JPH09314307A - 射出成型品の製造方案 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】溶融材料の射出成型における溶融材料の流れシ
ミュレーションし、その解析結果から直接充填状況の適
否および欠陥発生位置を容易に予測することができる溶
融材料の射出成型品の製造方案を提供する。 【解決手段】流動解析を行う際に数値解析における金型
内への溶融材料の充填開始から充填終了まで所要時間を
任意の数に分割し、充填途中の分割されたある時間にお
ける溶融材料の充填状況および速度場から充填途中での
溶湯同士の衝突の度合いを所望の計算式を用いて算出
し、その解析結果から欠陥発生位置を予測する溶融材料
の射出成型品の製造方案。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は鋳造品，樹脂などの
溶融材料の射出成型において、欠陥のない高品質の製品
を製造するための最適方案および溶融材料の最適射出条
件などを数値解析により判定する方法に係り、特に金型
内に溶融材料が流入する際の充填挙動の良否を数値解析
結果から直接判断するための評価方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、溶融材料による射出成型において
金型内への充填挙動の流動解析では、射出成型により成
型される成型品および射出成型に使用する金型から流動
解析を行うための微小要素に分割された形状モデルを作
成し、差分法，有限要素法，境界要素法，ＦＡＮ法など
の数値解析法を用いて、非圧縮性流体が満たすべき連続
の式、および流体の運動方程式であるナビエ・ストーク
スの式、さらに流体の持つ熱エネルギーを評価するため
のエネルギーの式などを基礎式として演算を行うのが一
般的である。

【０００３】溶融材料の金型内への充填挙動解析として
流動解析と熱伝導解析を組み合わせた解析例（大塚他：
鋳物６０巻第１２号（１９８８），７５７：「コンピュ
ータによるダイカスト鋳物の湯流れ解析システム」）が
報告されている。

【０００４】このような金型内の溶融材料の射出成型シ
ミュレーションにおいて解析結果を評価する方法として
は、溶融材料の充填状況を充填された等時間線で表示し
たり、あるいは圧力分布，渦度分布，流速分布，温度分
布などを表示し、これらの解析結果から充填挙動の良否
を評価している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】鋳物，樹脂などの溶融
材料の射出成型により成型品を製作する際、溶融材料の
充填挙動は製品の品質に大きな影響を与える。製造時の
充填挙動が不適切な場合、製品内部に気泡の巻き込み
（ブローホール），湯境（ウエルドライン），充填不良
などの製品としては致命的な欠陥が発生する。これらの
欠陥の発生を防止するためには溶融材料の射出速度や温
度，ゲートや湯道の取付け位置や本数，金型温度や冷却
方法などの製造方案の最適化が必要であるが、現状では
過去の経験や勘に頼った試行錯誤的な最適化方法がとら
れている。

【０００６】また、ＣＡＥ（Computer Aided Engineeri
ng）技術を利用して製造方案の最適化にコンピュータシ
ミュレーションを利用する技術も試みられている。現状
では解析に必要なデータとして使用する溶融材料の物性
値，成型品の形状，溶融材料の温度，金型温度，充填速
度等を入力して溶融材料の射出成型における流動解析を
行い、充填状況，圧力分布，渦度分布，流速分布，温度
分布などの解析結果から製造条件の適否を評価してい
る。

【０００７】しかし、前述した従来の射出成型シミュレ
ーションにおける種々の解析結果の表示方法では溶融材
料の充填状況，圧力分布，渦度分布，流速分布，温度分
布などの個別の情報を忠実に表現することはできるが、
これらの情報から充填状況が欠陥のない健全な製品を製
造するのに適切なものになっているか否かについては直
接的に判定することはできない。溶融材料の射出成型に
おける流動解析結果を評価するには溶融材料の充填状
況，圧力分布，渦度分布，流速分布，温度分布などの情
報をもとに充填が順序良く進行しているか，最終充填部
は適切な位置になっているか，流れが乱れている部分は
ないかなどについて人間が得られた解析結果を総合的に
判断して、成型品である製品内のどこに欠陥が発生する
かを予測あるいは推測している。

