JPH10244575A - ２軸押出機におけるスクリュ設計方法 - Google Patents
２軸押出機におけるスクリュ設計方法Info
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- JPH10244575A JPH10244575A JP9053287A JP5328797A JPH10244575A JP H10244575 A JPH10244575 A JP H10244575A JP 9053287 A JP9053287 A JP 9053287A JP 5328797 A JP5328797 A JP 5328797A JP H10244575 A JPH10244575 A JP H10244575A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】応力緩和を考慮したスクリュ形状の設計を行
う。 【解決手段】各時間ステップ（Δｔ）ごとにスクリュフ
ライトの噛合位相のメッシュデータを修正し、熱、流動
に関する各基礎方程式の時間増分項を考慮した収束計算
を行うことによって、周期的非定常解を求める（ステッ
プＳ１〜ステップＳ１２）。次に、樹脂流跡線の粒子の
履歴を定量化し、その各流跡線ごとに、流入口からΔｔ
ごとの流跡線各位置での応力値と、その位置から流出口
までの温度履歴と、樹脂特性の緩和時間とに基づいて、
その応力の緩和量を算出し（ステップＳ１３，Ｓ１
４）、流跡線各位置のそれぞれの応力の流出口での残留
応力値を、流跡線全体で積算する。その残留応力値を、
仮想粒子の全てについて算出しその標準偏差値を最終製
品に対する表面性指標ＡＰＥとする（ステップＳ１５，
Ｓ１６）。そして、この表面性指標ＡＰＥを用いて最適
スクリュ形状を設計する。
う。 【解決手段】各時間ステップ（Δｔ）ごとにスクリュフ
ライトの噛合位相のメッシュデータを修正し、熱、流動
に関する各基礎方程式の時間増分項を考慮した収束計算
を行うことによって、周期的非定常解を求める（ステッ
プＳ１〜ステップＳ１２）。次に、樹脂流跡線の粒子の
履歴を定量化し、その各流跡線ごとに、流入口からΔｔ
ごとの流跡線各位置での応力値と、その位置から流出口
までの温度履歴と、樹脂特性の緩和時間とに基づいて、
その応力の緩和量を算出し（ステップＳ１３，Ｓ１
４）、流跡線各位置のそれぞれの応力の流出口での残留
応力値を、流跡線全体で積算する。その残留応力値を、
仮想粒子の全てについて算出しその標準偏差値を最終製
品に対する表面性指標ＡＰＥとする（ステップＳ１５，
Ｓ１６）。そして、この表面性指標ＡＰＥを用いて最適
スクリュ形状を設計する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、２軸押出機におけ
るスクリュ設計方法に関するものである。
るスクリュ設計方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来の２軸押出機におけるスクリュ性能
の検討は、２軸同方向回転押出機スクリュ部での樹脂の
流れ、圧力分布を定量化したもの（ＡＮＴＥＣ：９０
Ｐ．１３５−１３８）、２軸同方向回転押出機内の樹脂
流路を３次元で解析を行いスクリュ部での樹脂の流れ
や、操業特性、スクリュ形状特性を定量化したもの（Ａ
ＮＴＥＣ：９０Ｐ．１３９−１４２）、２軸同方向回転
押出機のスクリュエレメントの混練性能を実験的に行っ
たもの（ＡＮＴＥＣ：９１Ｐ．１４９−１５２）、２軸
同方向回転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：９２Ｐ．１３１
１−１３１６）などがある。
の検討は、２軸同方向回転押出機スクリュ部での樹脂の
流れ、圧力分布を定量化したもの（ＡＮＴＥＣ：９０
Ｐ．１３５−１３８）、２軸同方向回転押出機内の樹脂
流路を３次元で解析を行いスクリュ部での樹脂の流れ
や、操業特性、スクリュ形状特性を定量化したもの（Ａ
ＮＴＥＣ：９０Ｐ．１３９−１４２）、２軸同方向回転
押出機のスクリュエレメントの混練性能を実験的に行っ
たもの（ＡＮＴＥＣ：９１Ｐ．１４９−１５２）、２軸
同方向回転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：９２Ｐ．１３１
１−１３１６）などがある。
【０００３】また、本出願人は、押出機内の樹脂流路を
３次元微小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）や、これらの数値
解析結果を用いて要求品質に合致するスクリュ形状を決
定するもの（特開平３−２８８６１９号公報）などを提
案している。
３次元微小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）や、これらの数値
解析結果を用いて要求品質に合致するスクリュ形状を決
定するもの（特開平３−２８８６１９号公報）などを提
案している。
【０００４】このうち、特開平３−２８８６１９号公報
の２軸押出機におけるスクリュ設計方法は、バレル内に
２軸のスクリュが設けられ、これらスクリュの回転によ
ってバレル内の樹脂が押し出されるように形成された２
軸押出機において、バレル内の樹脂流路を微小要素に分
割し、この分割によって得られたメッシュデータに基づ
いて、樹脂温度、押出圧力等の入力データによる数値解
