JP4786186B2

JP4786186B2 - 射出成形装置の成形条件算出方法およびその装置および成形条件算出プログラム

Info

Publication number: JP4786186B2
Application number: JP2005010325A
Authority: JP
Inventors: 忠良高原; 有司岡田
Original assignee: Toray Engineering Co Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toray Engineering Co Ltd; Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-01-18
Filing date: 2005-01-18
Publication date: 2011-10-05
Anticipated expiration: 2025-01-18
Also published as: JP2006198796A

Description

本発明は、射出成形装置が実行する射出成形プロセスの中で、金型内に溶融樹脂を流し込む射出工程に適用される成形条件を算出するために使用される射出成形装置の成形条件算出方法およびその装置および成形条件算出プログラムに関する。

射出成形装置におけるキャビティ内圧力は、金型キャビティ内の任意位置における溶融樹脂の圧力であり、この圧力の時間変化を表すものをキャビティ内圧力履歴という。

また、キャビティ内圧力は、溶融樹脂が金型キャビティ内部を進展するにつれて上昇する。

そして、キャビティ内圧力の上昇速度はノズル流量Qinや充填済み部分の樹脂物性および流路厚みによって決定される。したがって、ノズル流量Qinが大きく、樹脂物性（粘度）が高く、流路厚みが狭ければ、上昇速度は速い。逆の場合には、上昇速度は遅い。

また、射出成形装置においては、キャビティ内圧力に抗して金型を互いに押圧し、一体化しておくために型締め力を作用させることが必要であるが、この力は可能な限り小さいことが好ましい。実際の射出成形では、キャビティ内圧力履歴を基準値以下に抑えることにより、型締め力を抑えることができ、その結果、金型サイズの縮小、金型の軽量化、射出成形機の小形化を図る射出成形技術が提案されている。また、この射出成形技術によって、バリの発生を抑えるなど射出成形品の品質向上なども図れる。

しかし、実際の射出成形装置では直接ノズル流量を制御することはできないため、解析に用いる入力値との差異が生じる。また、その検証は困難である。

そこで、予め成形品の形状モデルによる溶融樹脂の流動解析を行うことで、金型キャビティ内における樹脂圧を解析し、この樹脂圧と予め設定した圧力との差異をなくするように溶融樹脂の射出速度（ノズル流量）を修正する技術が知られている（特許文献１参照）。
特開平９−７６３２０号公報

しかしながら、前述の特許文献１に記載の溶融樹脂の射出速度を制御する方法においては、キャビティ内部の基準圧力を設定し、計算により求めた型内樹脂圧が基準圧力を超えた場合に射出速度を修正するため、型内樹脂圧が基準圧力を超えるまでの初期部分の射出速度を制御することができない。そのため、ジェッティングと呼ばれる急激に型内樹脂圧が立ち上がる場合に発生する成形不良を抑えるような射出速度の制御を行うことができないという欠点がある。

また、溶融樹脂の射出終了時点で、キャビティ内に適正以上の樹脂量が射出された場合、必要以上のキャビティ内圧力となるため、オーバーパックと呼ばれる成形不良を招く場合もある。このオーバーパックが発生した場合、成形品の重量が増大するとともに、成形品に歪が生じ、成形品の特性を阻害する虞がある。さらに、過剰な樹脂が型パーティクルライン（PL）部に入り込み、型を損傷させる可能性もある。

本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、射出成形動作開始当初から成形条件を算出し、射出初期部分の射出速度を制御可能とする射出成形システムの成形条件算出方法およびその装置、さらにはその成形条件算出に用いるプログラムを提供することを目的としている。

第１の発明によれば、溶融材料をスクリューの移動により金型キャビティ内部に射出して所要の成形品を成形する射出成形装置の成形条件算出方法であって、成形条件の時間変化の初期値とキャビティ内部の任意位置における物理量の目標値の時間変化とを入力データとし、数値解析手法によって経過時間毎の射出成形状態を解析して解析結果としての解析値を算出する解析値算出工程と、前記経過時間中のある時間の前記物理量の目標値と前記解析値との比を用いて前記成形条件の修正値を算出する成形条件修正工程とを有し、前記修正値によって修正された前記成形条件を新たな成形条件として、次の経過時間について前記解析値算出工程、および成形条件修正工程を反復することを特徴とする射出成形装置の成形条件算出方法が提供される。

