論 文
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(2) 筆 者 ら は,ポ リ ア ミ ド6(PA6)を 象 と し て,そ. 用 いた射 出成 形品 を対. り変 形 挙 動 を 予 測 す る 数 値 解 析 方 法 を 検. 2.2ガ. ラス繊維 の配向観察 方法. 成 形 品 の 繊 維 配 向 は,試 験 片 の 断 面 を研 磨 器 に よっ て 研. 討11〜'3)し,繊維 配 向 の 考 慮 に よ っ て 実 際 の 成 形 品 の そ り変. 磨 し,実 体 顕 微 鏡(SMZ‑100E:ニ. 形 挙 動 を再 現 す るモ デ ル の 構 築 を試 み る こ と で,繊 維 配 向. 表 面 か ら裏 面 ま で の 問 を連 続 的 に写 真 撮 影 を行 っ た.観 察. とそ り変 形 の 関 係 に つ い て 考 察 を行 っ て き た.そ の 結 果,. 位 置 は,繊 維 配 向 の 層 構 造 に つ い て検 討 が 容 易 に行 え る 成. ガ ラ ス 繊 維 強 化 の 樹 脂 に お け る そ り変 形 挙 動 は,繊 維 配 向. 形 品 の 中央 部 と した.ま. の 影 響 を大 き く受 け る こ とが 確 認 され た.し か し,実 際 の 射. 関 係 に つ い て 検 討 す る た め,7=30wt%の 成 形 品 で は, ゲ ー トか らの 距 離 が 異 な る位 置 につ い て 観 察 を行 っ た.. 出 成 形 に お い て は,成 形 品 の 形 状 や樹 脂 に 配 合 さ れ る ガ ラ ス 繊 維 の 重 量 比 率 な ど様 々 な 状 況 が存 在 し,そ. り変 形 挙 動. は 複 雑 さ を増 して お り,こ れ ま で の 研 究 で は,こ れ らの 挙 動 に対 して 詳 細 な検 討 を行 っ た 例 は少 な い と思 わ れ る. 本 報 で は,ガ. ラ ス繊 維 強 化 のPA6を. 2.3線. 使 用 して. た,樹 脂 の流 動 距 離 と繊 維 配 向 の. 膨 張係数 の測定方 法. 線 膨 張 係 数 を 測 定 す る 位 置 は,前 述 と同 じ成 形 品 の 中央 部 と した.な. 使用 した成形 品 を. コ ン製)を. お,試 験 片 は樹 脂 の 再 結 晶化 の 防 止 と試 験 片. 内 部 で の 結 晶 化 度 の 分 布 を 除 去 す る た め,100℃. の環境 下. 対 象 と し,繊 維 の重 量 分 率 と成 形 品 の 肉 厚 を 変 化 させ た 場. で24hの. 合 にお い て,成 形 品 断 面 を観 察 す る こ と に よ り繊 維 配 向 の. に 吸 湿 しな い 環 境 で 保 存 した.線 膨 張 係 数 は,熱 応 力 ひ ず. 熱 処 理 を行 い,そ. 層構 造 につ い て 考 察 を行 っ た.ま た,こ れ ら の部 分 にお い て. み 測 定 装 置(TMA/SS:セ. 各 方 向 の 線 膨 張 係 数 の 測 定 を行 い,成 形 品 の 異 方 性 につ い. 用 い,試. て検 討 した.さ らに,配 向 状 態 と線 膨 張 係 数 の 実 測 結 果 か ら. て垂 直 方 向),Y方. そ り変 形 予 測 の 数 値 解 析 にお け る ガ ラ ス繊 維 配 向 モ デ ル の. Z方 向(厚. 構 築 を行 い,リ ブ 付 平 版 にお け る そ り変 形 挙 動 の 肉 厚 依 存. た.