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[解析事例] Moldex3D DOEによるパラメーター設定の最適化：部品品質の向上

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最適化

2009年に射出成形金型ツールのグローバルな販売会社として設立されたPlazology社は、顧客の要望に応じサービスを拡張し、現在では、設計から生産までの一貫したサービスを提供しています。豊富な経験とフットワークの軽い企業としてプラスチック業界の最先端技術を追い続けるPlazology社は、その経験と知識（機密保持契約の対象）をお客様それぞれの市場や分野に活用しています。 それにより、Plazology社は数多くのお客様に高品質なプラスチック製品を低コストで、且つ安定供給しています。

Plazology社は、創業以来、英国国内および国外の大学も含む様々な団体と良好な関係を築いてきました。（出典：https://www.plazology.co.uk/）

この記事は、Injection World 誌（2014年11月）から引用しました。©Applied Market Information Ltd. 2014.

導入企業様 プロフィール

概要

高品質の射出成形品を安定して生産するには、良い設計と金型、そして適切な材料と成形条件が重要です。これらの4つの要因に変更を加えた場合、成形品に大きな影響が出る可能性が高くなります。　金型内の樹脂挙動を深く理解をしていない場合、大概の技術者はまず先にその寸法調整（金型修正）をしがちです。これは対処方法を狭める事になり、ほんのわずかな変更が部品寸法の許容範囲を超す原因になり得るため注意が必要です。　試行錯誤による手法は、無駄なコストと時間を生み、急速に変化する今日の産業界においては現実的に非効率であると言わざるを得ません。

英国に拠点を置く射出成形技術コンサルタント企業としてリーディングカンパニーであるPlazology社は、金型内の樹脂挙動を予測でき、成形品の様々な現象を可視化できる成形シミュレーションソフトウエアを調査していました。　Plazology社のプロジェクトエンジニアであるJasmin Wong氏はこう語ります。「これまでは、大量生産の前に金型を試作して詳細を確認していました。しかし、このやり方ではコストも時間もかさんでしまいます。シミュレーションの活用で、樹脂成形に最適化された設計や冷却管、ゲート位置を事前に確認する事で、今までにない自信をもつことが出来るのです。」

Plazology社は、スピーディーな設計に役立つMoldex3Dを確信をもって導入しました。　Jasmin Wong氏は次のように話します。
「Moldex3Dは、金型起型時の社内決定の際、さらなる確信を与えてくれます」「実際の金型製作前の解析だけでなく、既存製品の品質課題の解決にもMoldex3Dは役立ちます。弊社の顧客であるツールメーカーのなかにはまだ解析ソフトを所有していない企業もあるため、Moldex3Dを使って金型や冷却管の配置を最適化し、サイクルタイム短縮等の支援をしています。」

課題

・反り変形
・品質の安定

解決策

Moldex3D DOEモジュールを使い、反り変形と線形収縮問題解決に最適なパラメーター値を決定する。

ケーススタディ

今回、Plazology社が、樹脂射出成形シミュレーションソフトウェア「Moldex3D」を用い、最適なパラメーター値を決定したケースをご紹介します。

Figure 1.ハンドディスペンサーポンプのCADモデル Figure 1.ハンドディスペンサーポンプのCADモデル

上記の図（Figure 1）は、消毒剤ボトルのディスペンサーのポンプです。本事例で取り上げるモデルの問題点は、チューブの反り変形と同心性であり、この2つ特性はポンプのフィット感と機能に影響します。この部品は寸法許容値が非常に厳しいため、反り変形を最小限に抑えつつ可能な限りの同心性を保つ最適な成形条件が求められます。

Plazology社はまず、事前確認として充填、保圧、冷却、反り変形解析を行い、ショートショットやヘジテーションなどの充填問題がないことを確認しました。続いてDOE（実験計画法）機能を用いて検証しました。問題は反り変形と同心性であるため、これらの2つがDOEで使用する品質／応答因子になります。反り変形と同心性に影響する4つの制御因子（樹脂温度、保圧、冷却時間、充填時間）を選択し、続いてL9直交表（田口メソッド）を用いたDOE解析を行います。