【０００８】しかしながら、このような流動解析結果の
評価方法では判断を下す人間の過去の経験や勘に依存す
る部分が大きいため、判断する人間によって解析結果の
評価が異なる場合がある。したがってこのような流動解
析結果の評価方法では充填途中に発生する流れの乱れや
空気の巻き込みによる気泡の発生などの現象を的確に把
握し、評価することは非常に困難である。

【０００９】そこで、本発明の目的は溶融材料の射出成
型における流動解析結果から充填状況の適否を容易に判
定することができる溶融材料の射出成型における流動解
析結果の評価方法を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に溶湯が金型内に流入する際の充填状況を評価するため
のパラメータを開発することにより本発明を完成した。

【００１１】本発明に係る溶融材料の射出成型による射
出成形品の製造方案は以下の工程によって達成される。

【００１２】（ａ）射出成型により成型される成型品お
よび射出成型に使用する金型から数値解析を行うための
差分法，有限要素法，境界要素法，ＦＡＮ法などの数値
解析法に適した微小要素に分割された形状モデルを作成
し、また金型や溶融材料の温度，熱伝導率，比熱などの
物性を示す物性データを作成し、さらに溶融材料を射出
する際の速度，温度，時間等の射出条件データを作成す
る。

【００１３】（ｂ）数値解析における金型内への溶融材
料の充填開始から充填終了まで所要時間を任意の数に分
割する。

【００１４】（ｃ）上記（ａ）で設定した解析データ及
び解析条件をもとに差分法，有限要素法，境界要素法，
ＦＡＮ法などの数値解析法を用いて溶融材料の流動状況
を数値解析を実施する。

【００１５】（ｄ）金型内における溶融材料が充填され
た部分について（１）式で導かれるパラメータを速度場
および温度分布から算出する。

【００１６】

【数１】

【００１７】（１）式は各々の分割された時刻における
前記金型内の溶融材料の流速分布および充填状況から溶
融材料同士が衝突する際の隣り合う２つの要素の速度Ｖ
₁ ，Ｖ₂ および速度ベクトルがなす角度θ，溶融材料の
分割された時刻における隣り合う２つの要素の平均温度
Ｔ，溶融材料の凝固開始温度Ｔ_L を用いて求められる。

【００１８】（ｅ）上記（ｄ）の操作を溶融材料がキャ
ビティ内すべてに充填するまで繰り返し行う。

【００１９】（ｆ）パラメータの大きさの分布や時間的
な変化をＣＲＴ，プリンタ等の表示出力装置にグラフィ
ック出力する。

【００２０】以上（ａ）から（ｆ）までの工程を実施す
ることにより溶融材料の射出成型における充填挙動の良
否を評価判定することを特徴とする。

【００２１】ここでパラメータの算出方法について図を
用いて詳細に説明する。図１は本発明のパラメータを算
出するための概念図である。実際には３次元の形状にな
るが説明の簡単化のため２次元図にて説明を行うことに
する。１に示す要素１と２に示す要素２は解析領域を４
角形の微小要素で分割した要素を示しており、３と４の
斜線部はそれぞれ要素１と要素２における溶融材料で満
たされた部分を示している。５として溶融材料同士が衝
突する際の要素１内の溶融材料のもつ速度ベクトルをＶ
１，６として要素２内の溶融材料のもつ速度ベクトルを
Ｖ２とすると、それぞれのベクトルの大きさはベクトル
のｘ，ｙ，ｚ方向の成分の２乗を加え、ルートを取るこ
とにより（２)，(３）式により求めることができる。

【００２２】

【数２】

【００２３】

【数３】

【００２４】また、溶融材料同士が衝突する際の衝突角
度はベクトルの内積を用いることにより、以下のように
（４）式により算出することができる。

【００２５】

【数４】

【００２６】温度は要素１の温度Ｔ₁ と要素２の温度Ｔ
₂ の平均を取ることにより算出する。

【００２７】隣り合う要素すべてについて得られた角度
θ及び平均温度を用いてパラメータの値を算出を行い、
その和を取ることにより欠陥発生を予測するためのパラ
メータとする。

