリュ
ーフライト噛合部を平均的に何回通過するかを指標化
し、その指標を用いて最適スクリュー寸法を設計するよ
うに構成したので、２軸押出機内の詳細樹脂挙動に則し
た押出機内樹脂溶融完全充満部での樹脂履歴を加味した
熱流動解析結果に基づいて、押し出す原料及び製品毎の
適正なスクリュー設計が可能となる。そのため、設計の
自由度が広くなるとともに、スクリュー設計が極めて短
時間に行える。また、設計指針が明確で定量的になって
いるため、種々のスクリューに対するデータベースの構
築が可能となる。
設計方法は、バレル内の樹脂流路を６面体セル要素で空
間的に３次元微小要素に分割したメッシュデータに基づ
いて、熱流動を支配する各方程式を全て３次元で取り扱
うとともに、実際の現象に基づいた各種の境界条件と樹
脂特性とによって数値解析を行い離散化する際に、バレ
ル内の樹脂流路を複数の領域に分割し、各領域毎に微小
要素に分割し、各領域間では互いに境界条件の受け渡し
処理を行って数値解析を行う。そして、この数値解析に
よって離散化された流速に基づいて解析対象領域内の流
跡線を表示し、温度、剪断速度、粘度等の物理量履歴を
定量化する熱流動解析方法によって出力される値を用い
て、押出機内の樹脂溶融完全充満部で、樹脂がスクリュ
ーフライト噛合部を平均的に何回通過するかを指標化
し、その指標を用いて最適スクリュー寸法を設計するよ
うに構成したので、２軸押出機内の詳細樹脂挙動に則し
た押出機内樹脂溶融完全充満部での樹脂履歴を加味した
熱流動解析結果に基づいて、押し出す原料及び製品毎の
適正なスクリュー設計が可能となる。そのため、設計の
自由度が広くなるとともに、スクリュー設計が極めて短
時間に行える。また、設計指針が明確で定量的になって
いるため、種々のスクリューに対するデータベースの構
築が可能となる。
【図１】押出機内樹脂流路の熱流動解析を実行するため
のシステム構成図である。
のシステム構成図である。
【図２】プリプロセッサの入力パラメータ変数の説明図
である。
である。
【図３】プリプロセッサの入力パラメータ変数の説明図
である。
である。
【図４】２軸異方向回転押出機に対する入力パラメータ
変数を示す表である。
変数を示す表である。
【図５】プリプロセッサにより生成された２軸異方向回
転押出機のメッシュデータの図化出力図である。
転押出機のメッシュデータの図化出力図である。
【図６】２軸押出機の軸に直角な断面図である。
【図７】アナリシスプログラムの全体の流れ図である。
【図８】アナリシスプログラムの全体の流れ図である。
【図９】流跡線表示プログラムの概略の流れ図である。
【図１０】２軸異方向回転押出機での流跡線表示例を示
す図である。
す図である。
【図１１】アナリシスプログラムによる解析結果の流速
ベクトルの透視出力図である。
ベクトルの透視出力図である。
【図１２】アナリシスプログラムによる解析結果の流速
ベクトルを示す軸に直角な断面図である。
ベクトルを示す軸に直角な断面図である。
【図１３】アナリシスプログラムによる解析結果の温度
分布を示す軸に直角な断面図である。
分布を示す軸に直角な断面図である。
【図１４】新旧比較のためのスクリュー形状の一例を示
す図である。
す図である。
１１ プリプロセッサ １２ 熱流動計算部 １３ ポストプロセッサ
Claims (1)
- 【請求項１】 バレル内にスクリューが設けられ、この
スクリューの回転によってバレル内の樹脂が混練溶融さ
れて押し出されるように形成された２軸押出機におい
て、 前記バレル内の樹脂流路を６面体セル要素で空間的に３
次元微小要素に分割したメッシュデータに基づいて、熱
流動を支配する各方程式を全て３次元で取り扱うととも
に、実際の現象に基づいた各種の境界条件と樹脂特性と
によって数値解析を行い離散化する際に、前記バレル内
の樹脂流路を複数の領域に分割し、各領域毎に微小要素
に分割し、各領域間では互いに境界条件の受け渡し処理
を行って数値解析を行い、この数値解析によって離散化
された流速に基づいて解析対象領域内の流跡線を表示
し、温度、剪断速度、粘度等の物理量履歴を定量化する
熱流動解析方法によって出力される値を用いて、押出機
内の樹脂溶融完全充満部で、樹脂がスクリューフライト
噛合部を平均的に何回通過するかを指標化し、その指標
を用いて最適スクリュー寸法を設計することを特徴とす
る２軸押出機におけるスクリュー設計方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5081701A JPH06293053A (ja) | 1993-04-08 | 1993-04-08 | ２軸押出機におけるスクリュー設計方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5081701A JPH06293053A (ja) | 1993-04-08 | 1993-04-08 | ２軸押出機におけるスクリュー設計方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06293053A true JPH06293053A (ja) | 1994-10-21 |
Family
ID=13753691
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5081701A Pending JPH06293053A (ja) | 1993-04-08 | 1993-04-08 | ２軸押出機におけるスクリュー設計方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH06293053A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2013513177A (ja) * | 2009-12-08 | 2013-04-18 | バイエル・インテレクチュアル・プロパティ・ゲゼルシャフト・ミット・ベシュレンクテル・ハフツング | 同方向に回転して相互に接触する立体を構築する方法 |
-
1993
- 1993-04-08 JP JP5081701A patent/JPH06293053A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2013513177A (ja) * | 2009-12-08 | 2013-04-18 | バイエル・インテレクチュアル・プロパティ・ゲゼルシャフト・ミット・ベシュレンクテル・ハフツング | 同方向に回転して相互に接触する立体を構築する方法 |
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