この場合において、初期成形条件の時間変化とキャビティ内部の任意位置での物理量の目標値の時間変化からなる入力データの組合せを少なくとも一つ有すればよい。
第２の発明によれば、溶融材料をスクリューの移動により金型キャビティ内部に射出して所要の成形品を成形する射出成形システムにおいて、成形条件の時間変化の初期値とキャビティ内部の任意位置における物理量の目標値の時間変化とを入力データとし、数値解析手法によって射出成形過程を解析して解析結果としての解析値を算出する解析値算出手段と、前記経過時間中のある時間の前記物理量の目標値の時間変化と前記解析値との比を用いて成形条件の修正値を算出する成形条件修正手段と、前記修正値によって修正された前記成形条件を新たな成形条件として、次の経過時間について前記解析値算出手段、および成形条件修正手段を反復動作させる反復指示手段とを含むことを特徴とする射出成形装置の成形条件算出装置が提供される。

ここで、数値解析手法としては、有限要素法、有限体積法、境界要素法などが例示できる。

また、初期成形条件とは、成形開始初期の成形条件であり、スクリュー位置、充填率、ノズル流量などが例示できる。

また、物理量としては、圧力や圧力変化率などが例示できる。

本願発明によると、スクリューやプランジャー等の移動によって溶融材料を金型キャビティ内部に射出する射出成形動作開始当初から成形条件を算出し、射出初期部分の射出速度を制御可能とするため、キャビティ内部の圧力が急激に立ち上がる場合であっても、ジェッティングやオーバーパック等の成形不良の発生を抑えることができるという特有の効果を奏する。

以下、添付図面を参照して、本発明の射出成形装置の成形条件算出方法および装置および成形条件算出プログラムの実施の形態を詳細に説明する。

図１は本願発明に係る射出成形装置の主要部を示す概略図である。

図１において、射出成形装置１０は、１対の金型１と、この金型１の内部に溶融樹脂を射出するための射出機構１１とを有している。

金型１は、可動型１ａおよび固定型１ｂとを備え、この可動型１ａおよび固定型１ｂが閉じ合わさった状態でその内部にキャビティ１ｃを形成する。また、可動型１ａには、キャビティ１ｃと外部とを連通するスプルー４が形成されている。なお、スプルー４のキャビティ１ｃ側の端部がゲート４ａであり、シリンダー２側の端部がノズル４ｂである。
射出機構１１は、溶融樹脂１２を収容するシリンダー２と、このシリンダー２内を摺動自在に移動するスクリュー３とを備えており、このスクリュー３がシリンダー２内部の溶融樹脂１２をシリンダー２の外部に押し出すように摺動することで、溶融樹脂１２をシリンダー２からノズル４ｂを通して射出可能となっている。

図２は、図１に示す射出成形装置を用いて成形品を成形するまでのプロセスを説明する概略図であり、図２中（Ａ）は、ノズル４ｂより溶融樹脂がキャビティ１ｃ内部に射出された後に、この射出された溶融樹脂が冷却されて成形品となった後に、金型１を開いて成形品を取り出すまでの工程を示している。

より詳細には、ノズルより溶融樹脂がキャビティ１ｃ内部に射出される溶融樹脂射出工程ｐ１と、この射出後にノズル４ｂの圧力を一定に保持する保圧工程ｐ２と、キャビティ１ｃ内部の溶融樹脂を冷却する冷却工程ｐ３と、金型１を開き、成形品を取り出して自然放冷を行う自然放冷工程ｐ４とを有している。

また、図２中（B）は、上記工程ｐ１〜ｐ４のプロセスに沿って、ノズル４ｂの内部圧力が変化する様を示すグラフである。

図３は本発明の射出成形装置の成形条件算出方法の一実施形態を説明するフローチャートである。

ステップSP1において、圧力計算を行うためのデータの一部として形状データの入力を行う。なお、形状データは、キャビティ１ｃ内の成形品の形状を格子状に分割したメッシュによって再現したモデルである。