温. 性 に 対 し,数 値 解 析 結 果 と実 験 結 果 の 比 較 に よ り,配 向 モ. で の 範 囲 で 測 定 し た.. デ ル の 適 合 性 を検 討 した.以 下,そ の 結 果 に つ い て報 告 す る. 2.実 2.1試. 験 方 法. 洋 紡 績 製). ガ ラ ス 繊 維 を 重 量 分 率IZ=0〜. 複 合 させ た樹 脂 で あ る.成 形 品 は,図1に. よ う に,寸 法 が 縦100mm,横100mmの. mm)で,射. ー ト幅4mm,ベ. 三種 類 に 変 更 で きる よ ー ス 厚 さ1.5mm,ラ. 出 成 形 機i(IS‑100E:東. を行 っ た.成 形 条 件 は,ジ. 示す. 平 板(Type‑A). うに 入 れ 子 方 式 の 金 型 を使 用 した.金 型 は,サ 方 式(ゲ. 向(樹. 脂 流 動 方 向 に対 し. 脂 流 動 方 向 に対 して 平 行 方 向),. さ 方 向)に つ い て,αx,α γ,αzの 測 定 を 行 っ 昇 温 速 度 で,30〜120℃. 芝 製)に. イ ドゲ ー ト. ま. り量 の 測 定 方 法 樹 脂 を使 用. 示 す よ う に リ ブ 厚 さ7}=2mm,ベ. ハ=2,3,4mmの. で あ り,厚 さ7》=2,3,4mmの. 向(樹. 度 条 件 は,10℃/minの. し,図2に 験片. に,直 径1.3×10‑2mmの. 示 すX方. そ り量 を 測 定 し た 成 形 品 は,y=30wt%の. 本 研 究 に使 用 し た材 料 は,PA6(T‑803:東 60wt%で. の デ シケ ー ター中. イ コー イ ンス ッ ル メ ン ッ製)を. 験 片 の 図1に. 2.4そ. の 後,23℃. ース厚 さ. 三種 類 の リブ 付 平 板(Type‑B)で,Type‑. Aの 金 型 に お い て 移 動 側 金 型 の 入 れ 子 を 取 り替 え て 同 一 の 射 出成 形 機,成. 形 条 件 で作 製 した.な. 寸 法 バ ラ ツキ を な くす た め,移 動 側,固 安 定 す る 成 形 開始 か ら10シ プ リ ン グ した.ま. お,シ. ョ ッ ト問 の. 定側 の金型温 度が. ョ ッ ト 目以 降 を 連 続 的 に サ ン. た,成 形 品 は,吸 湿 を 避 け る た め 防湿 袋. 中 に て保 管 し て48h以. 上 経 過 し た 後,そ. り変 形 挙 動 を測. ン ド長2 取付 け成形. Table. 1. Experimental. conditions. ェ ッテ ィ ン グ な どの 成 形 不 良 が. 発 生 し な い よ う に 配 慮 し て,表1に 示 す よ うな射 出圧 力 38MPa,保 圧 力40MPa,シ リ ン ダ ー 温 度280℃,金 型温 度60℃,射 出 時 間8s,冷 却 時 間20sで 上 の 成 形 品 か ら縦10mm,横10mmの. 成 形 を 行 っ た.以 寸法 で ダイヤ モ ン. ドカ ッ ター を使 用 して 切 出 し,繊 維 配 向 観 察 と線 膨 張 係 数 測 定 用 の試 験 片 を作 製 した.. Fig. 1 Dimensions of test specimen (Type-A) Seikei-Kakou. Vol. 13. No. 6. 2001. Fig. 2. Dimensions. of test specimen. (Type-B) 401.