析を行うとともに、この解析結果を基に、樹脂流路及び
入力データにおける最適スクリュ寸法を決定するもので
ある。
の２軸押出機におけるスクリュ設計方法は、バレル内に
２軸のスクリュが設けられ、これらスクリュの回転によ
ってバレル内の樹脂が押し出されるように形成された２
軸押出機において、バレル内の樹脂流路を微小要素に分
割し、この分割によって得られたメッシュデータに基づ
いて、樹脂温度、押出圧力等の入力データによる数値解
析を行うとともに、この解析結果を基に、樹脂流路及び
入力データにおける最適スクリュ寸法を決定するもので
ある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】すなわち、従来の２軸
押出機におけるスクリュ設計方法は、２軸押出機内の
熱、流動解析によって算出される流跡線に基づいて、単
に物理量分布や物理量履歴分布を指標化し、スクリュ設
計を行っている。
押出機におけるスクリュ設計方法は、２軸押出機内の
熱、流動解析によって算出される流跡線に基づいて、単
に物理量分布や物理量履歴分布を指標化し、スクリュ設
計を行っている。
【０００６】しかしながら、製品の表面性を決定するプ
ロセス内で与えられた応力については、温度と時間とに
依存して緩和が起こる。そのため、この応力緩和を考慮
しないと、実際の製品の表面性と応力分布、応力履歴分
布との相関性が低く、原料配合ごとに良好な表面性を有
する押出製品を得るためのスクリュ形状の適正化が行え
ないといった問題があった。
ロセス内で与えられた応力については、温度と時間とに
依存して緩和が起こる。そのため、この応力緩和を考慮
しないと、実際の製品の表面性と応力分布、応力履歴分
布との相関性が低く、原料配合ごとに良好な表面性を有
する押出製品を得るためのスクリュ形状の適正化が行え
ないといった問題があった。
【０００７】本発明はこのような問題点を解決すべく創
案されたもので、その目的は、応力緩和を考慮すること
によって、原料配合ごとに良好な表面性を有する押出製
品を得るための最適なスクリュ形状の設計が可能な２軸
押出機におけるスクリュ設計方法を提供することにあ
る。
案されたもので、その目的は、応力緩和を考慮すること
によって、原料配合ごとに良好な表面性を有する押出製
品を得るための最適なスクリュ形状の設計が可能な２軸
押出機におけるスクリュ設計方法を提供することにあ
る。
【０００８】
【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設計方法は、
バレル内に２軸のスクリュが設けられ、これらスクリュ
の回転によってバレル内の樹脂が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
基づき、熱、流動を支配する各基礎方程式を時間増分項
を含めて全て３次元で取り扱うとともに、実際の現象に
則した各種の境界条件と樹脂特性とに基づいて、非定常
数値解析を行い離散化するに際し、前記２軸スクリュフ
ライトが噛み合う領域を、各スクリュ軸ごとに２つのブ
ロックに分けて前記樹脂流路を３次元微小要素に分割
し、各領域間の境界面で互いに境界条件の受け渡し処理
を行いつつ、前記時間増分項による時間ステップごとに
ブロックを回転させ、前記領域において一方のブロック
面が他方のブロック内のスクリュ部分に入り込まないよ
うにメッシュデータの変形を行い、このようにして各時
間ステップごとに離散化された流速ベクトルに基づい
て、スクリュの回転に伴う押出機内の溶融樹脂の樹脂流
跡線を算出し、この流跡線の各位置での応力値と、樹脂
の応力緩和特性と、各流動位置から流出口までの温度履
歴とに基づき、流出口までに緩和する応力量を流跡線の
各位置ごとに算出して、流跡線全体で積算した残留応力
値を算出し、この残留応力値を、流入口から等分布に投
入した仮想粒子の全てについて算出し、そのばらつきを
最小化するように最適スクリュ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設計方法は、
バレル内に２軸のスクリュが設けられ、これらスクリュ
の回転によってバレル内の樹脂が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
基づき、熱、流動を支配する各基礎方程式を時間増分項
を含めて全て３次元で取り扱うとともに、実際の現象に
則した各種の境界条件と樹脂特性とに基づいて、非定常
数値解析を行い離散化するに際し、前記２軸スクリュフ
ライトが噛み合う領域を、各スクリュ軸ごとに２つのブ
ロックに分けて前記樹脂流路を３次元微小要素に分割
し、各領域間の境界面で互いに境界条件の受け渡し処理
を行いつつ、前記時間増分項による時間ステップごとに
ブロックを回転させ、前記領域において一方のブロック
面が他方のブロック内のスクリュ部分に入り込まないよ
うにメッシュデータの変形を行い、このようにして各時
間ステップごとに離散化された流速ベクトルに基づい
て、スクリュの回転に伴う押出機内の溶融樹脂の樹脂流
跡線を算出し、この流跡線の各位置での応力値と、樹脂
の応力緩和特性と、各流動位置から流出口までの温度履
歴とに基づき、流出口までに緩和する応力量を流跡線の
各位置ごとに算出して、流跡線全体で積算した残留応力
値を算出し、この残留応力値を、流入口から等分布に投