L9直交表で使用する設計因子を Table 1に示します。

No. 制御因子 Level 1 （低） Level 2 （元データ） Level 3 （高）
1 樹脂温度 （°C） 225 235 245
2 保圧 （MPa） 9 12 15
3 冷却時間 （sec） 8 10.6 12
4 充填時間 （sec） 0.1 0.2 0.3

Table 1. L9直交表 （田口メソッド ）の設計因子

Table 2には、L9直交表による9個の計算パラメーター設定を示します。Moldex3D DOEはユーザーの指定（最小反り変形と節点間の線形収縮 ‐ 本記事の後半に紹介する同心性の測定に使用）に基づいて計算を行い、計算No.10として最適なパラメーター設定を導き出します。

計算 No. 溶解温度 （°C） 保圧 （MPa） 冷却時間 （sec） 充填時間 （sec）
1 225 9 8 0.1
2 225 12 10.6 0.2
3 225 15 12 0.3
4 235 9 10.6 0.3
5 235 12 12 0.1
6 235 15 8 0.2
7 245 9 12 0.2
8 245 12 8 0.3
9 245 15 10.6 0.1
10 225 15 12 0.1

注：計算 No.10（最適化計算）については後述します。

Table 2. L9直交表（田口メソッド）のパラメーター設定

反り変形 （合計変位 - mm）

9回の異なった計算から得られた反り変形の主な要因のグラフがFigure2のように出力されます。

Figure 2. 部品の反り変形における主な影響 Figure 2. 部品の反り変形における主な影響

Figure 2より、保圧を高くし冷却時間を長くとることで反り変形の低減が最も効率的に図れるといえます。一方、溶解（樹脂）温度を上昇させると反り変形が増大します。充填時間を0.2秒または0.3秒にすることで、充填時間0.1秒よりもわずかに反り変形を減らすことができています。

したがって、反り変形の低減に最適なパラメーター設定は次のようになります：溶解（樹脂）温度：225°C、保圧：15MPa、冷却時間：12秒、充填時間：0.3 秒。

Moldex3Dで得られた結果から、Plazology社はMinitab 17 （統計ソフトウェア）を用いて、前述の4つの因子から部品の反り変形に最も大きな影響をもつ因子を調査しました。Figure 3に示す表から、Rank 1とされている冷却時間（Cool Time）が部品の反り変形に最も強い影響をもつ因子であり、続いて保圧（Pack Pressure）、溶解（樹脂）温度（Melt Temperature）、そして最も影響が少ない因子が充填時間（Fill Time）という結果になりました。

Figure 3. 応答結果（反り変形） Figure 3. 応答結果（反り変形）

Figure 4 に示す領域グラフからも、反り変形に対する9回の計算実行結果を確認することができます。他の8回の計算と比較して、計算No.3が最も反り変形が小さかったことがわかります。

Figure 4. 部品の反り変形における領域グラフ（総変位量） Figure 4. 部品の反り変形における領域グラフ（総変位量）

同心度 （節点間の線形収縮 - %）

同心度の測定は、実際においても解析においても容易には行えません。実際においては、異なる点同士の距離を3次元測定器（CMM）を用いて測定します。Moldex3Dでは、異なる節点間の線形収縮を測定します（→Figure 5）。8個の異なる節点を特定し、チューブの径を横切る線A、B、C、Dの線形収縮を測定します。線形収縮が小さいほど、円形が保たれており、チューブの同心性が高いことを示しています。

Figure 5. 8つの異なる節点に置ける線形収縮の測定 Figure 5. 8つの異なる節点に置ける線形収縮の測定

線形収縮への主な影響をFigure 6に示します。

Figure 6. 節点間の線形収縮の主な影響 （同心度の測定） Figure 6. 節点間の線形収縮の主な影響 （同心度の測定）

Figure 6より、溶解（樹脂）温度を下げ、冷却時間・充填時間を短縮、保圧を高くすることでより同心性を高く、節点間の線形収縮を少なくできることがわかります。

したがって、線形収縮の低減に最適なパラメーター設定は次のようになります：溶解（樹脂）温度：225°C、保圧：15MPa、冷却時間：8秒 、充填時間：0.1秒。

しかし、冷却時間を8秒とした場合には反り変形が大きくなるため（→ Figure 3）、この設定は現実的とは言えません。反り変形と同様に、Minitabを用いて前述の4つの因子から部品の線形収縮に最も大きな影響をもつ因子を調査しました。Figure 7にある表から、保圧がRank 1となっていることがわかります。次に冷却時間、溶解（樹脂）温度であり、最後が充填時間です。

