JP6603466B2 - プレス成形シミュレーション方法、プログラム、記憶媒体、および装置 - Google Patents

Description

本発明は、オイラーメッシュを用いたプレス成形シミュレーション方法、プログラム、記憶媒体、および装置に関する。

近年、プラスチック製品の成形にもプレス成形が用いられてきている。熱可塑性樹脂材料を使用してドアトリムなどの自動車部品を成形するスタンピング成形や、熱硬化性樹脂材料を使用してバスタブなどを成形するＳＭＣ・ＢＭＣ成形などが一般的である。これらの成形では、シート状あるいはバルク状の樹脂材料（以下、基材と呼ぶ）を金型内に配置し、加熱・圧縮することにより樹脂を充填させ、製品の形状が付与された後に金型を開いて取り出す（図１）。

一方、現在最も汎用的に用いられているプラスチック成形法に射出成形がある。金型内に溶融した樹脂を流し込み、保圧をかけて形状を転写した後、冷却して取り出す。この過程を、コンピュータを用いてシミュレーションする技術も一般的になってきており、金型を作る前に樹脂の流動パターンや取り出し後のそり変形状態を事前に確認することが可能になってきている。これにより、充填不良やそり変形などの不良を未然に防ぐことが出来るようになってきた。

このコンピュータによるシミュレーション技術を、射出成形だけでなく前述したプレス成形にも適用する試みが各社で進められており、本特許はその技術に関するものである。 プレス成形については一般に、金属の板金プレス成形においてシミュレーションが実用化されている。この場合も、薄板形状をメッシュに分割しプレスに伴いメッシュが変形していく様子をシミュレーションするため、プレスと共にメッシュが変形していくラグランジェメッシュを用いている。この板金プレスにおいては元部材がプラスチックのプレス成形のように金型内を大きく流動することが少ないためラグランジェメッシュを適用することが可能である。また、ラグランジェメッシュを用いて変形が大きくなる場合に、変形の途中でメッシュ分割をやり直すリメッシュ法が開発されている。このリメッシュ法でもリブ構造など金型形状が複雑になると安定性に限界があり、またメッシュ分割をやりなおすために計算時間が増大するという課題がある。

一方、プラスチック材料の射出圧縮成形法において、コンピュータシミュレーションが実用化されている。射出圧縮成形とは射出成形の特殊な成形方法であり、溶融樹脂を射出した後に金型を閉じる型締め力で圧縮して押し広げる成形方法である。以下、射出圧縮成形とそのシミュレーション技術について述べる。

射出圧縮成形では、圧縮分だけ事前に金型を少し開いておき、金型内へ樹脂を充填し、さらに金型を締めて圧縮する。これをシミュレーションで再現するために、製品形状を型開き方向に変形させたメッシュを用意し、金型を締めて樹脂を圧縮する過程を、メッシュを変形させることで表現している。（図２） ここで、メッシュとはシミュレーションを行う際に使用する、解析対象物を格子状に分割したものである。また、シミュレーションの途中で変形するようなメッシュをラグランジュメッシュと呼ぶ。ラグランジュメッシュを使用すると、型開き量が大きい場合にメッシュの変形が異常になり、解析が収束しないケースがあることがわかっていた。（図３） この方法をプレス成形解析に適用してみたが、プレス成形の方が射出圧縮成形よりも変形量が大きいため、同様の問題が発生して正しい解析結果を得ることが出来なかった。

その一方で、境界が大きく移動するような流体問題を解く場合に、オイラーメッシュを使った計算手法が使われている（特許文献１）。オイラーメッシュとは空間の中に固定されたメッシュのことで、ラグランジュメッシュのように節点が移動することはなく、常に固定されたメッシュの中を流体が移動してメッシュの属性が変わっていく。例えば、空気中を進む海の波を考えた場合に、はじめは空気であったメッシュが、水に変化し、その後空気に戻るという様に属性が変化する。形状を変化させるのではなく、属性を変化してシミュレーションを行う手法である。