入した仮想粒子の全てについて算出し、そのばらつきを
最小化するように最適スクリュ寸法を設計するものであ
る。
【０００９】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（スクリュ回転周速、壁面温度、
流入量など）に基づいて流動場、温度場を最終的に周期
的非定常解が得られるまで繰り返し収束計算することを
意味し、その解析スキームは、有限要素法、有限差分
法、有限体積法などが挙げられるが、計算時間、計算容
量の点から、有限差分法が望ましい。また、有限差分法
での解法は、ＭＡＣ法であっても、ＳＩＭＰＬＥ法であ
っても良く、収束法は、ＳＯＲ法、ヤコビ法、ガウス・
ザイデル法であっても良い。また、メッシュは６面体セ
ル要素の他、３角要素等でもよい。
データ）を各種の条件（スクリュ回転周速、壁面温度、
流入量など）に基づいて流動場、温度場を最終的に周期
的非定常解が得られるまで繰り返し収束計算することを
意味し、その解析スキームは、有限要素法、有限差分
法、有限体積法などが挙げられるが、計算時間、計算容
量の点から、有限差分法が望ましい。また、有限差分法
での解法は、ＭＡＣ法であっても、ＳＩＭＰＬＥ法であ
っても良く、収束法は、ＳＯＲ法、ヤコビ法、ガウス・
ザイデル法であっても良い。また、メッシュは６面体セ
ル要素の他、３角要素等でもよい。
【００１０】このように、２軸押出機内の溶融樹脂の樹
脂履歴に基づき、樹脂が受ける応力値と、その応力の流
出口に至るまでの温度と時間とによる緩和量とを考慮し
て、残留緩和量の分布の算出を行うことによって、良好
な表面性を有する押出製品を得るための最適なスクリュ
形状を設計することができるものである。
脂履歴に基づき、樹脂が受ける応力値と、その応力の流
出口に至るまでの温度と時間とによる緩和量とを考慮し
て、残留緩和量の分布の算出を行うことによって、良好
な表面性を有する押出製品を得るための最適なスクリュ
形状を設計することができるものである。
【００１１】ここで、溶融樹脂の充満部は、２軸押出機
内のバレルとスクリュとの間の樹脂流路において、溶融
流動状態で、樹脂流路を１００％占める完全充満状態で
もよく、また１００％未満の未充満状態でもよい。
内のバレルとスクリュとの間の樹脂流路において、溶融
流動状態で、樹脂流路を１００％占める完全充満状態で
もよく、また１００％未満の未充満状態でもよい。
【００１２】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。なお、以下の例では、完全
充満部を対象として説明しているが、未充満部の場合で
もＶＯＦ法（Volume of Fluid 法）等を用いれば、同様
に流動解析を行うことができる。
て図面を参照して説明する。なお、以下の例では、完全
充満部を対象として説明しているが、未充満部の場合で
もＶＯＦ法（Volume of Fluid 法）等を用いれば、同様
に流動解析を行うことができる。
【００１３】本発明のスクリュ設計方法が適用される２
軸押出機は、スクリュ回転方向がそれぞれの軸で反対の
もの、同じもののいずれでも良いが、本実施形態では、
スクリュ回転方向が反対のもの、すなわち２軸異方向回
転押出機に適用した場合について説明する。
軸押出機は、スクリュ回転方向がそれぞれの軸で反対の
もの、同じもののいずれでも良いが、本実施形態では、
スクリュ回転方向が反対のもの、すなわち２軸異方向回
転押出機に適用した場合について説明する。
【００１４】また、本発明のスクリュ設計方法が適用さ
れる２軸押出機への充填樹脂は、熱と剪断によるエネル
ギーとによって溶融性、流動性を発現する熱可塑性樹脂
であって、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
樹脂などが挙げられる。これらの熱可塑性樹脂には、可
塑剤、充填剤などが添加されてもよい。また、熱や剪断
によるエネルギーによって不溶化（硬質反応）し、再加
熱しても融解しない熱硬化性樹脂で、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
リウレタン樹脂などでもよい。
れる２軸押出機への充填樹脂は、熱と剪断によるエネル
ギーとによって溶融性、流動性を発現する熱可塑性樹脂
であって、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
樹脂などが挙げられる。これらの熱可塑性樹脂には、可
塑剤、充填剤などが添加されてもよい。また、熱や剪断
によるエネルギーによって不溶化（硬質反応）し、再加
熱しても融解しない熱硬化性樹脂で、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
リウレタン樹脂などでもよい。
【００１５】図１は、本発明の２軸押出機におけるスク
リュ設計方法を実行するためのシステム構成図を示して
いる。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押出機メッシュ生成プログラムを
備えたプリプロセッサ（メッシュジェネレータ）１１、
プリプロセッサ１１で作成され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とを用いて流動
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