冷却時間8秒では反り変形が大きくなるため、妥協案が必要になります。前述のとおり、線形収縮においては冷却時間よりも保圧がより影響の強い因子となっています。そのため、冷却時間を12秒、保圧を15MPaとするのが最良の選択となります。

Figure 7. 応答結果（線形収縮） Figure 7. 応答結果（線形収縮）

線形収縮に対して9回の計算結果を比較すると（→ Figure 8）、他の8回の計算に比べて計算No.6が最も線形収縮が少なかったことがわかります。

Figure 8. 節点間の線形収縮の領域グラフ（同心度の測定） Figure 8. 節点間の線形収縮の領域グラフ（同心度の測定）

メリット

ユーザーの指定条件に基づき、Moldex3DのDOE機能を用いて最適化計算（計算No.10）を行いました。本事例では、反り変形と線形収縮の双方に同じ重み付けを行いました。しかしながら、前述の結果から、反り変形の低減に最適なパラメーター設定として、冷却時間12秒、充填時間0.3秒が算出されました。一方、線形収縮の低減に最適なパラメーター設定には、冷却時間8秒、充填時間0.1秒が算出されました。したがって、Moldex3Dは妥協案としてパラメーター設定：溶解（樹脂）温度：225°C、保圧：15MPa、冷却時間：12秒、充填時間：0.1秒 の条件を用いて最適化計算を実行しました。

Figure 9に示すエリアグラフから、計算No.10（最適化計算）は他の9回の計算と比較して最も小さい反り変形を示し、また線形収縮も低く抑えられていることがわかります。

Figure 9. 最適化計算（計算No.10）と他の9回の計算の比較 Figure 9. 最適化計算（計算No.10）と他の9回の計算の比較

DOE解析結果（→ Figure 10 および 11）から、部品の反り変形とチューブの同心度が大幅に改善していることがわかります。反り変形は約20〜30％改善し、線形収縮は約0.6%〜0.7%改善しています。

DOE前 DOE最適化計算 #10
Figure 10. 反り変形（合計変位）の改善 Figure 10. 反り変形（合計変位）の改善

Figure 10. 反り変形（合計変位）の改善

Figure 11. チューブの反り変形の改善 Figure 11. チューブの反り変形の改善

この解析から導かれた数値的な結果は絶対値に基づくものではなく相対値に基づくものであることを設計担当者と金型製作担当者が理解することが重要です。これは、実際の金型には制御不可能な因子があるためであり、解析では再現が困難です。ただし、Moldex3D DOEの活用により、注目すべき制御因子とその部品品質への影響を理解できるため、設計担当者は今まで以上に設計初期段階から有利な条件で設計を始めることが可能です。

JasminはMoldex3Dについてこう話しています。「正確で信頼のおける結果を出してくれるMoldex3Dは必要不可欠な存在です」 「それだけでなく、Moldex3Dはその信頼性で弊社の顧客の仕事効率アップを可能にしました。」

Jasmin Wong

Moldex3Dは、金型起型時の社内決定の際、さらなる確信を与えてくれます」「実際の金型製作前の解析だけでなく、既存製品の品質課題の解決にもMoldex3Dは役立ちます。弊社の顧客であるツールメーカーのなかにはまだ解析ソフトを所有していない企業もあるため、Moldex3Dを使って金型や冷却管の配置を最適化し、サイクルタイム短縮等の支援をしています。

Plazology社のプロジェクトエンジニアであるJasmin Wong氏

Jasmin Wong氏について

英国Plazology社、Project Engineer。Plazology社はヨーロッパとアジア各地のプラスチック業界トップ企業と取引を行っています。同社は、製品設計の最適化を目的とした射出成形フロー解析、金型設計、精密成型の実現と管理、金型・工程評価に特化しています。また、Jasminは先日、英国国内のMoldex3D販売元であるS4innovationより、Moldex3D Analyst Certificateを受賞しました。

事例一覧

  • ※Moldex3Dの開発元は CoreTech System Co., Ltd. です。
  • ※記載されている製品およびサービスの名称は、それぞれの所有者の商標または登録商標です。

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