[解析事例] 流動解析の使用で3Dプリントによる開発プロセスを短縮

流動解析では一般的に生産プロセスの開始パラメータの取得や、ゲート位置／設計において起こりうる問題の評価を行います。ですが、プロトタイプの量産で使用する場合、プロセス精度よりも製品欠陥の有無が重要視され、プロセス開始パラメータのみが必要とされることがあります。

一般的な材料の場合、金型プロセスの開発だけで10回から20回のテストショットが必要となる場合があり、3Dプリント（樹脂）金型には使用寿命があることから、生産量を向上させるにはより少ないショット数で欠陥のない製品を得ることが重要となります。

Moldex3Dは、デジタル金型（Digital Tooling、DT）と樹脂成形の特性を利用することで、ナイロン66向けの欠陥のないプロセスをシミュレーションします。

• ・金型のプロセス開発時間を短縮
• ・3Dプリント（樹脂）金型による機能部品の生産量を最大化
• ・プロセスエンジニアの貴重な時間を節約

樹脂金型には使用寿命があるため、ショット回数を最大化し製品生産プロセスをこれまでの方法よりも高速化することは、恒常的な課題となっていました。

3Dプリントによる樹脂金型には、納期の短縮、設計の柔軟性向上、コストの削減など、様々なメリットがありますが、金属金型ほど高い耐久性がないといったデメリットもあります。

また、樹脂金型には数百個から数千個の部品を生産できるポテンシャルがあります。しかし、ベース材料の金型プロセス開発だけでも10回から20回のテストショットが必要となるため、一般的に一つの金型で生産できる部品は50個から300個と言われています。これは、樹脂金型で一定数の部品を生産する場合の課題です。

そこで、ここでは単一の金型から生産される機能部品の数を最大化するにはどうすればいいのか、という課題に直面したFortify社の事例をご紹介します。

Fortify社では顧客の金型の寿命予測判定に役立つショットカウンタを提供していますが、これは部品数ではなく、ショット回数のみを考慮するものです。金型の使用寿命が50ショットと予測され、欠陥のない部品を得るにはプロセス開発で20ショットが必要とされる場合、試作段階で金型寿命の50%近くを使用してしまうことになります。これは成形可能な部品数に影響を与えるだけでなく、プロセスエンジニアのプロセス開発のための貴重な時間を奪うことにもなります。

図1. Moldex3Dを使用した部品の壁厚分布

Moldex3Dは、デジタル金型（Digital Tooling, DT）と樹脂の特性を利用することで、ナイロン66向けの欠陥のないプロセスシミュレーションを可能にします。これにより、プロセス開発における10回から20回のテストショットを1回に減らし、3Dプリント金型の限られた使用寿命の中でより多くの製品を得ることが可能となりました。

図2. 異なる条件下でのキャビティ内応力の比較

Moldex3Dは部品の射出成形プロセスを正確にシミュレーションし、プロセス条件、ゲート位置、金型材料などの関連データをユーザーに提供できる高品質な流動解析ソフトウェアです。
流動解析ソフトウェアは一般的に金型設計を決定し、潜在的な欠陥、ベント、ゲート位置、プロセス条件の特定に使用されますが、プロトタイプ製造の初期段階で使用されることは稀です。

そこでFortify社は、樹脂金型の使用寿命を最大限に延ばすため、流動解析ソフトウェアを活用することにしました。Moldex3Dは成形材料、金型材料、射出成形機データを入力して完全な部品のプロセス条件を生成できます。Moldex3Dを活用することにより、Fortify社の金型チームはオペレーターに工程表を直接提供できるようになり、ファーストショットから欠陥のない部品を生産することが可能となりました。

Fortify社の成形チームはMoldex3Dのシミュレーション結果から、射出圧力、冷却時間、充填時間、保圧圧力、保圧時間を含む詳細なプロセス条件を得ることができました。これらのデータは工程表にまとめられ、Fortify社の本社プロセスエンジニアに提供されます。これにより、金型の使用寿命におけるショット数約25回と開発時間2時間が短縮され、金型技術者による良品の生産が可能になるとともに、エンジニアは他のプロジェクトに取り組むことができ、人的、物的、時間的コストの削減に大いに役立っています。