[解析事例] BASF、デザイン変更を行わずにガスアシスト成形の椅子製品を最適化

本事例において、BASF社は、Moldex3Dを利用してガスアシスト成形によって製造されるデザイナーズチェアのシミュレーションを行いました。BASF社が直面している課題は、座席および背もたれ部分に出現するガスフィンガリング現象です。この問題は、荷重をかけたときに構造破壊を招くおそれがあることです。本製品は、デザイナーズチェアであるため、金型はすでに存在し、またデザインの変更も行うことができません。以上の理由により、椅子が荷重条件を満たすには、製造工程パラメータの最適化を行うほかありませんでした。

当初の設計に対する解析により、ガスアシストに変更した場合、製品の厚い部分と薄い部分の中心点の温度差が2°C未満であるという結果が示されました（図1）。つまり、薄い部分と厚い部分の流動抵抗が近い値を示しており、そのためにガスが薄い部分に進入しやすくなっていました（フィンガリング効果の発生）。裏を返せば、2つの部分の温度差が大きい場合、ガスは薄い部分に進入しません。そのため、ガス遅延時間、充填時間および保圧時間を長くすることにより、製造工程を最適化させられることが判明しました。

図1　中心点温度のシミュレーション結果

BASF社は、充填時間を6秒に延長、保圧時間を10秒に延長、ガス遅延時間を15秒に延長など、様々な組み合わせで製造工程の最適化を試みました。図2は、パラメータ最適化後のシミュレーション結果であり、ガスコアを許容されたエリアに限定させることに成功したことを示しています。

図2　パラメータ最適化前後のガスコアシミュレーション結果

設定の最適化を行った後、厚い部分と薄い部分の中心点の温度差が7〜10°Cになりました（図3）。これは、ガスが薄い部分に進入せず、流動抵抗が小さい高温（厚い）部分で流動すること意味しています。

図3　設定最適化前後の中心温度の差

Moldex3Dは、解析結果を有限要素法（FEM）解析ソフトウェアにエクスポートして構造解析を行うことができます。本事例において、BASF社は、Moldex3Dの解析結果で製造された椅子の検証を行い、構造解析ソフトウェアのAbaqusにインポートした結果、従来の設定条件下では要求を満たしていませんでした。図4は、椅子に構造破壊を起こすまで力を加えた状況を示したものであり、設定を最適化した後、耐荷重が当初の設定よりも60％増加したことを示しています。そのほか、設定を最適化した後の椅子は、荷重による変形の幅が当初の設定よりも11.5％大きくなっています。

図4　Abaqusを利用した製品の変位量および荷重の比較