コストと時間の節約戦略 ―Moldex3Dを活用し、さらに進んだ製品の設計と最適化を

 

顧客情報
Shape Corporation

Shape Engineering Servicesは、衝撃エネルギー制御システムにおけるグローバルリーダーであるNet Shape Engineering LLC/ Shape Corp., の子会社です。アメリカ合衆国ミシガン州グランドヘーブンに本社を置くShape Corp.は、プラスチックおよび金属成形の設計からエンジニアリング、試験、製造までを担うフルサービスサプライヤーで、北米はもちろんヨーロッパやアジアにも多くの顧客を持つ企業です。 なかでも、高度先進ロール成形と射出成形においてはパイオニアと言える存在です。 Shapeはこの専門技術をエネルギー制御システムに生かし、さらに自動車、オフィス家具、医療、農業 など、多種多様な分野に参入しています。(出典: www.shapecorp.com)
cost-and-time-saving-strategies-using-moldex3d-to-make-better-decisions-on-product-design-and-optimization-1車両のホイール上部に取り付ける保護部品のフェンダーは、
高速衝突時および小石や砂などの異物から車両を保護する役割をもっています。

概要

今回ご紹介するのは、Moldex3Dの動車部品(フェンダー)への活用です。 フェンダーは自動車業界で非常に幅広く利用されている保護パーツで、自動車に限らず様々な車両に取り入れられています。 基本的にホイール上部に取り付けられるフェンダーは、高速衝突時および小石や砂などの異物から車両を保護する役割を担います。 工程の解析にはShellでメッシュを作成したモデルを使用し、 ウェルドラインの最小化と部品全体のフローパターンの安定化を目指した部品形状の設計変更には、フローリーダーの板厚と配置の変更で対応しました。 さらに、自動車業界は軽量化のために部品をより薄く、軽くする方向に進んでいますが、同時に部品の耐久性を維持しなくてはなりません。 この場合、フローリーダーの厚みを変えてバルブゲートシステムを利用し、部品の複数箇所にシステムを配置して充填パターンを最適化します。 また、エアトラップや重量の削減も行います。 工程の解析にあたっては、Shellでメッシュを作成したモデルを使用して、ウェルドラインの最小化と部品全体のフローパターン安定化のためにフローリーダーの位置と板厚をさまざまに変更しました。 これにより、複数回の設計変更も可能となったのです。Moldex3Dでの複数の解析実行を経て最適化された充填方法は、最終的な部品形状に反映されました。 Shape社のエンジニアリングチームはMoldex3D eDesignを活用して3Dメッシュを作成し、Shellを用いた場合の結果と3Dの結果を比較しました。 その結果、Moldex3D Shellの解析結果がもつ高い信頼性が確認できたため、短時間での設計変更が可能となりました。 さらに、Moldex3D eDesignの3Dメッシュ解析で、正確で現実に即した最終的な設計を金型の作成前に確認することも可能となりました。

課題

部品設計および金型設計段階において、さまざまな課題が持ち上がりました。

  • 理想的なバルブゲート設計によるフローバランスの向上
  • 部品重量を要求される範囲内に抑えながらも、確実に充填されるようなフローリーダーの確立
  • 超過重量の低減による指定重量への適合
  • 金型試作回数の削減と金型再製作の回避

                             cost-and-time-saving-strategies-using-moldex3d-to-make-better-decisions-on-product-design-and-optimization-2cost-and-time-saving-strategies-using-moldex3d-to-make-better-decisions-on-product-design-and-optimization-3
                                      メルトフロント(時間) -75%                メルトフロント(時間) – 100%

メルトフロント(時間) -75% (左): 部品の強度不足につながるエアトラップおよびウェルドライン(赤色) 
メルトフロント(時間) -100% (右): 部品左側の充填に続いて右側を充填 部品右側にはショートショットの問題を確認

ソリューション

課題を克服し、最初のゴールにたどり着くまでに、ゲート数、ゲート位置、フローリーダーの位置、厚み変更などの条件を変えて幾度も充填解析を行いました。 しかし、充填解析に与えられた時間はわずか2週間であったため、短期間で結果を出すことが求められていました。Shape社は、リモート計算を使ってMoldex3D Shell メッシュ解析を構築、実行しました。 そのため、技術打ち合わせの合間に次の計算を流すことも可能となりました。 ワークフローが大きく改善されたことにより、Shape社は、限られた時間の中で迅速に理想的な充填シナリオに到達しました。 続いて、Moldex3D eDesign 3D解析を使って最終設計の評価を行いました。 3D解析計算の結果は、実際の金型を使ったトライアルの結果と高い精度で合致していました。