を備えたソルバープロセッサ１２、ソルバープロセッサ
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流跡線表示プログ
ラムを備えたポストプロセッサ１３、及び解析結果をグ
ラフ化するグラフプロセッサ１４によって構成されてい
る。
リュ設計方法を実行するためのシステム構成図を示して
いる。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押出機メッシュ生成プログラムを
備えたプリプロセッサ（メッシュジェネレータ）１１、
プリプロセッサ１１で作成され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とを用いて流動
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
を備えたソルバープロセッサ１２、ソルバープロセッサ
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流跡線表示プログ
ラムを備えたポストプロセッサ１３、及び解析結果をグ
ラフ化するグラフプロセッサ１４によって構成されてい
る。
【００１６】プリプロセッサ１１は、押出機内のスクリ
ュ形状を特徴づける主要なパラメータと、３次元各方向
の分割数とを規定して、メッシュデータを作成するとと
もに、操業条件（境界条件など）、樹脂特性、アナリシ
スプログラムの収束条件などをコントロールするパラメ
ータの設定を行う。
ュ形状を特徴づける主要なパラメータと、３次元各方向
の分割数とを規定して、メッシュデータを作成するとと
もに、操業条件（境界条件など）、樹脂特性、アナリシ
スプログラムの収束条件などをコントロールするパラメ
ータの設定を行う。
【００１７】２軸異方向回転押出機の台形スクリュに対
する入力パラメータを以下に示す。すなわち、まず２軸
異方向回転押出機の樹脂流路を微小要素に分割し、６面
体ソリッドモデル要素の集合体とする。この分割は、ス
クリュ軸方向分割数、半径方向分割数、円周方向分割数
を決定するとともに、図２及び図３に示すように、スク
リュ内半径（ＲＩ）、スクリュ外半径（ＲＯ）、バレル
内半径（ＲＢ）、スクリュ軸間距離（ＲＬ）、フライト
ピッチ（ＰＩＣＨ）、フライト頂幅（Ａ）、フライト圧
力角（ＡＬＦ）、フライト条数（ＩＳＮ）を設定するこ
とによって行われる。この場合、形状が複雑になるた
め、解析対象をスクリュ軸ごとに２つのブロックに分け
てメッシュデータを作成する。
する入力パラメータを以下に示す。すなわち、まず２軸
異方向回転押出機の樹脂流路を微小要素に分割し、６面
体ソリッドモデル要素の集合体とする。この分割は、ス
クリュ軸方向分割数、半径方向分割数、円周方向分割数
を決定するとともに、図２及び図３に示すように、スク
リュ内半径（ＲＩ）、スクリュ外半径（ＲＯ）、バレル
内半径（ＲＢ）、スクリュ軸間距離（ＲＬ）、フライト
ピッチ（ＰＩＣＨ）、フライト頂幅（Ａ）、フライト圧
力角（ＡＬＦ）、フライト条数（ＩＳＮ）を設定するこ
とによって行われる。この場合、形状が複雑になるた
め、解析対象をスクリュ軸ごとに２つのブロックに分け
てメッシュデータを作成する。
【００１８】図４は、このようなプリプロセッサ１１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
の軸直角断面図を示している。ソルバープロセッサ１２
のアナリシスプログラムは、流動解析部と温度解析部と
からなり、プリプロセッサ１１により作成されたデータ
ファイルを用い、マルチブロック法を用いて各ブロック
間の物理量が滑らかにつながるように、ブロック間で相
互に境界条件の受け渡しを行って計算を進める。また、
流動解析部と温度解析部との収束計算により、解析領域
全体が周期的非定常状態に至るまで時間ステップを更新
し、時間ステップ内では繰り返し収束計算を行う。
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
の軸直角断面図を示している。ソルバープロセッサ１２
のアナリシスプログラムは、流動解析部と温度解析部と
からなり、プリプロセッサ１１により作成されたデータ
ファイルを用い、マルチブロック法を用いて各ブロック
間の物理量が滑らかにつながるように、ブロック間で相
互に境界条件の受け渡しを行って計算を進める。また、
流動解析部と温度解析部との収束計算により、解析領域
全体が周期的非定常状態に至るまで時間ステップを更新
し、時間ステップ内では繰り返し収束計算を行う。
【００１９】図５に、アナリシスプログラムの基本フロ
ーチャートを示す。まず、プリプロセッサ１１により作
成されたデータファイルを読み込み、定数の設定を行う
（ステップＳ１）。次に、時刻ｔn より時間増分Δｔだ
け時間を進め（時刻ｔn+1 ）、スクリュ軸回りに各ブロ
ックをΔｔ分回転させ（ステップＳ２，Ｓ３）、スクリ
ュフライトの噛合部分において双方のブロックが重なり
合わないように、かつ一方のブロック面が他方のブロッ
ク内のスクリュ部分に入り込まないようにメッシュデー
タの変形を行って（ステップＳ４）、境界条件の設定を
行う（ステップＳ５）。
ーチャートを示す。まず、プリプロセッサ１１により作
成されたデータファイルを読み込み、定数の設定を行う