次いで、ステップSP2において、圧力計算を行うためのデータの一部として成形条件データの入力を行う。なお、成形条件データは、射出工程の中で設定される条件を表すデータであり、樹脂温度［℃］（ノズルを通して射出される溶融樹脂の温度）、金型温度［℃］（制御された金型の温度）、ノズル流量［ｍｍ³／ｓｅｃ］（単位時間当たりにノズルを通過する溶融樹脂の体積）、時間［ｓｅｃ］（上記ノズル流量［ｍｍ³／ｓｅｃ］で溶融樹脂を金型キャビティ内に射出する時間）を含む。ただし、ノズル流量―時間に代えて充填率―時間を採用することができる他、スクリュー位置―射出速度を採用することもできる。これらは、何れも、ノズル流量―時間に変換することができる。また、使用される溶融樹脂の流動性、温度等の特性を表す樹脂物性データを含むことも可能である。

次いで、ステップSP3において、圧力計算を行うためのデータの一部として境界条件の設定を行う。なお、境界条件は、初期入力条件でのノズル流量の時間変化Ｑｉｎ（ｔ）である。

次いで、ステップSP4において、形状データ、成形条件データ、および境界条件を用い、かつ従来公知の方法を用いてキャビティ１ｃ内の所定の点の圧力計算を行う。

次いで、ステップSP5において、キャビティ１ｃ内の任意位置での物理量の目標値の時間変化（基準圧力履歴）Ｐａ（ｔ）が解析値Ｐａ＊（ｔ）と等しいか否かを判定する。

なお、キャビティ内の任意位置での物理量の時間変化は次のようにして得ることができる。

キャビティ内の樹脂の流動状態を表す係数行列を［Ａij］、任意位置での流量ベクトルを｛ｑi｝、任意位置での物理量ベクトルを｛Ｐi｝とすれば、任意位置での物理量ベクトル｛Ｐi｝は、次式によって計算することができる。
｛Ｐi｝＝［Ａij］^-1｛ｑi｝
ここで、ｉ，ｊは１，２，・・，ａ，・・，ｎ（ｎは全解析点数）であり、Ａijは樹脂物性（例えば、粘度）とキャビティの厚みとから算出されるものであり、代表的には、次式で定義される。
Ａij＝（キャビティの厚み）³／１２／（粘度）
そして、Ｐａ、Ｑｉｎは、それぞれＰi、ｑiの任意の１つである。

したがって、物理量ベクトル｛Ｐi｝から任意の１つを選択することによって、キャビティ内の任意位置での物理量の時間変化を得ることができる。

そして、キャビティ１ｃ内の任意位置での物理量の目標値の時間変化Ｐａ（ｔ）が解析値Ｐａ＊（ｔ）と等しくないと判定された場合には、ステップSP6において、境界条件の自動修正を行い、再びステップSP4の処理を行う。なお、境界条件の自動修正は、Ｑｉｎ＊（ｔ）＝（Ｐａ（ｔ）／Ｐａ＊（ｔ））×Ｑｉｎ（ｔ）の演算により行う。

したがって、キャビティ１ｃ内の任意位置での物理量の目標値の時間変化Ｐａ（ｔ）が解析値Ｐａ＊（ｔ）と等しいと判定されるまで、ステップSP6における境界条件の自動修正を反復する。

ステップSP5において、キャビティ１ｃ内の任意位置での物理量の目標値の時間変化Ｐａ（ｔ）が解析値Ｐａ＊（ｔ）と等しいと判定された場合には、ステップSP7において、従来公知の方法を用いて温度計算を行う。

次いで、ステップSP8において、従来公知の方法を用いてフローフロントの進展を行う。

次いで、ステップSP9において、従来公知の方法を用いて溶融樹脂の充填が完了したか否かを判定する。

溶融樹脂の充填が完了していないと判定された場合には、再びステップSP3の処理を行う。

ステップSP9において、溶融樹脂の充填が完了したと判定された場合には、一連の処理を終了する。

したがって、上記の一連の処理、判定を行うことによって、射出成形動作開始当初から適正な成形条件を算出することができ、急激に圧力が立ち上がる場合であっても、ジェッティングなどの成形不良の発生を抑えることができる。

