2002/07/12 (社)プラスチック成形加工学会 実践講座シリーズ＜CAE 編＞予稿集 成形加工におけるＣＡＥの活用について 山下電気(株) 技術部 吉野隆治 はじめに 昨年来から本格化してきた生産工場の中国シフトは、日本の製造業、特に部品加工業 に大きなダメージを与えている。プラスチック成形加工業もその例外では無く、中国シ フトの直撃を受け苦しんでいる最中である。その中でも射出成形は、成形機と金型があ れば何とか形に出来るため、人海戦術による手直しを得意とする中国に適した業種とな っている。また、この問題とは別に金型の起工から生産立上げまでを短期間で行う要求 が非常に強くなってきている。この要求に対してアジア諸国では、金型工場を 2 交代や 3 交代で稼働させることにより金型工期の短縮を実現している。しかし、日本では、優 秀な金型技術者の労働力確保が難しくなるという問題や、夜間操業は近隣住民との騒音 問題が発生するなどの理由で、金型工場の交代勤務は社会的に極めて難しいと言わざる を得ない。したがって金型納期の点でも日本の競争力が落ちてきている。 この様な厳しい環境下で勝ち残るためには、中国価格や金型短納期と真正面から勝負 するのではなく、日本にしか出来ない事で立ち向かう以外に方法が無い。すなわち、何 らかのコア技術や優れた「ＱＣＤ＋Ｓ」で差別化することが必要とされている。特に「Ｑ ＣＤ＋Ｓ」に関しては、年々要求レベルが厳しくなっており、それに答えられない成形 メーカーが徐々に出始めている様である。しかしこのような状況は、急に始まったわけ ではなく何年も前からある程度予測できていたことでもあり、この対応策の 1 つとして ＣＡＤ／ＣＡＭの積極的な導入が計られてきたはずである。ところが現在では、後から 設備を導入したアジア諸国の方が、最新型を導入しているため設備の点でも日本の方が 見劣りする状況になってしまった。 以上の状況を踏まえると、残された武器は「頭」しかないであろう。ＣＡＤ／ＣＡＭ ／ＣＡＥは、これ自体はツールであるため、それを使用する技術者の能力によって結果 の質が大きく異なるはずである。したがって、最終的には技術者の頭脳が差別化の鍵と ならなければならない。特にＣＡＥの解析技術は、誰にでも簡単に真似できるものでは なく、その成果は使用する技術者の能力に完全依存される。そのため、「ＱＣＤ＋Ｓ」 や差別化技術の支援システムとして、どの程度貢献できるかは必然的に大きな差となっ て現れるはずである。 山下電気(株)技術部技術開発課 課長 吉野隆治 〒140−0004 東京都品川区南品川 3‑7‑19 TEL：03−3740−2435 ，FAX：03−3472−8691 e−mail：yoshino‑r@yamashita‑denki.co.jp 1. 当社のＣＡＥ解析 当社は、受注生産型の成形加工業であり、製品の受注時に必要に応じてＣＡＥの解析 を実施する。まず解析の初期段階では大体の状況を把握し、懸念される問題点の抽出が 行われる。次に、その問題点をどのように改善するかの対策案を検討する。具体的には、 ゲートランナーシステム、成形条件、材料変更、製品の形状変更などで最も現実的な方 法を提案する。この際の最低条件は、Ｔ１品質の確保と金型修正リスクを回避すること であり、ＣＡＥはこの段階で最も効果を発揮している。特に反りに関しては、その解析 精度が十分満足できるものではないかもしれないが、比較評価を行うことにより原因の 特定及び改善の方向を探るための貴重な情報を得ることが出来ている。このような解析 結果は、顧客との打合せ時に原因とその対策及び品質レベルの具体的な説明資料として 使用され、双方納得の出来る技術的問題解決に貢献している。したがって、金型完成後 に大きなトラブルを起こすこと無く、スケジュールの通りに生産部門へ移管することが 出来ている。以上のようにトラブルを起こさないことが顧客の信頼を向上させることに つながり、競合他社との比較評価でも良い成績を頂けていることなどから、継続的な受 注確保に貢献していると社内的に評価されているに至っている。 参考までに当社がＣＡＥ導入時に期待していた効果を表 1 に示す。 2. 解析上の留意点 2.1 モデルの影響 解析に使用するモデルは、図面の形状からメッシュサイズを考慮して細部を簡素化 したものが用いられる。