ケーススタディ

まず、Shape社は基本的なゲート位置を使って解析を行い、基準となるフローパターン、必要な圧力および重量を導き出しました。 この解析には、メッシュ品質を下げて計算を高速化するMoldex3Dのオプションを利用し、さらに8個のCPUをフル活用したことで解析は短期間で完了しました。 続いて、初期解析の結果から、Shape社はゲート位置とゲート個数を調整しました。 重量に制限があったため、フローリーダーの使用なしには理想的な充填シナリオをそのまま適用することはかないませんでした。 フローリーダーに関する各調整は、Shape社の技術者が提案し、同社技術チームと顧客の承認を得て行われました。

また、開発工程全体の期間を大幅に短縮する必要に迫られたShape社の技術者チームは、モデルをShell要素に切り替えました。 これにより、迅速に結果を取得し、かつ、1回の変更につき20回の反復計算を必要とするフローリーダーの変更に対応する時間もねん出しました。 全ての要件を満たす結果が得られるまで、ゲート位置の変更やフローリーダーの板厚調整と位置変更を繰返し行いました。 そしてついに、2000トン以下という要件を満たしながら、部品左右の充填所要時間の差がわずか0.2秒に短縮され、ほぼ同時に充填が終了する方法を見出しました。 また、エアトラップも管理可能な範囲に収め、フィードに使用する外部ランナーの数を可能な限り少なくすることでポストプロセスの作業回数を抑えることに成功しました。

cost-and-time-saving-strategies-using-moldex3d-to-make-better-decisions-on-product-design-and-optimization-4Moldex3D Shellメッシュを使用したことで、Shape社は元のパーツの解析実行後に、フローリーダーの追加やパーツの輪郭を移動するなどの必要とされる改良を行い、非常に短期間で理想的な結果を得ました。

Shape社の技術者チームは解析結果を部品設計担当者に伝え、部品の最終設計で考慮すべき点をフィードバックしました。 設計担当から最終設計を受け取ると、技術者チームはMoldex3D eDesign 3Dを使って最終設計を解析しました。 同時に、元のShellモデルと実際の金型による実験結果とクロスチェックを行ったところ、Shellモデルによる解析結果と、3Dモデルによる解析結果は実際の金型を非常に精度よく反映していました。

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cost-and-time-saving-strategies-using-moldex3d-to-make-better-decisions-on-product-design-and-optimization-6解析結果は、フローパターン、圧力、重量など多くの点で実際の金型部品と合致していました。

メリット

Moldex3D Shell および3Dモデル解析を使用することで、Shape社は理想的なフローパターンに到達することができ、ゲート数とゲート位置を最適化しました。 加えて、重量の低減も可能にしました。 このようにして、Shape社は金型変更または修正にかかったであろう莫大な費用の削減に成功したのです。

項目 内容
費用合計 設計改良にあたり、充填解析で確認された問題の解決に要すると見込まれた金型試作の回数について、約6回分を削減。および、ベースライン解析のパラメーター決定。
削減費用小計 =$1200 USD * 6 = $7,200 USD
人件費 従来の部品製造では充填不良修正のためトリミング作業を要した。また、1回のショットにつき2名の工員を必要とした。今回はトリミング作業が不要となり、1回のショットにつき1名の工員で作業が可能であった。
工員1名* $20 (時給換算) * 1650 時間 (実績) = $33,000 USD
金型修正費用 Moldex3Dを用いた設計変更・最適化により、充填時の問題解決に要する2~3回のホットランナーの移動およびゲート位置の変更工程が不要となった。この工程は2キャビティにつき$10,000 USDを見積もられる。
修正作業の回避= $10,000 * 3 * 2 = $60,000
想定される費用の差額(推定) $7200 + $33,000 + $60,000 = $100,200 USD

さらに、Moldex3D の計算パラメーターオプション(マルチコア、リモート計算、高速解析)のおかげで、Shape社は迅速かつ効率的に解析結果を得ることができました。 フロー結果が手元にあるため、Shape社の顧客による部品設計の適宜変更が可能となったばかりか、Shape社による金型製作も期間内に完了しました。 金型製作後のトライアル時に、実際の部品から充填を実施したところ、その結果がMoldex3Dの解析による予測とぴたりと一致しました。 顧客を含むチーム全体がこの前向きな結果と期間短縮の成果に満足しました。

Moldex3D CAEツールなしには、Shape社が製作コストを大きく削減しながら最高の品質の製品を顧客に届けることは不可能だったでしょう。 Moldex3Dの解析技術によって、Shape社は製作コストの削減と最良の製品の製作を同時に成功させたのです。 この事例は、製品設計における決定と、複雑かつ困難な設計・生産上の問題解決に向けた最適化において、Moldex3Dの解析がいかにしてユーザーの力となったかを示す良い例です。


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