図４は本発明の射出成形装置の成形条件を算出する成形条件算出装置の一実施形態を示すブロック図である。この成形条件算出装置は、図２の溶融樹脂射出工程ｐ１に適用されるものである。

この成形条件算出装置は、形状データ入力、成形条件データ入力、境界条件設定などを行うための、キーボード、マウス等からなる入力装置１１と、入力データを保持する入力データ用メモリ１２と、基準圧力履歴を保持する基準圧力履歴用メモリ１３と、従来公知の方法を用いて金型内の所定の点の圧力を計算する圧力計算部１４と、計算された圧力が基準圧力履歴と一致しないことに応答して、Ｑｉｎ＊（ｔ）＝（Ｐａ（ｔ）／Ｐａ＊（ｔ））×Ｑｉｎ（ｔ）の演算を行って境界条件を修正する境界条件修正部１５と、従来公知の方法を用いて樹脂温度を計算する温度計算部１６と、従来公知の方法を用いるフローフロント進展部１７と、従来公知の方法を用いて充填完了か否かを判定し、充填完了でないと判定したことに応答して、修正された境界条件を新たな基準境界条件として圧力計算部４に供給する充填完了判定処理部１８とを有している。

そして、境界条件修正部１５により修正された境界条件を実現すべく、スクリュー３（図１参照）の移動を制御する。

上記各部は、図３のフローチャートの対応するステップの処理に対応するものであり、コンピュータにより実行されるソフトウエアによって実現可能である。ただし、同様の機能を達成するハードウエアにより構成することも可能である。

図５は、ノズルからスプルーを通して直方体状のキャビティに溶融樹脂を射出する状態を示す概略図である。図６は、本願発明の方法で溶融樹脂の射出を制御した場合におけるノズル流量の時間変化Ｑｉｎ（ｔ）を示すグラフである。図７は、本願発明の方法で溶融樹脂の射出を制御した場合において、ゲートからキャビティの長手方向に１２．５ｍｍだけ離れた点Ａにおける圧力の時間変化Ｐａ（ｔ）｛図中（Ａ）参照｝、および点Ａにおける基準圧力｛図中（B）参照｝を示すグラフである。図８は、本願発明の方法で溶融樹脂の射出を制御した場合における樹脂の充填パターンを示す図である。図９は、特開平９−７６３２０号公報の方法で溶融樹脂の射出を制御した場合におけるノズル流量の時間変化Ｑｉｎ（ｔ）を示す図である。図１０は、特開平９−７６３２０号公報の方法で溶融樹脂の射出を制御した場合において、ゲートからキャビティの長手方向に１２．５ｍｍだけ離れた点Ａにおける圧力の時間変化Ｐａ（ｔ）を示す図である。図１１は、特開平９−７６３２０号公報の方法で溶融樹脂の射出を制御した場合における樹脂の充填パターンを示す図である。

図５に示すように、キャビティのサイズが５０ｍｍ×３０ｍｍ×１ｍｍであり、スプルーの長さが５０ｍｍ、直径が２ｍｍであり、充填時間が０．５ｓｅｃであり、金型温度が８０℃であり、樹脂としてＰＡ６６（ＣＭ３００１Ｇ３０、東レ株式会社製）を使用し、樹脂温度が２８０℃である場合において、本願発明方法を採用した場合には、ノズル流量の時間変化Ｑｉｎ（ｔ）が、図６に示すように、フィードバック制御を行わなかった場合のように当初のノズル流量がそのまま保持される｛図６中（B）参照｝のではなく、フィードバック制御を行うことによってノズル流量が適正流量に向かって減少し｛図６中（Ａ）参照｝、ゲートから１２．５ｍｍの点Ａにおける圧力の時間変化Ｐａ（ｔ）が、図７に示すように、フィードバック制御を行わなかった場合のように圧力が急激に上昇する｛図７中（B）参照｝のではなく、フィードバック制御を行うことによって圧力が徐々に上昇する｛図７中（Ａ）参照｝ようになった。

