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[解析事例] 微細形状を持つ製品の流動評価

事例カテゴリ: 充填

ユニバーシティ・カレッジ・ダブリン：1854年に設立され、アイルランドで最大規模を誇る公立総合大学であり、ヨーロッパにおける研究集約型の大学の一つでもあり、大学、修士及び博士の学生に多様な研究及び革新な環境を提供しています。（出典：https://www.ucd.ie/）
天津大学：1895年に設立され、中国初の近代化された大学であり、中国近代史上初めて誕生した高等教育の総合大学です。1959年、中国の中央政府から国の重点大学に選ばれました。また、2000年には中国の「985プロジェクト」の重点拠点のハイレベル研究型大学に選ばれました。（出典：http://www.tju.edu.cn/english/）

導入企業様プロフィール

顧客名：ユニバーシティ・カレッジ・ダブリン&天津大学
国：アイルランド、中国
業種：教育
導入ソリューション：Moldex3D Advanced；Flow、Pack、Cool、Designer BLM

概要
課題
導入ソリューション
メリット
ケーススタディ
結論

概要

複雑な3Dプラスチック製品の製造は、一般的にシミュレーション技術を活用して金型設計を最適化しますが、射出成形内のマイクロスケールの流動挙動を正確に把握することは非常に困難です。このプロジェクトでは、マイクロ流路チップ方式を用いたフローサイトメーター内のキーとなる典型的な微細形状製品に対して、実現可能な微細形状の流動挙動シミュレーションアプローチの研究を行いました。また、同時に熱伝達係数、ベント、壁面滑り、固化温度などの要因の影響を検討しています。微細形状を持った2つの金型に対してパラメータ検証を行い、研究の結果から微細形状の充填不良現象を予測できることが確認されました。このプロジェクトは樹脂マイクロデバイス製造におけるマイクロスケールの射出成形、及び微細形状を有する金型に対する重要なシミュレーション事例の一つであり、今後の研究に大いに役立ちます。

課題

・マイクロサイズのキャビティ内の溶融樹脂流動挙動の把握は非常に困難。
・金型の製造前に、解析によりマイクロ形状の欠陥を予測することが困難。

導入ソリューション

Moldex3D Designer BLMを用いて特定のメッシュノードシーディングを修正します。解析プロセスでは実際のマシン応答及び物理現象（熱伝達係数、ベント、壁面滑り、固化温度を含みます）などの解析設定条件を結び付けて、マイクロ形状の流動問題を再現させる。

メリット

・微細形状部の充填不良の予測に成功

・金型製造前に設計代替案を評価することで、時間とコストを節約可能

ケーススタディ

例えば複雑な形状及び高精度を有するマイクロ流路、マイクロ光学及び機能性表面等の製品であるマイクロポリマー製品は、一般的に微細構造射出成形技術で量産されています。ユニバーシティ・カレッジ・ダブリンの研究チームは、樹脂流動解析技術を活用してある程度大きいサイズ（ミリメートル～センチメートル）の複雑な3D製品の金型設計と製造を最適化していますが、同一のシミュレーションアプローチでは、より微細なマイクロサイズの形状を持った成形品（例えばポリマーマイクロデバイスなど）では、解析精度に問題がありました。
そのため、このプロジェクトでは、マイクロ流路チップ方式を用いたフローサイトメーター内のキーとなる典型的な微細形状を持った製品における流動挙動の実現可能なシミュレーションを研究しました。
事例1のシミュレーション及び実験結果を比較したところ、ソフトウェアのデフォルト値でシミュレーションすると、実際の重要な成形欠陥（図1：充填不良）を予測できないことが分かりました。

図1　デフォルト値によるマイクロ形状の（a）充填段階シミュレーション及び（b）実験結果の比較（充填完了時の結果）

そのため、次の解析では、微細構造射出成形の品質に影響を及ぼすと思われる重要因子（熱伝達係数、ベント、壁面滑り、固化温度を含みます）を視野に入れました。また、射出圧力、フローフロント及び断面形状などの解析結果を通じて、マイクロ流路チップ方式を用いたフローサイトメーター基板のマクロポリマー流動状態を最適化し、最終的に成形現場で生じる欠陥（図2：充填不良）を予測（再現）することに成功しました。

図2　（a）オリジナル設計の充填解析終了時の様子（充填解析結果）
（b）設計変更の充填解析終了時の様子（充填解析結果）
（c）成形サイクル終了後の実験結果（充填結果）

事例2では、シミュレーションと実験結果の相違点、特に製品表面の突起形状の流動挙動をチェックする必要がありました。その突起形状はチップ内にある微細構造部であり、図3に示すようにシミュレーションした充填挙動（a）、（c）は、実験結果（b）、（d）と非常に大きな差がありました。

図3　オリジナル設計のシミュレーションと実験結果の比較（充填結果）

次に事例2における制御ファクタの最適化を行い、ショートショット現象のシミュレーション結果が実験結果と一致することを観察できました（図4）。

図4　設計を最適化した後のシミュレーションと実験結果の比較（充填結果）

結論

Moldex3Dの解析を通じて、ユニバーシティ・カレッジ・ダブリンの研究チームは、マイクロ流路チップ内のマイクロサイズの形状の充填挙動と計算パラメータの間の関連性を探り出し、また微細構造製品の充填不良現象の再現に成功しました。これにより微細形状部における充填不良の本当の原因を把握し、効果的に対策を施すことができました。仮に型製作した後で問題が発覚した場合で原因を特定出来ないとより多くの時間とコストをかけて問題を修正しなければならなくなります。