HRS解析:マルチキャビティ金型の解析時間短縮とコスト削減

近年、樹脂射出成形では樹脂パーツの製造効率向上のためホットランナーシステムの普及が進んでいます。同時にマルチキャビティ金型設計を使用することで、ホットランナーシステムの導入により製造時の消費エネルギーと使用材料の削減が可能です。ホットランナーシステムは従来のコールドランナーより単価が高額であるものの、大量生産において全体のコストを効率的に抑えるため、投資利益率が向上するというメリットがあります。たとえば、カプセル、化粧品容器などの大量生産が必要な製品では、すでにホットランナーシステムが広く用いられています。ニーズの拡大に対応するため、多くのメーカーがホットノズルの追加により生産効率の向上を図っています。一般的に、ホットランナーシステムデザインの検証は、せん断発熱と流動バランス予測を行う3Dモールドフロー解析を使用して行います。従来の解析技術では、シングルキャビティよりもメッシュモデルの規模が大きくなるマルチキャビティデザインの解析には、解析時間を含む効率面での問題がありました。そのため、対称設定やハイブリッドメッシュの手動構築などの方法で解析時間を短縮していましたが、多数のモールドキャビティを用いる場合には(64個以上など)解析時間短縮の効果に限りがありました。

Moldex3Dは現在、ランナー直径や長さ、ランナーバランス、圧力低下、遅延時間などのホットランナー設計の検証に用いられおり、また、Moldex3D Advanced Hot Runner(AHR)解析モジュールではさらに詳細な解析が可能です。Moldex3Dの最新版R14に実装されたホットランナー定常解析(HRS)機能は、解析時間の大幅な短縮を可能にします。HRS解析を使用することで、解析時間を従来の1/20に短縮させることができます。

utilizing-hot-runner-steady-analysis-to-obtain-multi-cavity-simulation-analysis-in-the-shortest-possible-time-1Fig. 1 Moldex3DのHRS解析設定画面

Moldex3Dでは、ホットランナーのレイアウトに基づいてHRS解析を実行し、各ゲートにおける流速などの流動挙動の理解に有用な情報(Fig. 2)を取得します。HRS解析によって流動バランスの問題を早期に発見できるため、設計の初期段階でホットランナーデザイン全体の最適化が可能です。

utilizing-hot-runner-steady-analysis-to-obtain-multi-cavity-simulation-analysis-in-the-shortest-possible-time-2Fig. 2 HRS解析結果

Fig. 3は8個のホットノズルをもつホットランナーシステムです。HRS解析を使用した場合のホットランナー解析は8分(CPU時間)で完了しますが、従来の充填解析を行った場合には2.6時間を要します。Table 1に示すように、HRS解析の計算時間は従来の充填解析の1/20です。また、圧力低下の解析結果はHRS解析で39.90 MPa、通常の充填解析で39.72MPaとなっており、差は1 MPa未満とごくわずかです。

utilizing-hot-runner-steady-analysis-to-obtain-multi-cavity-simulation-analysis-in-the-shortest-possible-time-3Fig. 3 8個のホットノズルを有するホットランナーの例
解析タイプ 充填解析 HRS解析
要素総数
(計算中に考慮)
4,989,856
(ホットランナーランナー
+ 8個のキャビティ)
1,024,320
(ホットランナーランナーのみ)
解析時間 157 min 8 min
ホットランナー圧力低下  utilizing-hot-runner-steady-analysis-to-obtain-multi-cavity-simulation-analysis-in-the-shortest-possible-time-4  utilizing-hot-runner-steady-analysis-to-obtain-multi-cavity-simulation-analysis-in-the-shortest-possible-time-5
39.72 MPa 39.90 MPa
Table 1 充填解析とHRS解析の比較:要素数とCPU時間

このように、HRS解析の利用により、Moldex3DのTrue 3D解析がもつ精度と計算処理(CPU)時間の短縮という2つのメリットが得られます。開発期間が限られるなかでもより多くの設計変更が可能となり、ホットランナーシステムの開発時間の短縮、さらに金型の製造や材料のコスト削減にもつながります。


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