特許第４１９５９４０号公報

横井研介、「界面の大変形を伴う自由界面流れの計算手法」、物性研究、物性研究刊行会、２０００年６月２０日、第７４巻、第３号、ｐ．２４０−２５４

前記のとおり、従来の板金プレス成形解析で用いられているラグランジェ型のメッシュ変形を用いる解析手法では、金型内のリブ構造などの複雑形状へ樹脂を圧縮充填していく過程を安定して解析することが困難である。

そこで、我々はこのオイラーメッシュを用いた解析手法をプレス成形解析に利用することを考えた。金型内に配置された基材の状態であったメッシュが圧縮とともに金型に変化し、未充填状態であったメッシュは圧縮と加熱により溶融された基材が流れ込むことによって樹脂状態に変化する。（図９） メッシュは状態が変化するだけで、変形することはなく固定されている。オイラーメッシュを用いた解析手法をプレス成形解析に適用することで、解が発散して途中で解析不能となることなくロバストに解析できる。

さらに前記のオイラーメッシュを用いた解析手法ではプレス前の基材形状を入力する必要があるが、プレス前基材は高温で低剛性のため金型に設置した際に自重で変形しやすく、複雑な形態をとることから基材形状の入力が困難なことが多い。そこで基材の初期変形を正確に予測し前期オイラーメッシュの初期条件とすることが必要となる。

本発明の課題は、プレス圧縮成形のように形状が大きく変化する場合でも、解が発散することなくロバストに解析し正確に変形を予測することとする。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、
プログラムされたコンピュータによってプレス成形のシミュレーションを行う方法であって、
前記コンピュータが、
少なくとも成形品と初期基材を含む解析空間を定義する工程と、
前記解析空間のオイラーメッシュを定義する工程と、
解析空間のオイラーメッシュのうちプレスする領域を指定する工程と、
解析空間のオイラーメッシュのうち基材の領域を指定する工程と、
金型のプレス条件を設定する工程と、
前記基材の材料特性および初期状態を設定する工程と、
オイラーメッシュ上で金型の移動および金型と基材の干渉および基材の変形をシミュレートする工程を実行するプレス成形シミュレーション方法であって、
初期基材をラグランジェメッシュにより定義する工程と、
ラグランジェメッシュの変形を解析する工程を実行し、
解析空間のオイラーメッシュのうち初期基材を含む領域を、変形したラグランジェメッシュより抽出することを特徴とする、プレス成形シミュレーション方法である。

請求項２に記載の発明は、
請求項１に記載のプレス成形シミュレーション方法の各工程をコンピュータに実行させるためのプログラムである。

請求項３に記載の発明は、
請求項２に記載のプログラムを記録したコンピュータ読みとり可能な記録媒体である。

請求項４に記載の発明は、
プログラムされたコンピュータによってプレス成形のシミュレーションを行う装置であって、
少なくとも成形品と初期基材を含む解析空間を定義する手段と、
前記解析空間のオイラーメッシュを定義する手段と、
解析空間のオイラーメッシュのうちプレスする領域を指定する手段と、
解析空間のオイラーメッシュのうち基材の領域を指定する手段と、
金型のプレス条件を設定する手段と、
前記基材の材料特性および初期状態を設定する手段と、
オイラーメッシュ上で金型の移動および金型と基材の干渉および基材の変形をシミュレートする手段を有することを特徴とするプレス成形シミュレーション装置であって、
初期基材をラグランジェメッシュにより定義する手段と、
ラグランジェメッシュの変形を解析する手段を有し、
解析空間のオイラーメッシュのうち初期基材を含む領域を、変形したラグランジェメッシュより抽出することを特徴とする、プレス成形シミュレーション装置である。

本発明によれば、オイラーメッシュを用いた解析手法をプレス成形解析に適用することで、基材が大きく変形するようなケースでも解が発散することなくロバストにシミュレーションを行うことが出来る。

