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[解析事例] 反り変形予測の定量評価に重要な粘弾性特性

事例カテゴリ: 変形

JKU（ヨハネス・ケプラー大学、Johannes Kepler Universitat Linz）は、創立約50年のオーバーエスターライヒ州最大の研究・教育機関です。現在、本大学では20,000人を超える学生が在籍しており、多様な学位プログラムが提供されています（出典：https://www.jku.at/en/）

導入企業様プロフィール

顧客名: JKU/高分子製品工学研究所（Institute of Polymer Product Engineering）
国：オーストリア
業種：教育
導入ソリューション：Moldex3D Advanced Package、 Flow、Pack、Cool、Warp、Fiber、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

製品品質を期待するレベルに押し上げ、公差ニーズを満たすには、反り変形予測が極めて重要な要素となります。繊維強化プラスチックにおいては、それがことのほか顕著に現れます。素材の粘弾性が反り変形に与える影響を考慮する重要性および応用の程度もまた一般化しつつあります。本研究では、粘弾性が反り変形解析に与える影響の研究にMoldex3Dを用いています。また、リブを含んだ実験モデルを利用して3Dスキャンを行い、検証を行うことにより、異方性を持つ繊維強化プラスチックの粘弾性挙動を確立する方法を開発しました。その結果、正確な粘弾性モデルおよび測定方法が反り変形挙動の再現に不可欠なものであることが判明しています。

課題

・製品の反り変形を解析し、実機検証を行えるシステム開発が必要
・反り変形解析における粘弾性の重要性の理解
・実際の製品において反り変形を低減させる方法の研究

導入ソリューション

Moldex3Dを利用して完全な非定常冷却解析を行い、標準の反り変形および粘弾性を考慮した反り変形ソルバーを通じて反り変形予測値を入手します。その上でGOM社製のATOS Triple Scan IIIを使って3Dスキャンを行い、解析の反り予測結果を比較・検証します。

メリット

・粘弾性オプションを導入することにより、製品の最大反り変形予測の精度が繊維を含まない素材で520 %、繊維を含む素材で78 %の上昇

・反り変形に影響を及ぼす重要な因子を判別

・試行錯誤法の開発コストの削減

ケーススタディ

本プロジェクトは、Moldex3D本社でのインターンシップ経験を持つ博士課程学生・Philipp Siegfried Stelzer氏、JKU高分子製品工学研究所・Major教授およびポリプラスチック株式会社ドイツ法人（Polyplastics Europe GmbH）の共同研究により行われました。
製品品質の確保には正確な反り変形予測が求められます。反り変形予測の傾向および値を正確にシミュレーションするため、まず材料特性を把握しなければなりません。すなわち、本プロジェクトの目的は、材料の粘弾性が反り変形予測に与える影響を検証することにありました。
ベンチマークテストにおいて、純ポリブチレンテレフタラート（PBT）およびガラス短繊維を30 %含んだPBTの2種類の材料を使用しました。本プロジェクトでは、材料の熱流動性および機械的性質を把握するため、材料の測定も行いました。これらはいずれもMoldex3Dでシミュレーションを行うときに必要な情報です。続いて動的機械分析（DMA）を行い、プロニー級数を用いてフィットさせて粘弾性モデルのマスターカーブを作成しました。このベンチマークテストに用いたパーツは、射出成形の板形状モデルであり、ATOS Triple Scan IIIを使用して3Dスキャンを行って変形解析結果を検証しました。
シミュレーションにおいて、Moldex3D BLMメッシュをモデルの作成に使用し、コールドランナーおよび冷却回路は実物どおりに作成しました。また、モデル内に21個の測定ノードを設け、Z方向の反り変形値の検証を行いました（図1）。

図1　テストコンポーネントのシミュレーションモデル

さらに、Moldex3Dの標準の反り変形モジュールを用いて非定常冷却解析（Ct-F-P-Ct-W）を行うとともに、エンハンスド反り変形ソルバーを使用して変形挙動を予測しました。最初に標準的な反り変形ソルバーを使用して純PBTのシミュレーションを行ったところ、粘弾性を考慮していないため、製品の反り変形傾向を正確に予測できませんでした。そこで粘弾性を考慮したエンハンスド反り変形ソルバーを使用すると、より実成形に近い反り変形結果の再現に成功しました。他方、繊維強化プラスチックを含んだものについては、標準的な反り変形ソルバーおよびエンハンスド反り変形ソルバーのいずれにおいても正確な反り変形現象を予測できました。その理由は、流動特性による繊維配向が異方性材料特性を生み出し、反り変形挙動の最大要因になったことにあります（図2）。また、更に粘弾性を考慮した場合は、そのZ方向変形の絶対値が更に実物の結果に近づくことも明らかになりました（図3）。

図2　繊維強化プラスチックの異方性