その際は、樹脂の流動や反りへの影響も考慮しながら作成す る必要がある。特に傾斜部やリブの抜き勾配など肉厚が変化している部分は、その影 響が大きいため十分な注意が必要である。 表 1．ＣＡＥ導入時に期待していた効果 効果 結果 ポイント 設計 試作 ・試作回数の低減 ・金型設計前に問題点を 排除できる ・金型完成度の向上 ・設計時に労力を必要と ・技術者の思考力向上 するが、トータルで早 ・早期立ち上げが望める 期立ち上げが可能に 生産 品質 ・安定した成形が可能に なる ・製品の無検査化 ・トラブル減少 ・労力減少 ・損失低減 ・生産性の向上と損失の 低減 営業 経営 ・高難易度製品の対応 ・高付加価値製品への シフト ・コストダウン ・顧客からの評価・信頼 性の向上 ・競合企業との差別化 ・受注の増加が見込める また最近では、3ＤＣＡＤデータを利用してモデリングすることなく簡単に解析出 来るソフトが普及してきているようである。しかしこの解析モデルは、ＣＡＤにより 出力されたＳＴＬファイル使用して自動でメッシュ生成しているため、詳細解析ソフ トと同じソルバーを使用しているとはいえ、同じ結果が望めないことを理解する必要 がある。ただし、モデリング作業は、解析作業の中でも相当の負担となっているため、 詳細解析ソフトでも 3ＤＣＡＤデータを編集してモデリング作業の負荷を減らす機能 には期待している。 2.2 樹脂の冷却固化 金型には、いくつものガスベントが設置されて、充填行程中に金型内の空気や樹脂 から発生する揮発物を除去する役割をしている。しかし、その逆に成形品表面と金型 壁面の樹脂の収縮によって生じた隙間に、ガスベントを通って空気が逆流しているこ とを考える必要がある。すなわち、樹脂と金型の間に空気が断熱層として存在してい るため、樹脂の冷却時間や金型温度の解析結果は、実際と異なるものになる。 2.3 ガスベントの影響 もし必要十分なガスベントが設置されていないとすれば、充填に必要な圧力に加え て空気の圧縮による抵抗が負荷されることになる。また、部分的にガスの抜け方が悪 いことにより、本来の流動パターンとは異なっている事もある。よって、この様な金 型と解析結果を比較して、「解析精度が悪い」という間違った判断をしない様に注意 しなければならない。 2.4 傾向を重視する 解析結果は、その数値が合っているかだけではなく、特徴を良く把握することが重 要である。真の値でなくとも傾向が掴めれば、何が起きているのか大体判ってくる。 重要なのは、成形品としての不具合を発見する事であり、それをどのような方法で改 善させるかにある。 2.5 異常な解析結果 数多くの解析を行っていると、たまに誤差としては大きすぎる異常な結果や常識的 にあり得ない結果を目の当たりにする事がある。具体的には、極端に樹脂の流量が偏 ったり、樹脂温度が異常に高温になっていたり、考えられない変形を起こしたりする 事がある。これは解析精度と質の異なるソフト上の異常なので混同しないようにする。 このような現象は、モデルのメッシュや樹脂データ及び成形条件などある条件が揃う と発生する事が多い。 2.6 ソフトのバージョンアップ ソフトウェアは、定期的にバージョンアップされることが多い。そのうち、不具合 を修正したバージョンアップはそれほど問題ないと考えられるが、メジャーと呼ばれ る数年に 1 度のバージョンアップは慎重な対応が必要である。特にソルバーに新機能 が盛り込まれた場合は、計算プログラムに何らかの変更が加えられているはずであり、 それまでの解析結果と異なる結果や傾向を示す場合がある。したがってバージョンア ップの際は、十分に検証して問題のないことを確認してから移行することを推奨する。 2.7 樹脂データ 解析に使用する樹脂データは、非常に重要なものであるとされ、その測定方法や測 定精度が問われている。しかし、ＣＡＥソフトのデータバンクに登録されている樹脂 は、近年充実してきてはいるものの、そのほとんどはスタンダードなグレードであり、 使用したいデータが必ず用意されているわけではない。したがって、本来であれば自 ら樹脂の測定を行うべきであるが、その測定には数十万の費用が必要なことと測定結 果が出るまでの時間的な問題で現実的には難しい。このような場合は、類似グレード （成形条件で調整できる範囲のもの）の樹脂データで代用して解析することがよくあ る。