樹脂プレス成形（ＳＭＣ・ＢＭＣ成形）の一例である。 ラグランジュメッシュを用いた射出圧縮解析を示す概念図である。 変形によるメッシュの不具合の一例である。 本発明を実施するためのシステムの構成例である。 本発明の実施手順を示すフローチャートである。 型開き形状及び基材領域を示す概念図である。 圧縮領域及び圧縮条件を示す概念図である。 基材領域及び基材条件を示す概念図である。 オイラーメッシュを用いたプレス成形解析を示す概念図である。 プレス成形解析による充填解析結果の一例である。 プレス成形解析による繊維配向解析結果の一例である。 プレス成形解析によるそり解析結果の一例である。 初期基材形状メッシュの一例である。 型開きオイラーメッシュ内の初期基材要素の一例である。

本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図４は、本実施形態例を実施するためのシステムの構成例を示す図である。図４においてコンピュータ（４０１）は、ＣＰＵ（４０２）、メモリ（４０３）及び補助記憶装置（４０４）から構成され、入力装置（４０５）、表示装置（４０６）、出力装置（４０７）が接続される。

補助記憶装置（４０４）は、ハードディスクやＣＤ−ＲＯＭ、ブルーレイディスク等によって構成される。入力装置（４０５）は、マウスやキーボード等によって構成される。表示装置（４０６）は、ＣＲＴや液晶ディスプレイ、プラズマディスプレイ等によって構成される。出力装置（４０７）は、表示装置（４０６）に表示された内容を印刷するためのものであり、レーザープリンタやインクジェットプリンタ等によって構成される。

作業者はまず、解析に使用するオイラーメッシュの作成を行う。型を開いたときに金型内にできる空間すべてが解析領域となり、この領域についてオイラーメッシュを作成する必要がある。金型内にできるこの空間のことを型開き形状（６０１）と呼ぶこととする。型開き形状は金型ＣＡＤなどを用いて、ＳＴＬデータなどで準備しておく。型開き形状を直接準備できない場合には、最終製品の形状を型開き方向に型開き量だけ引き延ばして作成してもよい。

また、金型内にセットする基材についても形状データを作成しておくことが望ましい。このデータを用いることで、型開き形状のメッシュの中での基材領域（６０２）の指定を行いやすくなる。こちらもＳＴＬデータなどで準備しておく。メッシュを作成するために、これらのデータをコンピュータ内に読み込ませる（５０１）。

次に、ＣＡＥプリプロセッサにてメッシュを作成するためのメッシュ分割条件を設定する。例えば型開き形状全体を等間隔に分割するための分割ピッチ設定、特定の場所にメッシュ分割点を発生させるための特定位置設定、指定した範囲に指定した数だけメッシュを発生させる局所分割数設定などを必要に応じて行う（５０２）。CAEプリプロセッサとしては例えば“３Ｄ ＴＩＭＯＮ−Ｐｒｅ”や“ＦＥＭＡＰ”、“ＰＡＴＲＡＮ”などの市販ソフトを活用できる（３Ｄ ＴＩＭＯＮ、ＦＥＭＡＰ及びＰＡＴＲＡＮは登録商標）。

前記メッシュ分割条件に基づき、ＣＡＥプリプロセッサに搭載されたメッシュ分割機能を用いて型開き形状を微細要素の集合であるメッシュに分割する（５０３）。微細要素としては六面体、四面体や五面体などの形状が適用できる。

次に、シミュレーションを実行するための解析条件を設定する。一つ目が、圧縮に関する条件設定で、圧縮方向、圧縮速度と圧縮時間、型締め力及び圧縮対象領域を設定する（５０４）。

圧縮対象領域は、型開きメッシュのうち型によって圧縮される部分の微細要素または領域位置情報を指定する。通常は型開きメッシュ全体を圧縮領域として設定することが多い（図７）。

次に、基材にあたる部分の微細要素を初期基材要素として指定する。あるいはより好ましい態様として、基材の初期形状を基材ＳＴＬデータや基材メッシュデータとしてＣＡＤソフトやＣＡＥプリプロセッサを用いて準備しておき、この基材ＳＴＬデータや基材メッシュデータに含まれる前記微細要素を初期基材要素として自動抽出してもよい。

次に基材部分の微小要素に対してその基材の初期温度を設定する（５０５）。基材は型開き形状内に複数あってもよい。

次に、基材に使用されている樹脂を選択する。スタンピング成形の場合には熱可塑性樹脂を指定し、ＳＭＣ成形やＢＭＣ成形の場合には熱硬化性樹脂を指定し初期反応率を設定する（図８）。

