熱成形 シミュレーションプロセス ペース シミュレーションズ Inc. モントリオール, ケベック州, カナダ ペースシミュレーションズ と NRCC •ペース (Process Assisted and Controlled Engineering – プロセス補助及び制御工学) シミュレーションズ 社 は カナダ国立研究委員会 ）NRCCにより設立され た企業です • NRCC はカナダ政府による優れた研究開発機関です • カナダ全体で18もの最先端の研究機関が存在します • 従業員 3000人以上; 予算 約650億円 ペース シミュレーションズの研究開発 工業材料研究所 (IMI)はNRCCの研究一機関であり、 メーカー向けに製造工程のシミュレーション及びモデ リングツールの技術の開発を行っています。 • 材料加工及び成形産業を専門とした国際的に 認知された研究開発所 • 開発研究部門の人員30名 • 1990年以来研究開発への投資は延べ30億円 以上 ペース シミュレーションズの顧客対象 ペース シミュレーション は 押出吹込成形 及び 延伸吹込成形に適応した、パリソン ／プリフォームの変形を予測可能な有限要素法を用いた解析ツールです。 シミュレーションに加え、押出し吹込成形に対応した最適化モジュールも組み込まれてい ます。 • エンジニア • テクニシャン • 金型メーカー • レジンメーカー の方々に有益と思われます。 ペース シミュレーションズの競合他社に対する優位性 - プラスチックに特化した有限要素解法 工業生産における日常的な問題の解決 モデル化の際、材料特性を考慮に入れることによるデジタル成形・ 最適化 材料加工と成形産業界において国際的に認知された革新的な研究開 発所による、16年間におよぶ開発 30以上もの北米・ヨーロッパにおける産業界のリーダーでの長年に わたる使用・検証 ペース シミュレーションズの提携先 Plastique Micron BMPS 成形工程 熱成形 -電子部品事業、輸送機器事業、輸送容器事業、建造物事業 -車のドア・窓、電子機器外装、浴槽、標識、トレー、容器等 製品開発プロセスシミュレーション 製品仕様 試験製造 シミュレーションによる初期設定: • 金型 • 部品 • 材料 検証 修正 装置と製造条件の最適化: • 製造コスト • 製品の品質 製品 熱成形による製品例 ソフトウェア機能 熱成形シミュレーション • 工程: – – – – • 輻射によるシート再加熱 シート延伸及び成形 部品冷却 部品の収縮と反り 追加オプション: – – 局地的なメッシュの微細化 大変形に対応する粘弾性・超粘弾性モデル – – 非等温効果 欠陥 (ウェブやしわ)形成の予測 – – スリップも含めたプラグの影響 単一層、多層構造、並びにツイン構造シート インライン 熱成形シミュレーション Heating Step 1 4 2 3 移動 工程 1 & 2. シート 加熱 及び 移動 3. 金型移動 4. 真空成形 5. 冷却 熱成形 事例研究 ボート底部 ボート底部 ボート底部－有用性の評価 磁気ゲージにより測定された厚さ シミュレーションにより実際の工程を正確に予測 フォームビューにより予測された厚さ 食品容器の熱成形 このソフトウェアにはスリップ機能もついています スリップ効果を考慮に入れてシミュレーションをした場合、より正確な結果が期待できます Part Thickness Distribution 1.6 experimental measurements 1.4 Lip predictions with slip Thickness (mm) 1.2 predictions without slip 1 predictions without friction Bottom 0.8 0.6 0.4 中央 0.2 0 0 20 40 60 80 Position (mm) 100 120 140 プラグ補助 熱成形 シミュレーション 1-2. シートの 加熱 及び 移動 3. 金型とプラグの移動 3. 真空成形 プラグ補助熱成形 事例研究: 道具箱 異なるスリップ係数では異なる結果が生じます スリップ係数はシミュレーション上重要です。 Part Thickness 4 Prediction - no slip Prediction - friction coeff=5.0 3 Thickness (mm) シートの初期厚さ Measurements 3.5 Prediction - friction coeff=2.0 Prediction - friction coeff=1.0 Prediction - friction coeff=0.17 2.5 2 A 1.5 1 0.5 B A A B B 0 0 200 400 600 Position (mm) 800 1000 自動車部品の熱成形シミュレーション シミュレーションによるサイクル時間の短縮 たった3回のシミュレーションの実 行により、部品の成形範囲の決定 が可能 Average temperature across thickness of sheet (upper sheet, centre position) 300 275 Degradation 250 Average temperature (C) 225 200 Form ing range 175 No form ing 150 125 100 75 50 25 0 0 100 200 300 400 Time (seconds) Base case Base +50 Base +100 500 600 産業スケールのプロセス実験室 ツインシート熱成形機 (シートのサイズ：150 cm x 150 cm) ラボスケール熱成形機 2個 (シートのサイズ：60 cm x 90 cm) シミュレーション実行方法 シミュレーション実行方法 後処理 前処理 1. 