JPH0785128A - 射出成形樹脂成形品の設計方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 射出成形において樹脂成形品の離型時に変形
を生じさせないようにする突き出しピン位置又は本数等
の成形条件の適正化を容易にすること。 【構成】 樹脂成形品の形状を複数の微小要素に分割す
ると共に、これら各微小要素についてそれぞれ前記樹脂
成形品の金型からの離型時点における収縮歪を求め、こ
の微小要素毎の収縮歪と金型による拘束条件とから、樹
脂の収縮に対抗して金型表面に発生する反力Ｒを求める
と共に、該反力Ｒから金型表面の摩擦力Ｆを求め、該摩
擦力Ｆの前記樹脂成形品に対する分布と大きさから、離
型時の突き出しピンの位置又は本数を設定する射出成形
樹脂成形品の設計方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、射出成形による樹脂成
形品の設計方法に関し、さらに詳しくは射出成形後の離
型時の突き出し条件を最適化する樹脂成形品の設計方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】樹脂製品の射出成形は、樹脂材料を金型
内に溶融射出した後、保持冷却して固化させ、次いで型
開きの後に突き出しピンにより樹脂成形品を押し出して
金型より離脱させるようにしている。この金型内での冷
却・固化の過程で樹脂成形品には収縮が生じ、また通常
の樹脂成形品はリブ構造や箱型構造などの複雑な３次元
形状を有するため、金型内で収縮するときの樹脂成形品
には金型の拘束力が働き、金型表面との間に摩擦力を発
生する。

【０００３】したがって、樹脂成形品を金型から離型す
るときは、この摩擦力に抗する外力を突き出しピンによ
り加えることが必要になる。しかし、この突き出しピン
による外力に対して、樹脂成形品の剛性が不十分な場合
には、成形品に変形が生じて成形不良になる。したがっ
て、射出成形において突き出しピン位置などを最適化す
ることは、樹脂成形品の設計において重要な案件になっ
ている。

【０００４】従来、このような突き出しピン位置等の設
定は、熟練した金型設計者が製品図面から経験則により
試作金型の修正を繰り返しながら適正な突き出し条件を
見だすという手法がとられていた。そのため金型試作回
数は多くなり、かつ製品開発期間が長くなるため、開発
コストが非常に高くならざるを得なかった。一方、樹脂
製品の射出成形過程に発生する成形不良などをコンピュ
ーター・シミュレーションの手法を用いて予測し、製品
設計，金型設計，成形条件などを最適化する方法とし
て、樹脂製品形状を多数の微小要素に分割したモデルに
ついて、有限要素法、境界要素法、差分法、ＦＡＮ法、
コントロール・ボリューム法などの数値解析手法によ
り、射出充填から保圧、冷却、収縮、室温平衡へ至るま
での射出成形過程を解析するようにした提案がある。

【０００５】しかし、従来のコンピューター・シミュレ
ーションによる方法は、一般には樹脂の冷却過程におけ
る成形品各部分の温度分布を求め、その温度分布から突
き出し位置等の条件を定める簡略法であるため、樹脂成
形品のそり変形などの成形不良は予測できるが、離型時
に突き出しピンにより成形品に加わる外力が考慮されて
いないため、取得した突き出しピン位置や突き出し力が
正確さに欠けるという欠点があった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、射出
成形において樹脂成形品の離型時に変形を生じさせない
ようにする突き出しピン位置又は本数等の成形条件の適
正化を容易に達成可能にする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】上記目的を達成する本発
明は、樹脂成形品の形状を複数の微小要素に分割すると
共に、これら各微小要素についてそれぞれ前記樹脂成形
品の金型からの離型時点における収縮歪を求め、この微
小要素毎の収縮歪と金型による拘束条件とから、樹脂の
収縮に対抗して金型表面に発生する反力Ｒを求めると共
に、該反力Ｒから金型表面の摩擦力Ｆを求め、該摩擦力
Ｆの前記樹脂成形品に対する分布と大きさから、離型時
の突き出しピンの位置又は本数を設定することを特徴と
するものである。