解析条件を設定した後は、解析ソルバーを起動してシミュレーションを行う（５０６）。解析ソルバーを起動すると、オイラーメッシュ及び解析条件ファイルが読み込まれる。解析ソルバーはオイラーメッシュを用いて、与えられた解析条件にしたがって充填解析、保圧・冷却解析、繊維配向解析及びそり変形解析を行う。まず充填解析は、次のような手順で行われる。

オイラーメッシュを構成する微小要素は、未充填部（９０１）と充填部（９０２）、およびプレス部（９０３）に分類される。最初の状態では初期基材要素が充填部、その他の微小要素は未充填部であり、プレスの進行に伴って基材が広がり、未充填部から充填部へ、また上型が降下した部分はプレス部へ分類が変更される。

プレスの開始と共に、金型と接触した基材面上の節点に金型の圧縮速度が与えられる。基材の初期条件と金型の境界条件を考慮して、連続の式、運動方程式、エネルギー方程式から各節点に樹脂が到達した時間とその時間での圧力、温度などが計算される。金型がオイラーメッシュの一要素分だけ移動すると、その微小要素は充填部あるいは未充填部から、プレス部に変化する。一方、未充填部は、圧縮と加熱により溶融した基材により充填されて充填部に変化する。型が圧縮に関する解析条件で指定した位置まで移動するか、未充填部の要素がなくなった時点でシミュレーションは終了となる。この過程で、オイラーメッシュの節点は全く移動しない。

繊維配向解析では、充填解析結果を用いて充填中に繊維がどのように流れていくかをシミュレーションする。また、保圧・冷却解析及びそり変形解析は、充填後の製品形状部分のメッシュのみを用いて行うことが出来る。

シミュレーションの結果は作業者にわかりやすい形で表示する（５０７）。解析ソルバーから時系列データとして出力される、各節点が持つ樹脂の到達時間を用いて、充填パターンをアニメーション表示する。圧力や温度などのデータも同様にアニメーション表示できる。また、充填部からプレス部に変化する要素については、結果表示の際に非表示にすることでシミュレーション結果を評価しやすくすることが出来る。

図１０に充填解析の結果表示の一例を示す。左右に配置された基材が圧縮・加熱されて溶融し、未充填部へ移動していく様子を確認することが出来る。図１１に充填完了時の繊維配向の状態をシミュレーションした結果を、図１２に充填後の形状を用いてシミュレーションしたそり変形解析結果をそれぞれ示す。変形図はシミュレーションの結果得られた変位量を５倍に強調して表示している。いずれも、金型部分は非表示にしている。

このように、オイラーメッシュをプレス成形解析に適用することで、解が発散することなくロバストにシミュレーションを行うことが出来る。

本発明の別の実施の形態について述べる。

２００℃に昇温し柔軟になった平板状の基材（１３０１）を下型（１３０２）の上に設置し、１０秒後にプレスを開始するものとする。

本発明の別の実施の形態によれば、基材の樹脂を平板として定義し、ＣＡＥプリプロセッサを用いて微小要素の集合よりなる基材メッシュ（１３０３）に分割する。このとき、基材メッシュにシェル要素を用いることもできる。シェル要素は三角形または四角形の２次元要素であり、六面体などの３次元要素と比べて計算負荷が小さく、既存の板金プレスシミュレーションでもしばしば用いられることが多い。

次に基材メッシュに初期温度を設定し、下型（１３０２）の境界条件を与え、重力荷重を加えることにより、ラグランジェメッシュとして有限要素法により基材メッシュの変形を求める。

より望ましい形態としては、基材が下型（１３０２）に設置され変形し、プレス開始されるまでの１０秒間における基材の温度変化を解析し、温度変化に伴う基材の収縮や剛性変化も加味して前記の基材変形を解析することが望ましい。

また別の望ましい形態としては、前記重力による変形に続いて、プレス開始後に下降した上型との接触に伴う基材変形についても、メッシュのつぶれが小さく解析可能な範囲まで解析を行うことが望ましい。