(3) 定 し た.そ. り量 の 測 定 は,三. と平 行 で な い ガ ラ ス 繊 維 が 多 く存 在 し,三 次 元 的 な配 向状. 次 元 測 定 器(GEOPAC:三. 豊 製)を 用 い,リ ブ を下 に した 状 態 で ベ ー ス 面 のZ方. 向の. 態 も確 認 され た.樹 脂 流 動 方 向 に 強 く配 向 す る 層 を ス キ ン. 高 さ につ い て 計 測 し,両 端 の平 均 値 か ら中 央 部 の 値 を減 じ. 層 と考 え る場 合,成. た 量 を プ ラ ス 側 の そ り量 と し て,X方. ス キ ン/コ ア/ス キ ンの 三 層 構 造 に お お よ そ 分 布 す る こ とが. て,ゲ. 向 とY方. 向 につ い. ー トか ら異 な る位 置 に つ い て 三 箇 所 の 測 定 を 行 っ た。 3.実. 3.1繊. 確 認 され た. 図5に. 験 結 果. 形 品 の 繊 維 配 向 は 全 て の 肉 厚 の場 合 で. 示 す 断 面 写 真 は,T6=2mmの. 10,20,30,50wt%の. 成 形 品 でV:. 場 合 を比 較 した も の で あ る.同. 図. よ り,ガ ラ ス 繊 維 の重 量 比 率 が 増 加 す る に した が って,樹. 維 配向状態. 成 形 品 にお い て ガ ラ ス 繊 維 が 層構 造 を示 す 代 表 的 な例 に つ い て,断 面 の 観 察 位 置 お よ び 方 向 を模 式 的 に 表 わ した も. 脂 流 動 方 向 に 対 して垂 直 方 向 に配 向す る ガ ラ ス 繊 維 が 分 布. の と代 表 的 な 断 面 写 真(V=30wt%,T6:3mm)と. が確 認 さ れ た.ま. 3に 示 す.同. を図. 図 よ りガ ラス 繊 維 は,肉 厚 方 向 の 中心 で 対 称. す る領 域 が 減 少 して お り,ス キ ン層 の 厚 さ が増 加 す る こ と につ い て,ゲ. た,V=30. wt%,. T6=2mmの. 繊維 配向. ー トか らの 距 離 を変 更 した場 合 の 観 察 結 果 を. 性 を示 して お り,成 形 品 の 両 側 の 表 面 部 近 傍 に お い て樹 脂. 図6に 示 す.同. 流 動 方 向 に強 く配 向 す る領 域(以 下,ス. り,ス キ ン層 の 厚 さ は ゲ ー トか ら離 れ る に し たが っ て 増 加. が 確 認 され た.ま た,そ す る)で. キ ン層 と定 義 す る). の 間 の 領 域(以. 下,コ. ア層 と定 義. は,中 心 の 近 傍 にお い て樹 脂 流 動 方 向 に対 し垂 直. 方 向 に強 く配 向 す る領 域 が 存 在 して お り,ス キ ン層 と の境. 図 よ り,全 て の位 置 で 三 層 構 造 が 現 れ て お. し,ゲ ー トの 反 対 側 の 部 分 で 減 少 す る こ とが 確 認 され た. 3.2. 線 膨 張 係 数 の 異 方性. ガ ラ ス繊 維 の 重 量 分 率 が 変 化 す る場 合(V=0〜50wt%). 界 に 近 づ くほ ど垂 直 方 向 か ら樹 脂 流 動 方 向 の配 向 に変 化 す. に お い て,Tb=2,3,4mmの. る こ と が 確 認 さ れ た.図4に :30wt% ,Tb=2,3,4mmと. 方 向 の 線 膨 張 係 数 の 測 定 結 果 を そ れ ぞ れ 図7〜9に. 示 す 断 面 写 真 は,前 述 の レF 異 な る厚 さ の場 合 を比 較. T6=2mmの. 試 験 片 に お け るX,. 場 合 に お い て,各. Y,. Z. 示 す.. 方 向 の 線 膨 張 係 数 は,以 下. した もの で あ る.同 図 よ りガ ラ ス繊 維 が 樹 脂 流 動 方 向 に強. に示 す 傾 向 が 確 認 さ れ た.Y方. く配 向 す る ス キ ン層 は,肉 厚 に よ らず ほ ぼ 同 じ厚 さで あ り, コア 層 は 肉厚 の 増 加 に した が っ て,流 動 方 向 に対 し垂 直 方. に値 が 増 加 し,そ れ 以 降 で 重 量 分 率 の 増 加 に した が っ て低 下 す る.X方. 