（ステップＳ１）。次に、時刻ｔn より時間増分Δｔだ
け時間を進め（時刻ｔn+1 ）、スクリュ軸回りに各ブロ
ックをΔｔ分回転させ（ステップＳ２，Ｓ３）、スクリ
ュフライトの噛合部分において双方のブロックが重なり
合わないように、かつ一方のブロック面が他方のブロッ
ク内のスクリュ部分に入り込まないようにメッシュデー
タの変形を行って（ステップＳ４）、境界条件の設定を
行う（ステップＳ５）。
【００２０】次に、その時刻ｔn+1 でのメッシュデータ
の各格子点上の粘度を温度と剪断速度とから求め（ステ
ップＳ６）、流速場を運動方程式を解くことで求める
（ステップＳ７）。次に、圧力に関するポアソン方程式
を例えばＳＯＲ法を用いて解くことで、メッシュデータ
の各格子点上の圧力増分を求め（ステップＳ８）、この
圧力増分で流速の補正を行う（ステップＳ９）。また、
温度場をエネルギー方程式を解くことで求める（ステッ
プＳ１０）。
の各格子点上の粘度を温度と剪断速度とから求め（ステ
ップＳ６）、流速場を運動方程式を解くことで求める
（ステップＳ７）。次に、圧力に関するポアソン方程式
を例えばＳＯＲ法を用いて解くことで、メッシュデータ
の各格子点上の圧力増分を求め（ステップＳ８）、この
圧力増分で流速の補正を行う（ステップＳ９）。また、
温度場をエネルギー方程式を解くことで求める（ステッ
プＳ１０）。
【００２１】次に、プリプロセッサ１１により作成され
たデータファイル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
回りの要素の流速とから、その粒子の流速を内挿計算す
る（ステップＳ１１）。その後、粒子をその流速で移動
させ、再び時間増分Δｔだけ時間を進める（ステップＳ
２）といったループの処理を、２つのブロック内の全て
の物理量が周期的非定常状態に至るまで継続する（ステ
ップＳ１２）。
たデータファイル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
回りの要素の流速とから、その粒子の流速を内挿計算す
る（ステップＳ１１）。その後、粒子をその流速で移動
させ、再び時間増分Δｔだけ時間を進める（ステップＳ
２）といったループの処理を、２つのブロック内の全て
の物理量が周期的非定常状態に至るまで継続する（ステ
ップＳ１２）。
【００２２】このようにして、各時間ステップ（時間増
分Δｔ）ごとに、スクリュフライトの噛合位相のメッシ
ュデータを修正し、熱、流動に関する各基礎方程式の時
間増分項を考慮した収束計算を行うことによって、周期
的非定常解析が可能となる。そのため、本来の２軸押出
機内の流動状態を厳密に表現することができるので、２
軸押出機内の溶融樹脂の樹脂履歴（温度、剪断速度、粘
度、応力、圧力など）を精度よく定量化することができ
る。
分Δｔ）ごとに、スクリュフライトの噛合位相のメッシ
ュデータを修正し、熱、流動に関する各基礎方程式の時
間増分項を考慮した収束計算を行うことによって、周期
的非定常解析が可能となる。そのため、本来の２軸押出
機内の流動状態を厳密に表現することができるので、２
軸押出機内の溶融樹脂の樹脂履歴（温度、剪断速度、粘
度、応力、圧力など）を精度よく定量化することができ
る。
【００２３】ポストプロセッサ１３は、プリプロセッサ
１１により作成された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、メッシュデータ上に
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、解析コントロールデータのスイッチ切り替
えにより、収束計算の収束状況や各物理量の履歴を図化
出力する。
１１により作成された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、メッシュデータ上に
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、解析コントロールデータのスイッチ切り替
えにより、収束計算の収束状況や各物理量の履歴を図化
出力する。
【００２４】図６ないし図８は、２軸異方向回転押出機
での流速、温度の解析結果の図化出力を示しており、図
６は、アナリシスプログラムの計算結果による軸直角断
面での流速ベクトル図、図７は、アナリシスプログラム
の計算結果による軸直角断面での温度コンター図、図８
は、アナリシスプログラムの計算結果による３次元鳥瞰
図での樹脂流跡線図である。
での流速、温度の解析結果の図化出力を示しており、図
６は、アナリシスプログラムの計算結果による軸直角断
面での流速ベクトル図、図７は、アナリシスプログラム
の計算結果による軸直角断面での温度コンター図、図８
は、アナリシスプログラムの計算結果による３次元鳥瞰
図での樹脂流跡線図である。
【００２５】次に、ソルバープロセッサ１２では、アナ
リシスプログラムの計算結果による樹脂流跡線の２軸押
出機内の溶融樹脂の完全充満部全体での粒子の履歴を、
解析領域入口での例えば１０００個について定量化する
（ステップＳ１３）。そして、その各流跡線ごとに、流
入口から例えば０．１秒（Δｔ）ごとの流跡線各位置で
の応力値と、その位置から流出口までの温度履歴（樹脂
温度と滞留時間）と、樹脂特性の緩和時間とに基づい
て、その応力の緩和量を算出する（ステップＳ１４）。
リシスプログラムの計算結果による樹脂流跡線の２軸押