こうしてラグランジェメッシュにより求めた変形形状を初期基材形状メッシュ（１３０４）とする。

この初期基材形状を定めた時点の上型開き状態に対して、前記形態と同様に型開きオイラーメッシュ（１４０１）を作成する。

前記初期基材形状メッシュを入力し、型開きオイラーメッシュの微細要素のうち、初期基材形状メッシュに含まれる微小要素を初期基材要素（１４０２）として抽出する。前記、初期基材メッシュにシェル要素を用いた場合は、基材メッシュ変形解析後の各シェル要素を法線方向に肉厚分押出した領域を求め、当該領域に含まれる型開きオイラーメッシュの微細要素を抽出することにより、初期基材要素を求めることができる。

続いて、前記初期基材要素を初期充填部として、前記形態と同様にオイラーメッシュによるプレス成形シミュレーションを実施することで、自重や上型の初期移動による基材変形を正確に考慮したプレス成形解析が実行可能になる。

４０１ コンピュータ
４０２ ＣＰＵ
４０３ メモリ
４０４ 補助記憶装置
４０５ 入力装置
４０６ 表示装置
４０７ 出力装置
５０１ 形状読み込みステップ
５０２ 分割条件設定ステップ
５０３ メッシュ分割ステップ
５０４ 圧縮条件設定ステップ
５０５ 基材設定ステップ
５０６ 解析実行ステップ
５０７ 解析結果表示ステップ
６０１ 型開き形状
６０２ 基材領域
９０１ 未充填部
９０２ 充填部
９０３ プレス部
１３０１ 平板状の基材
１３０２ 下型
１３０３ 基材メッシュ
１３０４ 初期基材形状メッシュ
１４０１ 型開きオイラーメッシュ
１４０２ 初期基材要素
１４０３ 型開きオイラーメッシュ内の初期基材要素（断面図）

Claims (4)

1. プログラムされたコンピュータによってプレス成形のシミュレーションを行う方法であって、
   前記コンピュータが、
   少なくとも成形品と初期基材を含む解析空間を定義する工程と、
   前記解析空間のオイラーメッシュを定義する工程と、
   解析空間のオイラーメッシュのうちプレスする領域を指定する工程と、
   解析空間のオイラーメッシュのうち基材の領域を指定する工程と、
   金型のプレス条件を設定する工程と、
   前記基材の材料特性および初期状態を設定する工程と、
   オイラーメッシュ上で金型の移動および金型と基材の干渉および基材の変形をシミュレートする工程を実行するプレス成形シミュレーション方法であって、
   初期基材をラグランジェメッシュにより定義する工程と、
   ラグランジェメッシュの変形を解析する工程を実行し、
   解析空間のオイラーメッシュのうち初期基材を含む領域を、変形したラグランジェメッシュより抽出することを特徴とする、プレス成形シミュレーション方法。
2. 請求項１に記載のプレス成形シミュレーション方法の各工程をコンピュータに実行させるためのプログラム。
3. 請求項２に記載のプログラムを記録したコンピュータ読みとり可能な記録媒体。
4. プログラムされたコンピュータによってプレス成形のシミュレーションを行う装置であって、
   少なくとも成形品と初期基材を含む解析空間を定義する手段と、
   前記解析空間のオイラーメッシュを定義する手段と、
   解析空間のオイラーメッシュのうちプレスする領域を指定する手段と、
   解析空間のオイラーメッシュのうち基材の領域を指定する手段と、
   金型のプレス条件を設定する手段と、
   前記基材の材料特性および初期状態を設定する手段と、
   オイラーメッシュ上で金型の移動および金型と基材の干渉および基材の変形をシミュレートする手段を有することを特徴とするプレス成形シミュレーション装置であって、
   初期基材をラグランジェメッシュにより定義する手段と、
   ラグランジェメッシュの変形を解析する手段を有し、
   解析空間のオイラーメッシュのうち初期基材を含む領域を、変形したラグランジェメッシュより抽出することを特徴とする、プレス成形シミュレーション装置。

Images