向 の 配 向 が 強 くな る領 域 が 増 加 す る こ とが 確 認 され た.ま. で 減 少 し,V:30. た,T6:4mmの. に な り,そ れ 以 降 の 重 量 分 率 で わず か に 減 少 し,Y方. 場 合 で は,コ. ア層 に お い て成 形 品 の 表 面. 向 は, V=20. 向 は, V=5wt%で. wt%ま. wt%で. わずか. で はY方. 向 よ り低 い 値. 増 加 に転 じ, Y方. 向 よ り高 い 値. り高 い 値 で 推 移 す る.Z方. 向 は, V:30. wt%ま. し,そ れ 以 降 で は 減 少 す る.T6=3mmの. 向よ. で は増 加. 場 合 に お い て も,. 各 方 向 の 線 膨 張 係 数 の 変 化 は,T6=2mmの. 場合 とほぼ 同. View point. Cross section of sample. Fig. 3. Schematic. diagram. Photograph molding. in cross. section. of. of molding. 10 wt% Fig. 5. 2.Omn. Fig. 4. 402. 3.0mn. 4.0. mm. Photographs in cross section of molding varying thickness (V =30 wt%). a. with. Fig. 6. 30 wt%. 20 wt°/a. 50 wt%. Photographs in cross section of molding with varying glass fiber content (Tb =2 mm). h. c. d. e. f. Photographs in cross section of molding each point (Tb=2 mm, V =30 wt%) 成形 加工. 第13巻. 第6号2001. at.
(4) じ傾 向 が 確 認 され た.Tb=4mmの 張 係 数 の 変 化 は,V=30wt%ま. 場 合 に お い て は,線 膨 で はTb=2,3mmと. 同じ. 傾 向 に な るが,そ れ 以 降 に お い てTb=2,3mmに 見 られ たY方 向 の 値 がX方 向 よ り高 くな る 傾 向 が な く,全 て の 重 量 分 率 に お い てY方. 向 の 値 がX方. 向 よ り大 き くな る こ. とが確 認 さ れ た. 4.有 Type‑B成. 量 を境 界 条 件 と して 与 え た. 4.1流. 動解析. 金 型 キ ャ ビ テ イ 内 の 充 填 か ら金 型 離 型 時 まで の 経 時 的 な 変 化 を推 定 す る た め,CIMP‑PACK3DM(CornellInjec‑ tionMoldingProgram,CornellUniversity)を. 限要 素 法 に よ る変 形 解 析. 使 用 し,金 型 内 の 充 填 過 程 に お け る 樹 脂 流 動 をHele‑. 応 力 解 析 の 数 値 解 析 方 法 につ い て,そ. 要 約 を以 下 に示 す.な. お,熱 応 力 解 析 で は,そ. 用 い て,圧. 縮 性 非 ニ ュ ー トン流 動 解 析 を行 っ た.三 角 形 シ ェ ル 要 素 を. 形 品 の そ り変 形 の 予 測 に 使 用 した 流 動 解 析,. 繊 維 配 向 解 析,熱. 縮 量 や 結 晶 化 度 の 分 布 な どは 無 視 し,金 型 離 型 後 の 熱 収 縮. Shaw流. れ と,保 圧 過 程 に お け る ラ ミナ ー 流 れ を 仮 定 し,. の. 三 次 元 形 状 を平 面 場 にお け る 二 次 元 流 動 と して 数 値 解 析 を. り変 形 挙 動. 行 っ た.成 形 中 に お け る金 型 内 の 熱 伝 導 は,厚 み 方 向 の み の 熱 移 動 を仮 定 した.材 料 定 数 は,溶 融 粘 度 に つ い て 温 度. が 繊 維 配 向 の み に 支 配 され る と仮 定 し,金 型 内 に お け る収. お よび せ ん 断 速 度 依 存 性 を,比 容 積 に つ い て温 度 お よび 圧 力 依 存 性 を,比 熱 お よ び熱 伝 導 係 数 に つ い て 温 度 依 存 性 を そ れ ぞ れ 考 慮 して数 値 解 析 を 行 っ た. 4.2繊. 