出機内の溶融樹脂の完全充満部全体での粒子の履歴を、
解析領域入口での例えば１０００個について定量化する
（ステップＳ１３）。そして、その各流跡線ごとに、流
入口から例えば０．１秒（Δｔ）ごとの流跡線各位置で
の応力値と、その位置から流出口までの温度履歴（樹脂
温度と滞留時間）と、樹脂特性の緩和時間とに基づい
て、その応力の緩和量を算出する（ステップＳ１４）。
【００２６】次に、流跡線各位置のそれぞれの応力の流
出口での残留応力値を、流跡線全体で積算する。その残
留応力値を、上記した粒子１０００個の全てについて算
出し（ステップＳ１５）、その標準偏差値を最終製品に
対する表面性指標ＡＰＥとする（ステップＳ１６）。
出口での残留応力値を、流跡線全体で積算する。その残
留応力値を、上記した粒子１０００個の全てについて算
出し（ステップＳ１５）、その標準偏差値を最終製品に
対する表面性指標ＡＰＥとする（ステップＳ１６）。
【００２７】以下、ステップＳ１３〜ステップＳ１６に
ついて、数式を用いて具体的に説明する。ある流跡線の
図９に示す各位置での物理量を以下に定義する。
ついて、数式を用いて具体的に説明する。ある流跡線の
図９に示す各位置での物理量を以下に定義する。
【００２８】すなわち、樹脂温度：Ｔk 、応力値：
σk 、緩和定数（温度の関数）：τ（Ｔ）、流跡線の時
間刻み間隔：Δｔ 従って、ｋ＝ｎ（ｋ≦ｋmax-2 ）の位置で樹脂が受けた
応力値の流出口での残留値は、次式（１）で示される。
σk 、緩和定数（温度の関数）：τ（Ｔ）、流跡線の時
間刻み間隔：Δｔ 従って、ｋ＝ｎ（ｋ≦ｋmax-2 ）の位置で樹脂が受けた
応力値の流出口での残留値は、次式（１）で示される。
【００２９】
【数１】 流跡線各位置ごとに、上記（１）式の値を算出し、その
算出した値を流跡線全体で積算した値（σres(i)）は、
流出口での残留応力値として次式（２）で示される。
算出した値を流跡線全体で積算した値（σres(i)）は、
流出口での残留応力値として次式（２）で示される。
【００３０】
【数２】 このσres(i)を流入口から等分布に投入したｎmax 値の
仮想粒子の全て（上記実施例では１０００個の粒子）に
ついて算出し、その標準偏差値を表面性指標ＡＰＥとす
る。
仮想粒子の全て（上記実施例では１０００個の粒子）に
ついて算出し、その標準偏差値を表面性指標ＡＰＥとす
る。
【００３１】
【数３】 そして、このようにして得られた表面性指標ＡＰＥを用
いて、最適スクリュ寸法を設計する。
いて、最適スクリュ寸法を設計する。
【００３２】図１０は、最適スクリュ寸法を設計する動
作を示すフローチャートである。すなわち、スクリュ形
状、押出操業条件、樹脂データなどの入力データに基づ
き（ステップＳ２１）、図５に示すアナリシスプログラ
ムに従って押出機内部の溶融樹脂の熱及び流動状態を解
析するとともに（ステップＳ２２）、この解析結果から
得られた表面性指標ＡＰＥと要求品質とを比較する（ス
テップＳ２３，Ｓ２４）。そして、スクリュ形状の入力
データを変更して（ステップＳ２５）、ステップＳ２２
での解析を繰り返すことにより、表面性指標ＡＰＥが要
求品質を満たす値となったときのスクリュ寸法を、最適
スクリュ寸法として設計を完了する（ステップＳ２
６）。
作を示すフローチャートである。すなわち、スクリュ形
状、押出操業条件、樹脂データなどの入力データに基づ
き（ステップＳ２１）、図５に示すアナリシスプログラ
ムに従って押出機内部の溶融樹脂の熱及び流動状態を解
析するとともに（ステップＳ２２）、この解析結果から
得られた表面性指標ＡＰＥと要求品質とを比較する（ス
テップＳ２３，Ｓ２４）。そして、スクリュ形状の入力
データを変更して（ステップＳ２５）、ステップＳ２２
での解析を繰り返すことにより、表面性指標ＡＰＥが要
求品質を満たす値となったときのスクリュ寸法を、最適
スクリュ寸法として設計を完了する（ステップＳ２
６）。
【００３３】図１１に示す図表は、図１０に示すフロー
チャートに従い、表面性指標ＡＰＥを用いて新規設計し
たスクリュ形状の２軸押出機と、既存のスクリュ形状の
２軸押出機とによって押出成形した製品の比較結果を示
している。
チャートに従い、表面性指標ＡＰＥを用いて新規設計し
たスクリュ形状の２軸押出機と、既存のスクリュ形状の
２軸押出機とによって押出成形した製品の比較結果を示
している。
【００３４】新規設計したスクリュ（実施例１〜４）
と、既存のスクリュ（比較例１〜４）とを用いた２軸押
出機の条件は以下の通りである。 使用押出機 ：２軸異方向回転パラレルタイプ押出機（スクリュ先端外 径９１．２ｍｍ） 使用樹脂 ：硬質ＰＶＣ（重合度１４００、徳山積水ＴＳ−１４００ Ｋ製） 使用金型 ：製品肉厚３ｍｍ、幅３００ｍｍのシート用金型 押出成形条件 ：押出量２００ｋｇ／ｈ、バレル温度１９０℃ 表面不良現象測定 ：接触式表面粗さ計を使用して押出製品の算術平均粗さ（ Ｒａ）を測定、測定条件は、カットオフ値２５ｍｍ、評 価長さ１００ｍｍ（押出方向） 図１１に示す比較結果からも分かるように、本発明のス
クリュ設計方法を用いて設計した新規設計スクリュで
は、押し出したシートの表面性が、いずれの押出条件に
おいても、既存スクリュで押し出したシートの表面性に
比べて良好であることが確認された。
と、既存のスクリュ（比較例１〜４）とを用いた２軸押
