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[解析事例] 設計最適化によるそり変形問題の解消

事例カテゴリ: 変形／最適化

設計最適化による自動車ルーフカートリッジ部品のそり変形問題の改善事例

Moldex3D技術サポートチーム　エンジニア　賀資閔

Shape社は衝突エネルギー管理システムと高度なロール成形技術の分野での世界的パイオニアで、北米エリアで最も有名な自動車バンパーメーカーです。同社はオフィス家具、農業、ヘルスケア業界にもその製品とサービスを提供しています。Shape社は設計、テスト試作から生産、その他サービスまでをワンストップで提供する世界で唯一のバンパーシステムサプライヤーであり、変化し続ける世界市場に、革新的で軽量、高品質なコストパフォーマンスに優れたソリューションを提供しています。
（出典）

導入企業様プロフィール

顧客名：NetShape / Shape Corp
国：インド
業種：自動車
導入ソリューション：Moldex3D Professional、Designer BLM、Fiber

概要
課題
導入ソリューション
成果
ケーススタディ
結論

概要

自動車部品には軽量化が求められているため、自動車メーカーではスチール製部品の多くがプラスチック製部品に置き換えられていますが、プラスチック製部品には、寸法と厚みによって生じるそり変形という大きな問題があります。そこで、Shape社はそり変形を抑えるために、変形反転技法に基づくプロセスと方法を用いて部品の再設計を行いました。Moldex3D ソリューションでは、ソフトウェアからそり量を反転させたモデルをエクスポートして、そり変形を予測、解消することができるため、金型メーカーは金型の回避不可能な変形の補正が可能となります。Shape社の製品を図1に示します。

図1. ルーフカートリッジ部品

課題

・そり変形と部品組み立て時のギャップ公差の低減
・形状のそり変形が許容範囲を超えている

導入ソリューション

部品の変更に制限があり、そり変形を低減できる範囲が限られていることから、Shape社では全体のそり変形を抑えるために、部品をあらかじめ一定の割合で反対方向に変形させておくという方法をとりました。

成果

・成形機のトン数を低減
・組み立て時の問題を回避
・そり変形の低減
・全体的な生産能力の向上

ケーススタディ

本事例では、自動車ルーフカートリッジ部品のそり変形の問題を解消することを主な目的としています。この製品は完成品の寸法精度に特定の要件があり、複数箇所で他の部品と組み合わせる必要があります（図2参照）。

図2. 完成品組立図

まず、元の設計では、Z方向変位のそり変形結果は、正の方向に約 8mm、負の方向に約 14mm のそり変形が確認されました。総変位のそり変形は約 2.52mm から 15.20mm となっています（図3参照）。エクスポートしたそり変形シミュレーションモデルを Rhino（CAD）で交差検証したところ、元の CAD モデルとそり変形シミュレーションモデルとの距離は約 14.35mm となりました（図4参照）。

図3. 元の設計の総変位

図4. 元の CAD モデルとそり変形シミュレーションモデルの比較

次に、Moldex3D のそり変形解析結果に基づき、そり変形を反転させる方法で金型を補正して形状の設計変更を行い、そり変形問題を修正しました。手順は次のとおりとなります。

1. Moldex3D で変形後のモデルをエクスポート
2. Inceptra ソフトウェアで STL ファイルを STEP ファイルに変換
3. Inceptra でそり変形方向を反転させたモデルをエクスポート（図5参照）
4. Moldex3D で同じ成形条件で解析を実行

図6に示すように、変形反転モデルの解析結果では、総変位のそり変形は約 2.19～12.85mm で、元のモデルのそり変形の傾向や変形量とほぼ同様となっています。

図5. 緑色の部分は Moldex3D からエクスポートされたそり変形モデル、青色の部分は変形反転モデル

図6. 変形反転設計の総変位（倍率2倍）

最後に、モデルをエクスポートし、元の変形モデルと変形反転モデルのそり変形前後を重ね合わせました。図7に示すように、黄色は元の部品モデル、緑色はそり変形シミュレーションモデル、青色はシミュレーションを利用した変形反転モデル、紫色は変形反転モデルのシミュレーション結果です。実際のプロセスにおいても変形反転技法を用いることで製品のそり変形の問題を解消し、変形量を 18mm から 3mm に低減できました（図8参照）。
また、シミュレーションと実際の製品との検証比較を行ったところ、実際の製品のエアトラップ、メルトフロントがシミュレーション結果と非常に近いことが確認できました（図9参照）。

図7. 元の設計と変形反転モデルのそり変形前後の比較

図8. 元の設計と変形反転技法によるそり変形の比較

図9. シミュレーションと実際の製品との比較（a）メルトフロント、（b）エアトラップ

結論

Shape社では Moldex3D のシミュレーション結果を利用することで、部品の全体的なそり変形を検出、低減させ、設計基準を満たすことができました。検証、調査により、Shape社はファーストトライ（T0）で基準を満たす部品の生産が可能となり、金型やツールの再加工によって生じる時間とコストを大幅に削減できました。