維 配 向解 析. 数 値 解 析 に お け る ガ ラス 繊 維 配 向 の モ デ ル は,上 述 の 実 験 結 果 か ら以 下 の 項 目 を仮 定 した. ① ガ ラ ス繊 維 配 向 は,三 層 構 造 で 肉厚 方 向 の 中 心 で対 称 性 を持 つ. ② ス キ ン層 は,充 填 過 程 中 に樹 脂 が 冷 却 す る流 動 停 止 層 と な り,せ ん 断 流 動 場 に支 配 さ れ る.こ. のためス キ ン. 層 の ガ ラ ス 繊 維 は樹 脂 の流 動 方 向 に 配 向 す る.. Fig. 7. Relationship between thermal expansion coefficient and glass fiber content (Tb =2 mm). ③ コ ア層 は,充 填 過 程 中 に お い て 樹 脂 の 流 動 層(コ ア層) と な り,平 面 流 動 場 に支 配 され る.薄 肉 品 の 場 合 に, 肉 厚 方 向 の 配 向 を 無 視 し,平 面 方 向 の 配 向 の み を考 慮 す る. こ れ ら の仮 定 は,図10,11に. 示 す 線 膨 張 係 数 のX方. 向,. Y方 向 の 比 αy/αxと重 量 分 率 の 関 係 や 成 形 品 肉 厚 と の 関 係 が 図4,5に 示 す ス キ ン‑コ ア 層 の厚 み の 関 係 に 対 応 す る こ とか ら,成 形 品 の 配 向 状 態 を 近 似 す る モ デ ル で あ る と 考 え られ る.ス キ ン層 の 配 向 角 は,前 節 で 計 算 した 流 動 ベ ク トル を主 軸 方 向 と定 義 し た.ま た,コ. ア 層 の 配 向 角 は,. Jefferyの 理 論 を応 用 し て 以 下 の 式 を 用 い て 定 義 した.平 面 流 動 場 にお い て 任 意 の 時 間 に お け る 繊 維 重 心 の 位 置x, yは,図12に. Fig. 8 Relationship between thermal expansion coefficient and glass fiber content (Tb=3 mm). Fig. 9 Relationship between thermal expansion coefficient and glass fiber content (Tb=4 mm) Seikei-Kakou. Vol. 13. No. 6. 2001. Fig. 10. 示 す よ う に繊 維 を楕 円 形 と仮 定 す る と き, U=dx/dt=a・1x+a・2y+C. (1). V=dy/4'=α21x+a22y+C. (2). Relationship between ratio of thermal expansion coefficient ay/ax and glass fiber content 403.
(5) と な り,流 動 解 析 か ら得 られ る 流 動 ベ ク トル σ,Vを. 初. 期 条 件 と して 与 え ら れ る.こ の と き の 繊 維 の 回 転 角 φ は,. X方. 向 とY方. 向 に つ い て 推 定 値 を 算 出 し,次 に,任. 向 と直 行 方 向 の 値 を推 定 して 定 義 した.ヤ. φ=4φ/dt =ψ+B[4廻. ソcos2φ. (3). 一1/2(dxx‑dyy)sin2φ]. ング 率 は各 要 素. で 定 義 され た 線 膨 張 係 数 をSchapery式14)に. 応 用 して 配 向. 強 度 を計 算 し,配 向 強 度 か らHalpin‑Tsai式15)に. 要 素 分 割 図 は 図14に 示 す よ うに,前 述 の4.1〜2で. dxx=aU/ax. 再 分 割 して,解 析 モ デ ル の 剛性 が 適 正 に な る よ う考 慮 した.. dxy=1/2(aV/ax+aU/ay). な お,新 ψ=1/2(∂ jB=(yp一. レ7/∂x一 ∂σ/∂y). 素 の 重 心 と節 点 間 に 新 た に発 生 した節 点 の熱 収 縮 量 な どの デ ー タ は,元 の 節 点 の 線 形 補 間 を行 って 定 義 した.変 位 境. で あ る.