【００２８】また本発明における溶融材料の射出成型に
おける製造方案は以下の工程によって達成される。

【００２９】（ｇ）請求項１記載の溶融材料の流動挙動
を数値解析する製造方案を模擬するために数値解析に必
要な形状データおよび金型および溶融材料の力学的，熱
的な物性値および流入速度などを数値解析のための入力
データとする。

【００３０】（ｈ）数値解析用の入力データをもとに差
分法，有限要素法，境界要素法，ＦＡＮ法などの数値解
析法を用いてキャビティ内への溶融材料の流動状況を数
値解析する。

【００３１】（ｉ）請求項１及び２記載の溶融材料の射
出成型における流動解析結果の評価方法を用いて充填挙
動の良否を評価判定する。

【００３２】（ｊ）判定結果が良いと認められるまで
（ｇ）の入力データを変更する。

【００３３】以上、解析結果が欠陥が発生しないもので
あると認められるまで（ｇ)〜(ｊ）を繰り返し実施する
ことにより、適切な製造方案，製造条件を導き出すこと
を特徴とする。

【００３４】本発明に係る溶融材料の射出成型品の製造
方案によれば、金型内への溶融材料の充填状況の良否を
評価するために、請求項１に記載したパラメータを溶融
材料の充填開始から充填終了までの間で調べることによ
り、充填挙動の評価判定を容易に行うことができる。

【００３５】なお、一般的に溶融材料の射出成型の際に
は乱流がなく製品内を順序良く充填する充填挙動の方
が、流れに起因する欠陥の発生が少ない。湯流れに起因
する欠陥は実際の多数の欠陥の発生した製品を観察した
結果から、凝固開始温度付近まで温度低下した溶融材料
同士が衝突するために欠陥が発生しているものと推察さ
れた。

【００３６】したがって溶融材料の金型内への充填挙動
の良否を調べるため充填中における溶融材料が持つ速度
場と温度を関数とするパラメータを提案し、その値ある
いは値の変動幅の大きさから金型内への充填挙動の良否
を判定することができる。

【００３７】また、溶融材料の射出成型において金型内
への溶融材料の充填状況を評価する際、成型品のどの部
分で欠陥が発生する可能性が高いかを評価するために
は、解析のために作成した微小要素からなる形状モデル
を任意の領域に分割し、さらに数値解析における金型内
への溶融材料の充填開始から充填終了まで所要時間を任
意の数に分割し、各分割された形状モデルの領域におけ
る充填中における溶融材料の持つ速度場とその温度から
欠陥発生予測パラメータを算出し、これらの値を分割さ
れた形状モデル各部分について算出された値の溶融材料
の充填開始から充填終了までの変動状態を比較すること
によって、充填進行中の欠陥が発生する可能性が高い部
位を判定することができる。

【００３８】さらに実際の製品を製造する前に数値解析
によって与えられた製造方案に対する溶融材料の充填状
況を解析し、上記の溶融材料の充填状況の評価方法を用
いて充填状況を評価し、充填状況が適切になるまで入力
データを変更し解析することにより、その製品の適切な
製造方案や製造条件を導き出すことができる。このよう
な手段を経ることにより、実際の試作におけるトライ・
アンド・エラーの方案最適化を行うことなく欠陥を含ま
ない高品質の射出成型品を製造可能となる。また、新規
方案の製品に対しても事前のシミュレーションにより金
型の修正すべき箇所などをあらかじめ特定することがで
きるため、金型の修正に必要な時間や費用を削減するこ
とができ、射出成型品の製造コストを大幅に削減するこ
とができる。

【００３９】

【発明の実施の形態】図２は本発明に係る溶融材料の射
出成型における流動解析結果の評価方法を実行するため
の装置の電気的構成を示している。同図において金型内
に溶融材料を充填する過程における溶融材料の速度，圧
力，温度等の挙動を解析するための充填解析部７に対し
て、解析に必要な被解析物の形状データ，物性データお
よび境界条件などの入力データが与えられている。充填
解析部７では与えられた入力データをもとに金型内に溶
融材料が充填される過程を差分法，有限要素法，境界要
素法，ＦＡＮ法などを含む数値解析法を用いて数値解析
する。数値解析で得られた溶融材料の金型内での充填状
況のデータは指定された時間間隔で欠陥パラメータ算出
部８に送られる。欠陥パラメータ算出部８では溶融材料
が充填された領域での速度ベクトルと溶融材料の温度か
ら欠陥予測パラメータを算出し、それらの値をメモリ上
あるいは磁気ディスクなどの記憶装置に記憶する。その
後、再び充填解析部５に戻り溶融材料が金型内に充満さ
れるまで繰り返す。充填解析終了後、記憶装置に蓄えら
れた解析結果をＣＲＴ，プリンタ等の表示出力装置９に
グラフィック出力する。この表示出力装置９に出力され
た結果より充填挙動の良否を判定する。