金型 CADファイル 変換 (必要時のみ) 変形 結果 2. シートの形状 BlowView ブロービュー 温度 結果 3.製造条件 4. データベースの 材料特性 構造解析 結果 1.金型デザイン ¾ 以下に述べるCADソフトを用いて、金型及び 部品をデザインします: (Unigraphics, Catia, ProEngineer, Ideas, Amira, Ansys, AutoCAD, Solid Edge, SolidWorks, Cimatron 及び その他の国産ソフトウェア) 必要条件: – CADソフト上で、キャビティのみを含む 仮金型の設計すること – 他の全ての部品 (プラグ) もCAD上でデ ザインすること – 金型にいかなる穴も存在しないこと 利点: CADソフトを用いて異なるタイプの金型をデ ザインすることで、シミュレーションにより、そ の中から部品に適したものを選択することが 可能です。 金型とプラグ 1. CAD ファイル 変換 ¾ CADファイルをフォームビュー上で .pat (Patran) フォーマットに変換します ¾ メッシュは三角形の要素フォーマットである必要があります Unigraphicsでデザインされた金型 フォームビュー上での金型のメッシュ 変換 Amira (.am), Ansys (.ans, cdv), AutoCAD (.dfx), Unigraphics (.inp), Catia (.stl), Proengineer (.stl), Ideas (.unv) Patran (*.pat) フォームビュー フォーマット 2. シートの形状 シートのタイプ ¾ 通常のシート又はインラインシートから選択できます シート インライン (ローラー補給) 2. シート形状と炉 ¾ 炉の構成を入力します シート 及び 炉 ャップ 間のギ ゾーン 上部炉 1270 m ゾーン m 数 (X =5) シー ト長 ライン間の距離 ト幅 シー 下部炉 mm =14) 1796ン数 (Y ゾー 3. 製造条件 ¾ 各工程 (プラグ移動、真空時間等) での時間を決定します 航空部品 製造条件 • • ステージ 中間ステップ (全5ステージ) (全25ロードステップ) シート 再加熱 シート 移動 金型移動 真空 冷却 5 1 12 6 1 時間軸 – 工程の順序 4. 材料特性 ¾ 選択した材料がデータベース上に存在するか、特性測定のための樹脂が必要になるかどう かを確認してください 材料モデル RMSデータによるK-BKZモデルフィット - HDPE 4261A WLFモデルフィット - HDPE 4261A シミュレーション ¾ フォームビュー上で全ての必要な情報を入力してください ¾ シミュレーションを実行させます 熱成形シミュレーション 1-2. シート 加熱 及び 移動 3. 金型の移動 4-5. 真空 及び 冷却 異なる条件によるシミュレーション結果 ¾ 異なる可能な条件を用いたプロセス全体のシミュレーション実行 (オプション) 可能な条件 3種の成形テクニック 成形 テクニック ストレート 傾斜 エクステンション 付き傾斜 ドレープ √ √ √ 真空 √ √ √ √ √ プラグ補助 金型 ドレープ 真空 プラグ補助 ストレート 傾斜 エクステンション 付き傾斜 3種の金型 シミュレーション結果 再加熱時のシートのたるみ 熱成形シミュレーション結果 • • • 再加熱時におけりシート温度とたるみ 成形時における部品肉厚、温度及び歪みの分布 固化後の、部品の変形及び残留応力 シミュレーション結果 条件解析 ¾ 各製造条件による最終部品の構造解析 を行います Ansys/LS-Dyna といった他の有限 要素解析ソフトを用いての解析も可 能です テクニックの組み合わせ 比較的大きい材料の伸び ウェブの問題発生可能箇所 最良のテクニック Straight Ansys スクリーンショット Angled Angled with Ext. 1.48 ± 0.50 mm 1.43 ± 0.40 mm ドレープ 真空 この部品を作製するにあたり、最良の手段は ドレープと傾斜した金型の使用と推測されま す。傾斜した金型及びエクステンション付き金 型の両方において良い結果が期待できます。 プラグ補助 Thickness 0.3 mm 1.75 mm 3.2 mm 金型の最終デザイン ¾ 選択したシミュレーションにそった金型デ ザインを決定します ¾ CADソフト上で金型のCADファイルを完 成させます 金型 CAD ファイル 試作品部品 ¾ シミュレーション結果にそって部品の試作品を作製します エクステンション付き傾斜金型により形成された部品 後ろ 前 傾斜金型により形成された部品 実験による検証 ¾ 試作品の部品とシミュレーション結果の比較を行います 作製 ¾ 顧客の要望にそった部品を作製します ¾ 部品の欠陥及び反りを検証します シミュレーション実行の利点 • 商品開発時間の短縮。プロセスシミュレーションにより設計上の問題を早期に特定し、よりよい 品質の部品をより早く開発することが可能。それに伴い金型作製ステージにおいてコストがかかる試 行錯誤手法の排除。 • 作製前に問題となるエリアを特定し、設計上の問題を最小化することで、金型の設計を補助。ソフトウェア により様々な製造品の欠陥（ゆがみ、ウェブ、しわ等）の診断が可能。これらの問題はシミュレーション段 階で速やかに除去。 • 加工方法の選択の指針。 プラグありもしくはプラグなしの両方の条件での部品作製のシミュレーション可 能。 • 異なる状況を仮想空間上でシミュレーションを行うことにより、試行錯誤手法の排除。試行錯誤の試作品の数の 減少により、金型の再作製費、原料費や賃金といったコストの削減が可能 • 必要とされる製品の装置に最適な加工条件を見つけるための既存工程の最適化 • 顧客と市場のニーズに応じた、金型及び製品の設計と製造の素早い対応
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