図６中、図７から分かるように、本願発明方法を採用した場合には、射出成形動作開始当初からノズル流量Ｑｉｎ（ｔ）を適正に変化させて、点Ａにおける圧力を基準圧力｛図７中（C）参照｝に近似させることができる。

また、樹脂の充填パターン（フローフロント進展）は図８に示すようになり、後述する図１１の充填パターンと比較して優れた充填パターンを示していることが分かる。

この結果、ジェッティングなどの成形不良の発生を抑えることができる。

これに対して、特開平９−７６３２０号公報に記載された方法を採用した場合には、ノズル流量の時間変化Ｑｉｎ（ｔ）が図９に示すようになり、ゲートから１２．５ｍｍの点Ａにおける圧力の時間変化Ｐａ（ｔ）が図１０に（Ｂ）で示すようになった。

図９、図１０から分かるように、射出成形動作開始当初はノズル流量Ｑｉｎ（ｔ）を全く変化させていないので、点Ａにおける圧力が基準圧力｛図１０中（C）参照｝を大幅に超えて増加している。

また、樹脂の充填パターン（フローフロント進展）は図１１に示すようになり、優れた充填パターンではないことが分かる。

この結果、ジェッティングなどの成形不良の発生の可能性が高くなる。

したがって、本発明が優れていることが、実施例１から明らかである。

射出成形装置の主要部を示す概略図である。図１の射出成形装置による射出成形プロセスを説明する概略図である。本発明の射出成形装置の成形条件算出方法の一実施形態を説明するフローチャートである。本発明の射出成形装置の成形条件算出装置の一実施形態を示すブロック図である。本発明の射出成形装置の一実施例を示す概略図である。本発明方法によるノズル流量の時間変化の一例を示す図である。本発明方法による点Ａの圧力の時間変化の一例を示す図である。本発明方法による充填パターンの一例を示す図である。従来方法によるノズル流量の時間変化の一例を示す図である。従来方法による点Ａの圧力の時間変化の一例を示す図である。従来方法による充填パターンの一例を示す図である。

符号の説明

１４圧力計算部
１５境界条件修正部
１６温度計算部
１７フローフロント進展部
１８充填完了判定処理部

Claims

溶融材料をスクリューの移動により金型キャビティ内部に射出して所要の成形品を成形する射出成形装置の成形条件算出方法であって、
成形条件の時間変化の初期値と
キャビティ内部の任意位置における物理量の目標値の時間変化とを入力データとし、数値解析手法によって経過時間毎の射出成形状態を解析して解析結果としての解析値を算出する解析値算出工程と、
前記経過時間中のある時間の前記物理量の目標値と前記解析値との比を用いて前記成形条件の修正値を算出する成形条件修正工程とを有し、
前記修正値によって修正された前記成形条件を新たな成形条件として、次の経過時間について前記解析値算出工程、および成形条件修正工程を反復することを特徴とする射出成形装置の成形条件算出方法。
前記成形条件の時間変化とキャビティ内部の任意位置での物理量の目標値の時間変化からなる入力データの組合せを少なくとも一つ有することを特徴とする請求項１に記載の射出成形装置の成形条件算出方法。
溶融材料をスクリューの移動により金型キャビティ内部に射出して所要の成形品を成形する射出成形装置において、成形条件の時間変化の初期値とキャビティ内部の任意位置における物理量の目標値の時間変化とを入力データとし、数値解析手法によって射出成形過程を解析して解析結果としての解析値を算出する解析値算出手段と、
前記経過時間中のある時間の前記物理量の目標値の時間変化と前記解析値との比を用いて成形条件の修正値を算出する成形条件修正手段と、
前記修正値によって修正された前記成形条件を新たな成形条件として、次の経過時間について前記解析値算出手段、および成形条件修正手段を反復動作させる反復指示手段とを含むことを特徴とする射出成形装置の成形条件算出装置。
請求項１または請求項２の各工程をコンピュータに実行させて射出成形装置の成形条件を算出するためのプログラム。