大体の状況が掴めれば、金型設計上の対処は可能である。ただし、これは何でも 良いというわけではなく、妥当性の判断はそれなりの知識と経験は必要であり、また Ｔ１後の修正方法も考慮することが前提なので誤解の無いようにしていただきたい。 2.8 解析条件と成形機の動作 解析結果と実際の成形で現象が一致しないことがある。この原因はいろいろあるが、 その一つと して解析条 件の通りに 成形機を動 作させるこ とが物理的 に不可能な こ と があげられる。射出成形機は、数多くの機種があり仕様が異なっている。また射出ユ ニットには、油圧式と電動式の方式があり、応答性、圧力挙動、慣性などにそれぞれ 特徴がある。この特徴を良く把握していなければ、解析結果との違いを理解すること は難しい。例をあげると、実際の成形機（油圧射出機）は、射出圧力がある値に達す ると速度が低下してくる現象が起こる。（これは、あまり知られていないが機械固有 の仕様である。）したがって、充填時間を同じにしてＣＡＥの解析を行っても、実際 との速度履歴が異なることがあるので注意が必要である。また、Ｖ−Ｐ切換の設定は 非常に微妙であり、解析条件の設定も難しい事になる。充填圧力及び切換後の減速が、 どの程度保圧に影響しているかが、重要なポイントになることがある。このように、 ＣＡＥの解析条件は、実際の成形プロセスと少なからず差が生じていることを理解し て、解析とのキャップを修正する必要がある。 3. ＣＡＥの運用 3.1 ＣＡＥ利用者 ＣＡＥの利用者は、その普及の経緯と現在の需要から上流から下流まで様々な目的 使用されている。次にＣＡＥ利用者を分類してみる。 （1） ① ② ③ ④ 設計技術者 解析目的 ・・・ 解析能力 ・・・ 成形技術 ・・・ 人材 ・・・ 成形可能な成形品の設計、デザイン上の不具合の確認 自身で簡易解析ソフトを使用する。 成形の専門家では無いが、ある程度の知識を持っている。 流動の確認程度であれば特に人材を選ばない。 （2） 成形技術者（金型担当者） ① 解析目的 ・・・ 製品設計打合わせ、金型の仕様決定、成形品設計 ② 解析能力 ・・・ 解析のノウハウが必要な部分で判断が出来ないまたは気が付 かない。 ③ 成形技術 ・・・ 成形技術的な指示及び結果の判断ができる ④ 人材 ・・・ 熟練した成形技術者は、解析技術者と同程度の解析は可能。 （3） 解析技術者 ① 解析目的 ・・・ 金型仕様の決定、試作段階の成形不良の対策、設計変更の 検討 ② 解析能力 ・・・ 解析の目的(目標)を理解し、自らほぼ全ての判断を行い、 最善の結果を導く。 ③ 成形技術 ・・・ 十分な知識と経験が要求される。 ④ 人材 ・・・ 即戦力は難しい。ＣＡＥの職人的ノウハウも要素の一つに ある （4） 解析オペレーター ① 解析目的 ・・・ 依頼された指示(条件)の通りに計算の実行と結果の出力を 行う ② 解析能力 ・・・ 操作が出来れば良い。 ③ 成形技術 ・・・ 成形技術的な判断はほとんど行わない。 ④ 人材 ・・・ モデリングと設定の操作が主であるため、短期間で養成可能 である。 3.2 解析担当者 ＣＡＥは、金型製作を行う前に成形不良を予測して、それを排除することが目的に なる。これは、金型仕様を決定する金型担当者が必要とする情報である。本来であれ ば、この担当者が自らＣＡＥを操作して解析を行うことが良いのかもしれない。しか し、金型の起工準備とＣＡＥの解析は、納期的な問題からほぼ同時期に平行して進め なければならないことがほとんどであるため、現実的には難しいことになる。そこで 別の第三者に解析の依頼を行うことにならざるを得ない。その一つの選択肢に解析オ ペレーターへの依頼がある。 解析オペレーターは、金型担当者から依頼された指示の通りに計算の実行と結果の 出力を行うことが役割になる。この場合、結果の解析を行うのは金型担当者であり、 解析オペレーターには主にモデリングなどの操作が求められることになる。この方法 は、金型担当者によって解析結果を判断出来るレベルが異なるため、常に最善の結果 を得ることが期待できないという問題がある。また、意志決定に時間が掛かるため、 解析時間の長さが依頼者の不満になることが多い。このような状態では、高度な技術 的判断を行うことが難しいばかりでなく、金型製作期間に影響を及ぼすなどの問題も あるため、ＣＡＥの効果を十分発揮できる形とは言えない。