樹脂流動解析

流動解析とは

流動解析とは、射出成形機から金型内に射出された樹脂の充填挙動を解析することです。
製品設計や金型仕様設計においてプラスチック製品の解析では一般的な解析であり、流動パターン・樹脂圧力分布・樹脂温度分布・ウェルドライン発生位置等の予測が可能です。得られた結果から、成形可否の予測や金型を製作する際の事前検討が可能です。

● 樹脂流動解析（Moldflow）用のデータ取得に関しては、こちらをご覧ください

流動解析詳細

樹脂流動解析において、充填保圧解析と充填保圧反り解析は、射出成形工程における重要なシミュレーションです。

充填保圧解析

充填保圧解析は、樹脂が金型内にどのように流れ込むか（充填過程）と、その後の保圧段階（保持圧力をかけて樹脂の収縮を抑える）をシミュレーションする解析です。具体的には、以下のポイントに着目します。

充填解析：樹脂が射出され、金型内部のキャビティ（成形品の形状を決定する空間）にどのように充填されるかをシミュレーションします。樹脂の流れ方、流動速度、温度分布、圧力分布などから成形可否判断や成形条件の最適化を実施します。
保圧解析：充填が完了した後、樹脂が冷却され収縮するのを補正するために保圧をかける過程をシミュレーションします。ヒケやボイド、ショートショットの有無を確認します。
冷却解析：熱伝導と熱伝達による金型内での冷却挙動をシミュレーションします。金型表面温度や樹脂温度分布を計算し、冷却回路の配置や冷媒の温度を検討します。充填保圧解析との連成が可能です。

充填保圧反り解析

充填保圧反り解析は、上述の充填保圧解析に加えて、成形品が冷却される過程で発生する反りを解析するものです。射出成形後、樹脂が冷却・固化される際、収縮が不均一になることで生じる反りや変形をシミュレーションします。

反り解析：充填、保圧、冷却解析の結果を基に金型離型後の成形品の収縮・反り変形を予測します。冷却差・収縮差・配向差の3つの要因に反りの原因を分類でき、原因を特定してゲート位置の変更や成形条件の変更といった解決策を検討します。

流動解析事例-1

ゲート位置最適化

自動車部品のオイルパンを模したモデルで、フランジ部の反り変形が抑えられるようなゲート位置最適化を行いました。フランジに沿って樹脂が流れるようにすることで、繊維の配向度が高まり、剛性があがります。解析によって得られた反り変形量と実際の反り変形量を比較したところ、ほぼ一致することが確認できました。

詳細は、CAE解析事例紹介「反り解析精度検証」をご覧ください。

解析事例-2

「反り」と「ガラス繊維配向」の予測精度検証

自動車部品のリアメンバーを模したモデル（図3）で、反りとガラス繊維配向の予測精度の検証を行いました。本検証では、レオナ™14G35（PA66、GF35%）を用いました。実際の成形条件を図4に示します。流動解析でもこちらの条件を入力しました。
実際の成形条件を解析に反映させることで、より良い解析を実施することができます。

反りの予測精度検証

反りの評価には、製品上に設けた測定位置のZ軸方向の変位量を用いました。図5（左）のように外周のリブに20か所測定位置を設け、更に基準面の設定に必要なアンカーポイントを6番、13番、19番に設定しました。実製品の結果には三次元測定装置で測定した結果を用いました。解析結果には、Autodesk社のMoldflowから図5（右）のようにZ方向の変位量を出力した結果を用いて比較しました。

図6に実験結果と解析結果を併せて示しますが、変位量はよく一致しており、解析により実際の反りが予測できたといえます。

ガラス繊維配向の予測精度検証

本検証で用いた材料のように、ガラス繊維を含む繊維強化樹脂の場合は繊維配向が製品の性能に大きな影響を与える可能性があり、その配向を考慮することが重要です。繊維配向情報を知るために流動解析で繊維配向テンソルの出力をします。繊維配向テンソルの評価には、製品の中央やや下寄りに設定した測定位置を用いました（図7左）。

図9　測定箇所と光学顕微鏡で観察した断面像の例
（画像右の数値は断面深さ方向の測定位置(%)を示す）

繊維配向テンソルとは、繊維の方向の確率分布（0～1）のことです。Moldflowでは、繊維配向テンソルを流動方向、流動直交方向、厚み方向の3軸で評価し、それぞれa11方向、a22方向、a33方向と呼びます。テンソル値が大きくなる(1に近づく)につれ、各軸方向に繊維が揃っていることを意味します。例として、図8にa11方向の繊維配向テンソル結果を示します。
繊維配向テンソルの実測値は、図7（右）のように測定位置の製品断面を光学顕微鏡などで観察し、その画像から独自の手法で算出しました。この際、成形品の厚み方向に5%ごとに区切って繊維配向テンソルを算出しました。図9に示すように、得られた実測値（実線）と解析値（破線）はよく一致しており、解析により実際の繊維配向テンソルが予測できたといえます。図7（右）や図9からわかるように、成形品表面（測定位置：70-90%）では流動方向（a11）に揃っているガラス繊維が多いのに対し、中央（測定位置40-60%）では、直交方向（a22）に向くガラス繊維が増え、ばらついていることがわかります。