CAEツールを利用したカメラレンズ筐体の真円度改善

 

顧客情報

中原大学モールドセンターは、2001年に台湾政府教育部顧問室の「精密メカトロニクス教育促進プログラム」を受けて設立されました。設立の主な目的は、モールドと成形の分野において大学の枠を超えて資源を集約し、産業界に資する人材育成および研究開発の拠点として先見的な特色ある研究所を開設し、産学連携の発展および国際交流の充実と連携の促進を図ることにあります
(出典: http://www.cycu.edu.tw)

概要

撮影の品質を高めるためには、光学カメラレンズ筐体の真円度等を適切な寸法精度にすることが重要な要素となります。本事例におけるカメラレンズの筐体には繊維強化素材が使用されており、その真円度の改善が求められていました。そのためには、各製造工程における条件の変化を検証することから着手する必要があり、中原大学のチームは、Moldex3Dを導入して製造工程の設定の最適化を行いました。Moldex3Dを用いて流動と繊維の解析を行い、反り解析の結果から製品の真円度不良を見出すとともに、この結果の精度も実験を通じて検証しました。シミュレーションの結果、モジュール温度を引き上げることで真円度が改善されるものの、ガラス繊維を添加すると、繊維の整列によって製品に不均等な収縮が生じ、真円度が低下することが明らかになりました。繊維による製品の真円度に対する影響を緩和するため、中原大学は繊維の添加量の調整および流動システム設計の修正を行うとともに、シミュレーション検証を行いました。その結果、Moldex3Dのシミュレーションを通じて最良の繊維量と流動設計を見つけ出し、製品の真円度は明らかな改善を見せました。

課題

  • カメラレンズの筐体の真円度不良により、撮影画像が変形する
  • ガラス繊維が期待通りに寸法精度の向上に寄与せず、真円度がかえって悪化した

導入ソリューション

Moldex3Dを利用して製造工程の条件の影響を探求し、その結果に基づいて製品設計を修正して真円度を改善する。

メリット

  • 各製造工程の条件が製品の真円度にどのような影響を与えるかが明らかになった
  • ゲートの位置を変更することで真円度が35%超改善した

ケーススタディ

本事例の目的は、最良の製造工程の条件の組み合わせを見つけ出すことで、カメラレンズの筐体製品(図1)の真円度を改善することにありました。Moldex3Dを利用して各製造工程の条件を最適化した後、中原大学のチームは、プラスチック中のガラス繊維の最適含有量を見つけ出す必要がありました。

improve-camera-lens-cover-roundness-through-cae-tool-1図1 本事例のカメラレンズの筐体製品

Moldex3Dを利用することで、ユーザーは、異なる製造工程の条件評価を通じて製品設計を最適化することができ、労働力とコストの浪費を防ぐことができます。本事例において、当初、プラスチックに添加するガラス繊維が製品の収縮量減少に寄与し、比較的良好な真円度を得ることができると期待していました。しかし実際には、繊維強化プラスチックを添加すると、寸法精度の向上を図れないばかりでなく、かえって逆効果になる事態がしばしば発生しました。Moldex3Dによるシミュレーションの結果から、製品の繊維がZ軸方向に整列して不均等な収縮が生じ、真円度によくない影響を与えることが明らかになりました。図2は、Moldex3Dのシミュレーション解析と実験結果を並べて比較したものであり、このふたつの間には高い一致性が見られます。また、繊維の添加によって真円度が悪化していることもわかります。

improve-camera-lens-cover-roundness-through-cae-tool-2図2 シミュレーションと実験結果の双方で繊維の添加による真円度の悪化を示す

表1は、製造工程の条件(溶融温度:290~310℃、モールド温度:100~150℃、射出速度:30~90 mm/s)ごとの検証結果を示したものです。本表から、溶融温度と射出速度は製品の真円度に大きな影響を与えていないが、モールド温度の上昇によって真円度の数値減少が顕著に低下し、製品がより真円に近づいていることがわかります。

表1 異なる製造工程条件のシミュレーション検証結果

図3は、繊維がプラスチックの流動方向と同方向(Z軸方向)に整列することを示したものです。この状況は、製品に不均等な収縮を生じさせ、真円度の数値が高くなる主な原因です。

improve-camera-lens-cover-roundness-through-cae-tool-4図3 繊維がプラスチックの流動方向と同方向(Z軸方向)に整列

製品の厚肉部分と薄肉部分が同時に充填され、製品の真円度が改善されることを期待し、中原大学のチームは、流動バランスを改善するための3つのゲートの位置の設計変更を行いました(図4)。

図4 3つのゲート位置の設計を変更

設計の変更後、表2に示す通り、PC原料の使用およびPC+30% GFの使用の双方で真円度が35%以上改善しました。

表2 ゲート設計の変更により真円度が改善

結論

中原大学は、この事例研究を通じ、カメラレンズの筐体製品にとって、プラスチックに繊維を添加しても真円度の改善につながらないことを見出しました。プロセスにおいてMoldex3Dを利用したシミュレーション解析も実験結果と大きく一致しており、今後の論文および作業の関連研究においても運用でき、引き続き本製品の流動のアンバランスの問題を最適化できます。


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