出機の条件は以下の通りである。 使用押出機 ：２軸異方向回転パラレルタイプ押出機（スクリュ先端外 径９１．２ｍｍ） 使用樹脂 ：硬質ＰＶＣ（重合度１４００、徳山積水ＴＳ−１４００ Ｋ製） 使用金型 ：製品肉厚３ｍｍ、幅３００ｍｍのシート用金型 押出成形条件 ：押出量２００ｋｇ／ｈ、バレル温度１９０℃ 表面不良現象測定 ：接触式表面粗さ計を使用して押出製品の算術平均粗さ（ Ｒａ）を測定、測定条件は、カットオフ値２５ｍｍ、評 価長さ１００ｍｍ（押出方向） 図１１に示す比較結果からも分かるように、本発明のス
クリュ設計方法を用いて設計した新規設計スクリュで
は、押し出したシートの表面性が、いずれの押出条件に
おいても、既存スクリュで押し出したシートの表面性に
比べて良好であることが確認された。
【００３５】
【発明の効果】本発明の２軸押出機におけるスクリュ設
計方法は、バレル内に２軸のスクリュが設けられ、これ
らスクリュの回転によってバレル内の樹脂が押し出され
るように形成された押出機において、バレル内の樹脂流
路を空間的に３次元微小要素に分割したメッシュデータ
に基づき、熱、流動を支配する各基礎方程式を時間増分
項を含めて全て３次元で取り扱うとともに、実際の現象
に則した各種の境界条件と樹脂特性とに基づいて、非定
常数値解析を行い離散化するに際し、２軸スクリュフラ
イトが噛み合う領域を、各スクリュ軸ごとに２つのブロ
ックに分けて樹脂流路を３次元微小要素に分割し、各領
域間の境界面で互いに境界条件の受け渡し処理を行いつ
つ、時間増分項による時間ステップごとにブロックを回
転させ、前記領域において一方のブロック面が他方のブ
ロック内のスクリュ部分に入り込まないようにメッシュ
データの変形を行い、このようにして各時間ステップご
とに離散化された流速ベクトルに基づいて、スクリュの
回転に伴う押出機内の溶融樹脂の樹脂流跡線を算出し、
この流跡線の各位置での応力値と、樹脂の応力緩和特性
と、各流動位置から流出口までの温度履歴とに基づき、
流出口までに緩和する応力量を流跡線の各位置ごとに算
出して、流跡線全体で積算した残留応力値を算出し、こ
の残留応力値を、流入口から等分布に投入した仮想粒子
の全てについて算出し、そのばらつきを最小化するよう
に最適スクリュ寸法を設計するものである。つまり、２
軸押出機内の溶融樹脂が受ける応力値と、樹脂の応力緩
和特性とに基づいて、この応力の流出口に至るまでの緩
和量を算出することによって、高分子溶融体の応力緩和
を考慮した応力分布量が定量化でき、実際の押出製品の
良好な表面性を確保するスクリュ形状、操業条件を決定
できる。また、押出原料及び製品ごとに対する適正化が
机上で行えるので、非常に短時間で最適スクリュの設計
が行える。また、設計指針が明確で定量的になっている
ため、種々のスクリュに対するデータベースの構築が可
能である。
計方法は、バレル内に２軸のスクリュが設けられ、これ
らスクリュの回転によってバレル内の樹脂が押し出され
るように形成された押出機において、バレル内の樹脂流
路を空間的に３次元微小要素に分割したメッシュデータ
に基づき、熱、流動を支配する各基礎方程式を時間増分
項を含めて全て３次元で取り扱うとともに、実際の現象
に則した各種の境界条件と樹脂特性とに基づいて、非定
常数値解析を行い離散化するに際し、２軸スクリュフラ
イトが噛み合う領域を、各スクリュ軸ごとに２つのブロ
ックに分けて樹脂流路を３次元微小要素に分割し、各領
域間の境界面で互いに境界条件の受け渡し処理を行いつ
つ、時間増分項による時間ステップごとにブロックを回
転させ、前記領域において一方のブロック面が他方のブ
ロック内のスクリュ部分に入り込まないようにメッシュ
データの変形を行い、このようにして各時間ステップご
とに離散化された流速ベクトルに基づいて、スクリュの
回転に伴う押出機内の溶融樹脂の樹脂流跡線を算出し、
この流跡線の各位置での応力値と、樹脂の応力緩和特性
と、各流動位置から流出口までの温度履歴とに基づき、
流出口までに緩和する応力量を流跡線の各位置ごとに算
出して、流跡線全体で積算した残留応力値を算出し、こ
の残留応力値を、流入口から等分布に投入した仮想粒子
の全てについて算出し、そのばらつきを最小化するよう
に最適スクリュ寸法を設計するものである。つまり、２
軸押出機内の溶融樹脂が受ける応力値と、樹脂の応力緩
和特性とに基づいて、この応力の流出口に至るまでの緩
和量を算出することによって、高分子溶融体の応力緩和
を考慮した応力分布量が定量化でき、実際の押出製品の
良好な表面性を確保するスクリュ形状、操業条件を決定
できる。また、押出原料及び製品ごとに対する適正化が
机上で行えるので、非常に短時間で最適スクリュの設計
が行える。また、設計指針が明確で定量的になっている
ため、種々のスクリュに対するデータベースの構築が可
能である。
【図１】本発明の２軸押出機におけるスクリュ設計方法
を実行するためのシステム構成図である。
を実行するため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】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軸直角断面図である。
転押出機のメッシュデータの軸直角断面図である。
【図５】アナリシスプログラムの基本フローチャートで
ある。
ある。
【図６】アナリシスプログラムの計算結果による軸直角
断面での流速ベクトル図である。