この点を考えるとやはり 専任の解析技術者が必要になる。 解析技術者は、依頼者の意図と状況を良く理解して、自らの判断で最適に結果が得 られるための解析と変更を繰り返し実行し、依頼者が納得する解析結果とそれに基づ いた設計情報を提供することが求められる。オペレーターと異なる点は、解析技術者 が途中の判断のほぼ全てを行うため、依頼者は完全に手を離して良いことと、専任者 であるため、常に最善の解析結果が期待できることである。しかし、ここで問題にな るのは、解析技術者には成形技術及び解析技術に関して十分な知識と経験及び判断力 が必要になるということである。このような人材を育成するには、相当な時間が必要 であり、また適性もあるため簡単ではない。この現状から解析のノウハウをマニュア ル化すればとの話しもあるが、1 つ 1 つの解析でその度に試行錯誤を繰り返している ものをマニュアル化出来るわけもない。この点において解析技術者とは、エンジニア であると同時に職人的なノウハウを有する存在であり、ＣＡＥの命運を確実に左右す る位置付けとなる。 3.3 解析業務について （１） 金型仕様の決定 実際の金型製作におけるＣＡＥ解析は、ＱＣＤ＋Ｓに関して金型担当者と良く打ち 合わせをして実施する必要がある。要求品質を満足させることが目的ではあるが、コ ストを無視した設計してならないし、また金型納期に影響を与えない範囲で解析行わ なければならない。それが無理状況であれば、試作後の修正を視野に入れた解析も時 には必要になる。この他、技術的な判断が難しい場合も、1 回目の試作結果を確認し た後にそれを踏まえた再解析で詳細を詰める方が確実である。このように解析技術者 には、依頼者の要求を良く理解して最善の方法を選択する必要があり、また依頼者に 解析結果や設計の考えを十分に説明し、お互いが納得できる様なところまで理解を深 める努力が重要になる。金型仕様は、この理解の上で決定しなければならない。 （２） 解析結果と実成形との相違 十分な検討をして製作した金型でも、思った結果が得られないことがある。ＣＡＥ は、シミュレーションであるため、ある程度は仕方のないことであるが、携わってい る者としては極力少なくしたいものである。そのためには、多くの解析事例を独自の ノウハウとして活用することが有効である。ＣＡＥの解析精度は、モデル形状、樹脂 データ、成形条件などの影響されることが判っている。したがって、どのような状況 の場合に解析精度の信頼性が悪くなるのかを検証し、把握しておくことが非常に重要 である。しかし、それでも予想外の結果になることがある。これは、解析ノウハウに 該当していることに気づかなかったか、或いは未知の現象がでてきたかである。ここ は、非常に重要な場面である。もし、未知の現象であるならば、今後の解析方法に影 響を与える新しい解析ノウハウとなるからである。このようなものの中には、バグと 呼ばれるプログラム上の不具合も考えられるが、その多くは成形現象として想定され た範囲から少しはずれた特異な状況の場合に起こり易く、解析ソフトの癖とも言える。 どちらにしても解析結果が合わないうちは、対策案のための解析ができないため、絶 対にその原因を究明しなければならない。最もしていけないことは、安易に解析精度 が悪いとしてあきらめてしまうことである。 （３）解析業務の姿勢 ＣＡＥの運用を推進して業務の一翼を担っていくためには、専任解析技術者の姿勢 が重要になる。解析技術者は、依頼された金型が順調に生産されるまで金型担当者を 全面的にバックアップしなければならない立場であり、間違ってもＣＡＥへ不信感を 持たせる様な行為があってはならない。依頼者の信頼を無くすことは、運用上致命的 な打撃となるので慎重な対応が必要である。また、解析する側の都合だけで解析を行 っても現実的には認められないこともある。 「ＱＣＤ＋Ｓ」を考慮した解析結果が、常 に求められていることを忘れてはならない。すなわち、解析の依頼者から顧客に至る 全ての関係者から信頼され喜んでもらえる解析結果を提供することが解析技術者の使 命であり、やり甲斐であることを肝に銘じておく必要がある。 (以下略)
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