【０００８】さらに本発明では、少なくとも前記摩擦力
Ｆに相当する拘束条件、摩擦力Ｆに相当する荷重、摩擦
力Ｆに相当する剛性のいずれかと、前記突き出しピンの
突き出し荷重とから、樹脂成形品の突き出し時に該樹脂
成形品に発生する変形，応力，歪を求め、これら変形，
応力，歪に基づいて該樹脂成形品の肉厚などの形状又は
突き出し時間等の成形条件を設定するようにすることも
できる。

【０００９】また本発明では、前記樹脂成形品の突き出
し時に該樹脂成形品に発生する変形，応力，歪を求める
と共に、さらに室温平衡状態にいたるまでの収縮と変形
状態を求め、これら変形，応力，歪と収縮，変形状態と
に基づいて該樹脂成形品の肉厚などの形状を設定するよ
うにすることもできる。本発明の実施において、樹脂成
形品の収縮歪み、金型表面に発生する反力Ｒ、樹脂成形
品の突き出し時にその樹脂成形品に発生する変形，応
力，歪、またこの樹脂成形品が室温平衡状態に至るまで
の収縮と変形状態などを求める計算には、有限要素法、
境界要素法、差分法、ＦＡＮ法、コントロール・ボリュ
ーム法などの数値解析手法により、コンピュータの駆使
により容易に行うことができる。

【００１０】さらに具体的には、以下に説明するような
ステップを採用するのがよい。まず、射出成形の対象と
なる樹脂成形品の形状を複数の微小要素に分割し、これ
ら各微小要素毎に、樹脂成形品の射出成形後の離型時点
における収縮歪を、上述した数値解析手法により求める
(ステップ１) 。このステップ１は、成形条件を樹脂物
性と共にコンピューターに入力すれば、各微小要素毎に
上述した数値解析手法により射出成形の充填、保圧、冷
却、収縮解析が順次実行され、金型内での微小要素部分
の固化後の収縮歪が求められる。

【００１１】次いで、このようにして求めた微小要素毎
の収縮歪と金型による拘束条件とをコンピューターに入
力する (ステップ２) 。そして、これら収縮歪と金型に
よる拘束条件とに基づき、上述した数値解析手法によ
り、樹脂の収縮に対抗して金型表面に発生する反力Ｒを
求める (ステップ３) 。かつ、この反力Ｒより摩擦力Ｆ
を求め、さらに突き出し方向に働く摩擦力Ｆの総和を演
算すれば、全突き出し力に等しいものとすることができ
る (ステップ４) 。

【００１２】このようにして各微小要素ごとに得られた
摩擦力Ｆの樹脂成形品全体に対する分布や大きさの評価
から、摩擦力Ｆの大きい部分より突き出しピンの突き出
し位置又は本数をを設定することができる。本発明にお
いて、さらに上記摩擦力Ｆに相当する拘束条件、摩擦力
Ｆに相当する荷重、あるいは摩擦力Ｆに相当する剛性の
いずれかをコンピューターに入力し(ステップ５) 、同
じく突き出し荷重をコンピューターに入力し (ステップ
６)、これらのデータから上述した数値解析手法によ
り、突き出し時に樹脂成形品に発生する変形，応力，歪
を求めると (ステップ７) 、これら変形，応力，歪に基
づくことによって、樹脂成形品の形状として、突き出し
による変形の激しい部分の肉厚設定やリブ補強などを適
切に行うことができ、またそれにより突き出し時間の短
縮化によるサイクルタイムの削減が可能となる。

【００１３】上記突き出し時に樹脂成形品に発生する変
形，応力，歪は、離型時における樹脂と金型の接触部分
に働く拘束条件などをコンピューターに入力し、かつ突
き出し位置に摩擦力Ｆの総和に相等しい反力が発生する
だけの強制変位荷重をコンピューターに入力して、これ
らを数値解析することにより容易に求めることができ
る。これらは、例えばグラフィック処理されて変形図や
等高線表示やグラフ表示される。

【００１４】さらに本発明において、上記突き出し時に
樹脂成形品に発生する変形，応力，歪状態を初期状態と
して、室温平衡状態に至るまでの樹脂成形品全体の収
縮，変形状態を上述した数値解析手法により求めるよう
にすれば (ステップ８) 、これら変形，応力，歪状態と
収縮，変形状態とを評価することにより、上記樹脂成形
品の形状の設計を一層適切なものにすることができる。