断面での流速ベクトル図である。
【図７】アナリシスプログラムの計算結果による軸直角
断面での温度コンター図である。
断面での温度コンター図である。
【図８】アナリシスプログラムの計算結果による３次元
鳥瞰図での樹脂流跡線図である。
鳥瞰図での樹脂流跡線図である。
【図９】流入口から流出口までの流跡線の一例を示す図
である。
である。
【図１０】最適スクリュ寸法を設計する動作を示すフロ
ーチャートである。
ーチャートである。
【図１１】本発明のスクリュ設計方法によって設計した
新規設計スクリュと、既存スクリュ形状とによって押し
出し作成した製品の比較結果を示す図表である。
新規設計スクリュと、既存スクリュ形状とによって押し
出し作成した製品の比較結果を示す図表である。
１１ プリプロセッサ １２ ソルバープロセッサ １３ ポストプロセッサ
Claims (1)
- 【請求項１】 バレル内に２軸のスクリュが設けられ、
これらスクリュの回転によってバレル内の樹脂が押し出
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き、熱、流動を支配する各
基礎方程式を時間増分項を含めて全て３次元で取り扱う
とともに、実際の現象に則した各種の境界条件と樹脂特
性とに基づいて、非定常数値解析を行い離散化するに際
し、前記２軸スクリュフライトが噛み合う領域を、各ス
クリュ軸ごとに２つのブロックに分けて前記樹脂流路を
３次元微小要素に分割し、各領域間の境界面で互いに境
界条件の受け渡し処理を行いつつ、前記時間増分項によ
る時間ステップごとにブロックを回転させ、前記領域に
おいて一方のブロック面が他方のブロック内のスクリュ
部分に入り込まないようにメッシュデータの変形を行
い、このようにして各時間ステップごとに離散化された
流速ベクトルに基づいて、スクリュの回転に伴う押出機
内の溶融樹脂の樹脂流跡線を算出し、この流跡線の各位
置での応力値と、樹脂の応力緩和特性と、各流動位置か
ら流出口までの温度履歴とに基づき、流出口までに緩和
する応力量を流跡線の各位置ごとに算出して、流跡線全
体で積算した残留応力値を算出し、この残留応力値を、
流入口から等分布に投入した仮想粒子全部に対して算出
し、そのばらつきを最小化するように最適スクリュ寸法
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
ュ設計方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9053287A JPH10244575A (ja) | 1997-03-07 | 1997-03-07 | ２軸押出機におけるスクリュ設計方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9053287A JPH10244575A (ja) | 1997-03-07 | 1997-03-07 | ２軸押出機におけるスクリュ設計方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10244575A true JPH10244575A (ja) | 1998-09-14 |
Family
ID=12938521
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP9053287A Withdrawn JPH10244575A (ja) | 1997-03-07 | 1997-03-07 | ２軸押出機におけるスクリュ設計方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH10244575A (ja) |
Cited By (2)
| 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 |
| JP2016078397A (ja) * | 2014-10-21 | 2016-05-16 | 株式会社日本製鋼所 | 流動挙動予測装置、その流動挙動予測方法および流動挙動予測プログラム |
-
1997
- 1997-03-07 JP JP9053287A patent/JPH10244575A/ja not_active Withdrawn
Cited By (2)
| 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 |
| JP2016078397A (ja) * | 2014-10-21 | 2016-05-16 | 株式会社日本製鋼所 | 流動挙動予測装置、その流動挙動予測方法および流動挙動予測プログラム |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20040106 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20050407 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20050413 |
|
| A761 | Written withdrawal of application |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A761 Effective date: 20050531 |