【００４０】つぎに本発明における溶融材料の射出成型
における流動解析結果の評価方法を実際の適用例を用い
て説明する。射出成型により成型される成型品および射
出成型に使用する金型について、金型内の流動解析を行
う手順は従来の解析法と同じである。最初に金型内の流
動解析を行うために、射出成型により成型される成型品
および射出成型に使用する金型から流動解析を行うため
の微小要素に分割された形状モデルを作成する。解析に
取り上げたモデルは図３に示すようなリング状のダイカ
スト部品である。初期方案においてオーバーフローの位
置が適切でなかったため、表面の機械加工後に気泡の巻
き込みと思われる光沢むらが発生した製品である。ここ
で１０は溶融材料を金型内に射出するゲート、１１は製
品を形作るキャビティ、１２は製品完成後切り離してし
まうオーバーフローを示している。本実施例では被解析
部分を直交メッシュで要素分割するＦＤＭメッシュを使
用しているが、使用する流動解析プログラムに応じて三
角形要素，四角形要素、その他の多角形要素あるいは境
界を変形したＢＦＣ要素などを含む要素で要素分割を行
う。これら成型品および金型の形状モデルに対して溶融
材料が流れるランナ位置や速度およびキャビティ内に流
れ込む位置や速度を必要に応じて設定する。これらの操
作により、溶融材料の射出成型における流動解析を行う
ための形状データの設定を完了する。

【００４１】さらに、溶融材料の射出成型における流動
解析を行うための物性データの設定作業を行う。すなわ
ち、使用する金型の密度，比熱，熱伝導率などの熱的な
物性値、および使用する溶融材料の密度，比熱，熱伝導
率などの熱的な物性値や粘度を示す粘性係数，金型と溶
融材料との間の熱伝達係数などの熱的境界条件を設定す
ることにより、溶融材料の射出成型における流動解析を
行うための物性データの設定作業を完了する。ここまで
の作業は従来の溶融材料の射出成型における流動解析を
行うためのデータ作成手順と同様である。

【００４２】そこで本実施例において、前記の欠陥予測
パラメータを温度場と流れ場の連成解析プログラムに組
み込み、実際のダイカスト品で発生した欠陥位置との比
較することにより本発明の欠陥予測パラメータの有用性
を確認した。ここで流動解析を行う際、微小時間に分割
された各タイムステップにおいて溶融材料の充填された
領域における速度ベクトルと温度分布から各要素におけ
る欠陥予測パラメータを算出し、これを記録媒体に保存
する。この操作を数値解析における金型内への溶融材料
の充填開始から充填終了まで繰り返し行う。記録媒体に
保存されたデータを整理し各要素のパラメータの値を３
次元グラフィック出力することにより図４に示すような
解析結果が得られる。

【００４３】図４の解析結果から得られた各要素におけ
る欠陥予測パラメータの大きさを示す。結果の表示はパ
ラメータの大きさにより色分けして示しており、白い部
分が最も大きな値を持っている。パラメータの値は一般
に少ない方が望ましいものと考えられる。なぜならば提
案したパラメータは溶融材料の速度ベクトルから衝突の
度合いを表わす因子と、温度低下に伴う凝固現象の進行
を表わす因子を掛け合わせた値であり、これらの値が小
さいほうが流れの乱れ，温度低下による凝固がないこと
を示している。したがって欠陥予測パラメータの値を解
析に用いた製品全体について調べ、相対的に値が大きい
部分が欠陥の発生する可能性が高い部位となる。本実施
例において解析結果から得られた欠陥の発生が予測され
た位置１３と実際の製品での機械加工後に気泡の巻き込
みと思われる光沢むらが発生した位置はよく一致してい
ることが確認できた。