【００１５】本発明において、上記ステップ４で反力Ｒ
から摩擦力Ｆを算定する場合、その摩擦力Ｆは、一般的
には反力Ｒの関数としてＦ＝Ｈ (Ｒ) のように表すこと
ができる。例えば、最も簡単には、摩擦係数Ｋから Ｆ
＝Ｋ×Ｒ として求めることができる。摩擦力Ｆの分布
は、グラフィック処理して等高線表示やグラフ表示する
とよい。

【００１６】また、ステップ５では、例えば突き出し方
向に摩擦力Ｆが働く部分に拘束条件を設定し、ステップ
７で、突き出し時の解析を行う時に摩擦力Ｆを越える離
型力が発生する部分で、順次拘束条件を外して解析を続
行するなどの手法が考えられる。これらも、グラフィッ
ク処理して等高線表示やグラフ表示するとよい。また、
ステップ６で入力する突き出し荷重としては、例えば突
き出しピン位置に強制変位量を与え、上述の方法で全て
の拘束条件が外れるまで解析する方法とか、或いはステ
ップ５で求めた拘束条件は変えずに、突き出しピン位置
に強制変位量を与えてステップ７の解析を行い、突き出
しピンに発生する突き出し力の総和が突き出し方向に働
く摩擦力Ｆの総和に等しくなるまで強制変位量を増加す
る方法などが考えられる。

【００１７】以上の演算処理により得られた数値やこれ
をグラフィック処理して得られた出力より、突き出しピ
ン配置や突き出し力、突き出し時間などの最適化が可能
となる。

【００１８】

【実施例】以下、本発明の樹脂成形品の設計方法につい
て、図に示す実施例を参照しながら説明する。図１は本
発明に関わる手順を示すフローチャートであり、このフ
ローチャートのステップ１〜８は、前述した通りであ
る。ここでは、図２に示す箱型の樹脂成形品を射出成形
する場合における突き出し条件について説明する。

【００１９】まず、図２に示すように、樹脂成形品１０
の形状の全体を複数の微小要素２０に分割する。次い
で、コンピューターに射出成形の射出圧、射出温度、金
型温度などの成形条件と、樹脂材料の粘度、熱伝導率等
の物性値を入力し、射出成形の充填解析、保圧解析、冷
却解析、収縮率解析を実施することにより、金型内部で
各微小要素２０にそれぞれ発生する熱収縮歪を算出する
(ステップ１) 。

【００２０】図３は、仮に金型による拘束がないものと
した場合の樹脂成形品の収縮状態を実線Ｓで示し、金型
により拘束された場合を破線Ｓ’で示した概念図であ
る。樹脂成形品１０は、実際には金型により拘束力が働
いて破線Ｓ’のようになっているので、樹脂成形品１０
には金型表面に密着する所謂抱きつき力による反力Ｒが
発生する。したがって、ステップ２においてステップ１
で求めた熱収縮歪を初期歪荷重とし、金型表面に対して
法線方向の拘束条件を入力して、ステップ３にて熱収縮
構造解析を実施することにより金型表面に発生する反力
Ｒを求める。

【００２１】次に、ステップ４にて、反力Ｒに対する摩
擦係数Ｋを例えば０．３とすると、金型表面と樹脂との
間の摩擦力Ｆを、例えばＦ＝０．３Ｒとして求めること
ができる。この摩擦力Ｆの計算を各微小要素２０毎に行
うことにより、樹脂成形品全体の分布を求めることがで
きる。例えば、図４の矢印Ｘ方向を突き出し方向とすれ
ば、矢印方向Ｘに対して垂直方向に反力Ｒが発生するＡ
部 (斜線部) が、突き出しに対抗する摩擦力Ｆを発生す
る部分となる。Ａ部に発生する摩擦力Ｆにより効果的な
突き出しピンの位置などを検討することができる。ここ
では、例えば図中Ｂ点を突き出しピンの位置と設定す
る。さらに、例えばＡ部に働く摩擦力Ｆの総和を求め、
これを全突き出し力あるいは離型力とすることができ
る。

