[解析事例] 反り変形予測の定量評価に重要な粘弾性特性

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

図3　2種類のPBT材料の反り変形予測検証結果