【００４４】本発明の欠陥予測パラメータの値は成型品
の形状および溶融材料の流入速度，ランナやゲートの方
案あるいは使用する溶融材料の物性値や温度条件などに
よって大きく変動するため、これら値の大きさを基準に
絶対的な評価ができるものではない。しかし、製造条件
を変化させたときどのような変化の傾向が現われるかを
把握し、欠陥予測パラメータが製品全体において最小と
なる射出成型条件を求めることにより、適正な射出成型
条件を求めることができる。

【００４５】

【発明の効果】前述した実施例から明らかなように本発
明によれば、射出成型により成型される成型品および射
出成型に使用する金型を微小要素に分割した形状モデル
内に溶融材料が流入する際の流動解析に際し、金型内へ
の溶融材料の充填状況の良否を評価するために、充填中
における溶融材料の速度ベクトルと温度を関数とした欠
陥予測パラメータを溶融材料の充填開始から充填終了ま
での間で調べることにより、充填挙動の評価判定を容易
に行うことができる。

【００４６】したがって、本発明によれば射出成型によ
り成型される成型品の流動解析を行う際、製造条件の適
否を容易に判定できるとともに、この判定結果から欠陥
のない高品質の成型品を得るためのゲート位置やその
数，湯道方案，射出速度などの製造条件を適切に設定で
き射出成型における製造条件の最適化に対する効果は大
きい。また、事前のシミュレーションにより金型の修正
すべき箇所などをあらかじめ特定することができるた
め、金型の修正に必要な時間や費用を削減することがで
き、射出成型品の製造コストを大幅に削減することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のパラメータを算出するための概念図で
ある。

【図２】本発明に係る溶融材料の射出成型における流動
解析結果の評価方法を実行するための装置の電気的構成
を示している。

【図３】射出成型により成型される成型品の流動解析を
行うための微小要素に分割された形状モデルである。

【図４】本発明に係る溶融材料の射出成型における流動
解析結果の評価方法において、欠陥の発生が予測される
部分を示している。

【符号の説明】

１…微小要素１、２…微小要素２、３…要素１内の溶融
材料で満たされた部分、４…要素２内の溶融材料で満た
された部分、５…要素１内の溶融材料が持つ速度ベクト
ル、６…要素２内の溶融材料が持つ速度ベクトル、７…
充填解析部、８…欠陥パラメータ算出部、９…解析結果
表示部、１０…ゲート、１１…製品、１２…オーバーフ
ロー、１３…欠陥の発生が予測される部分。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 恩田 祐 神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地 日産 自動車株式会社内 (72)発明者 山部 昌 神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地 日産 自動車株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】金型内に溶融材料を射出成型する射出成型
   品の製造方案において、前記金型を微小要素に分割し、
   前記金型内への前記溶融材料の充填開始から充填終了ま
   で所要時間を任意の数に分割する工程、 各々の分割された時刻における前記金型内の溶融材料の
   流速分布および充填状況から溶融材料同士が衝突する際
   の隣り合う２つの要素の速度，速度ベクトルがなす角
   度，溶融材料の分割された時刻における隣り合う２つの
   要素の平均温度，溶融材料の凝固開始温度を用いて前記
   溶融材料の衝突の大きさを求める工程、及び該衝突の大
   きさから溶融材料の射出成型における充填挙動の良否を
   求める工程を有することを特徴とする射出成型品の製造
   方案。
2. 【請求項２】前記金型内のキャビティへの溶融材料の充
   填挙動が悪化する時間および充填挙動が悪化するキャビ
   ティ内の部位をグラフィック出力することを特徴とする
   請求項１に記載の射出成型品の製造方案。
3. 【請求項３】前記金型内の形状および溶融材料の力学
   的，熱的な物性値を入力して溶融材料の射出成型におけ
   る流動解析を行い、前記溶融材料の射出成型における溶
   融材料の充填挙動の良否を評価判定し、判定結果が良い
   と認められるまで前記入力データを変更し、上記工程を
   繰り返すことを特徴とする請求項１又は２に記載の射出
   成型品の製造方案。