【００２２】次に、型開き後の突き出し時をシミュレー
ションするために、ステップ５にて例えばＡ部に対する
拘束条件を入力し、ステップ６にて突き出しピンの位置
Ｂ点に強制変位ΔＺを例えばΔＺ＝１として入力する。
続いてステップ７にて該拘束条件と強制変位とから構造
解析を行い、突き出しピンの位置に発生する反力の総和
を求める。この反力の総和が、前述の摩擦力の総和と等
しくなるようΔＺを調整し、再び構造解析を行って樹脂
成形品の突き出し時に発生する応力や歪や変形量を求め
る。

【００２３】図５は、樹脂成形品の変形状態を拡大して
表示した概念図である。これより突き出し変形を評価す
ることができ、変形を抑えるために必要な剛性を得るた
めの冷却時間などを評価することができる。以上のよう
にした求めた変形，応力、歪状態を初期状態とし、続け
てステップ８にて離型後の熱収縮量を入力して収縮解析
を実施し、室温変更状態での成形品形状を求める。これ
より突き出し変形を考慮した収縮、そり変形が予測で
き、製品のリブ補強や肉厚を最適化する設計の検討が可
能となる。

【００２４】以上、箱型の樹脂成形品の場合について説
明したが、本発明はこの実施例のみに限定されるもので
はなく、この他にも任意の３次元的立体形状の樹脂成形
品に対して適用可能である。

【００２５】

【発明の効果】上述したように、本発明によれば、樹脂
成形品の離型時の突き出し時に発生する金型表面との間
の摩擦力を予測可能にし、それよって突き出しピンの位
置又は本数を最適化することができ、さらには樹脂成形
品のリブや肉厚などの形状の最適化を行うことができ
る。しかも、経験則により試作金型の修正を繰り返して
行う従来法に比べて簡単に行うことができるため、製品
開発期間の短縮と金型試作回数の削減とによる開発コス
トの低減を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の方法を実施する手順を示すフローチャ
ートである。

【図２】本発明を箱型樹脂成形品に実施する場合に、同
箱型樹脂成形品を微小要素に分割した状態を示す概念図
である。

【図３】図２に示す箱型樹脂成形品について、金型がな
いと仮定した場合と金型がある場合の状態とを比較して
示す概念図である。

【図４】図２に示す箱型樹脂成形品について、離型に対
して摩擦力が発生する部分を示す概念図である。

【図５】図２に示す箱型樹脂成形品について、離型時に
突き出しピンにより変形した状態を誇張して示した概念
図である。

【符号の説明】

１０ 箱型樹脂成形品 ２０ 微小要素 Ｓ 金型がないものと仮定した場合の箱型樹脂成形品の
形状 Ｓ’金型に拘束された箱型樹脂成形品の形状 Ｘ 突き出し方向 Ａ 摩擦力の作用部
分 Ｂ 突き出しピン位置

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 樹脂成形品の形状を複数の微小要素に分
   割すると共に、これら各微小要素についてそれぞれ前記
   樹脂成形品の金型からの離型時点における収縮歪を求
   め、この微小要素毎の収縮歪と金型による拘束条件とか
   ら、樹脂の収縮に対抗して金型表面に発生する反力Ｒを
   求めると共に、該反力Ｒから金型表面の摩擦力Ｆを求
   め、該摩擦力Ｆの前記樹脂成形品に対する分布と大きさ
   から、離型時の突き出しピンの位置又は本数を設定する
   射出成形樹脂成形品の設計方法。
2. 【請求項２】 少なくとも前記摩擦力Ｆに相当する拘束
   条件、摩擦力Ｆに相当する荷重、摩擦力Ｆに相当する剛
   性のいずれかと、前記突き出しピンの突き出し荷重とか
   ら、樹脂成形品の突き出し時に該樹脂成形品に発生する
   変形，応力，歪を求め、これらの変形，応力，歪に基づ
   いて該樹脂成形品の肉厚などの形状或いは突き出し時間
   等の成形条件を設定する請求項１に記載の射出成形樹脂
   成形品の設計方法。
3. 【請求項３】 前記樹脂成形品の突き出し時に該樹脂成
   形品に発生する変形，応力，歪を求めると共に、さらに
   室温平衡状態にいたるまでの収縮と変形状態を求め、こ
   れら変形，応力，歪と収縮，変形状態に基づいて該樹脂
   成形品の肉厚などの形状を設定する請求項２に記載の射
   出成形樹脂成形品の設計方法。