本 報 の 数 値 解 析 で は,ガ をyP=20の. た に 分 割 して 作 成 され た要 素 の 材 料 定 数 や 主 軸 方. 向 な ど デ ー タ は,元 の 要 素 と同 じ もの を使 用 し,ま た,要. 一1)/(r2p十1). η・=α/b. ラス 繊 維 の ア ス ペ ク ト比. 一 定 値 と仮 定 して,ガ. ラス繊 維長 の 分布 を無. 界 条 件 は,ゲ ー ト側 の 節 点 の 全 自 由 度 を,ま た,ゲ 反 対 側 に あ る 節 点 のZ方. 向 を拘 束 した.温. 視 した.以 上 の 方 法 で 充 填 開始 か ら終 了 時 まで に お け る繊. 型 の 固 定 型 側 温 度 を65℃,移. 維 の運 動 と配 向 角 の 計 算:を行 い,各 要 素 に 配 向角 の 平 均 値. 移 動 型 側 の 蓄 熱 を 考 慮 した.. を求 め,コ. 使用. した 三 角 形 要 素 の重 心 を求 め,三 つ の 四 辺 形 形 状 に要 素 を. dyy=aU/ay. ア層 の 主 軸 方 向 を定 義 した.. 5.数. 応 力解析. 成 形 品 の そ り量 の 計 算 は,金 型 離 型 か ら室 温 まで の熱 収 縮 量 を 境 界 条 件 と して,汎 用 の 線 形 応 力 解 析 プ ロ グ ラ ム(1‑ DEAS)を. よ り修 正. して 定 義 した.. こ こ で,. 4.3熱. 意の. 要 素 に お い て 各 層 の厚 さの 構 成 比 率 と強 化 方 向 か ら主 軸 方. 用 い て 行 っ た.使 用 した 要 素 は,四 辺 形 厚 肉 シ ェ. 5.1成. 示 す.な る.同. ア ソ ン比 を定 義 した.要. 素 の 主 軸 方 向 は,前. 値解析結果. お け る 数 値 解 析 結 果 を 図15に. お 同 図 は,配. 向 方 向 をベ ク トル表 示 した もの で あ. 図 よ りス キ ン層 の 配 向 は,ベ ー ス 部 で は ゲ ー トか ら. 述 した 繊 維 配 向 解 析 の ス キ ン層 と コ ア層 の 厚 さの 構 成 比 率. 放 射 線 状 に な り,成 形 品 の 中 央 部 以 降 で は全 てY方. で重 ね 合 わせ て 定 義 し,繊 維 配 向 の 層 構 造 を考 慮 し た.な. な り,ま た,ほ. お,ス. 向 と な る.コ. キ ン層 の 厚 み(Ts)は,成. 定 して,図13で. 形 品 中 に お い て 一 定 と仮. と して,. 形 品 の 繊 維 配 向 の 一 例 と し て,Tb=3mm,. Tr=2mm,V=30wt%に. ル要 素 で,各 要 素 に 強化 方 向 お よ び各 方 向 の ヤ ン グ率,線. 動 型 側 の 温 度 を75℃. 形 品の繊維配 向 について. Type‑B成. 膨 張 係 数,ボ. ー トと. 度 条 件 は,金. と ん ど の リ ブ部 で は,リ. ア 層 の 配 向 は,ベ. 向と. ブ に 平 行 なX方. ース部 では外周部 近傍 にお. 計 測 さ れ た 値 の平 均 値(Ts/2=0.67mm). を任 意:の位 置 につ い て 定 義 し,成 形 品 の 肉厚 が 異 な る場 合 に お い て,コ. ア層 の 厚 さ(Tc)の. 係 数 は,図7〜9の. み を変 化 させ た.線 膨 張. デ ー タ を利 用 し,ス キ ン層 と コ ア 層 の. Fig. 13. Fig. 11. Relationship between ratio of thermal sion coefficient ay/ax and thickness. Fig. 12. Schematic model. 404. diagram. of. composite. Relationship between thickness of layer and distance from gate (Tb =2 mm, V =30 wt % ). expan-. laminate Fig.. 14. Finite. element. 成形加 工. mesh. 第13巻. 第6号2001.
(6) い て 外 周 に 沿 って お り,そ れ 以 外 の 中 央 部 で は樹 脂 流 動 方. か ら,リ ブ付 平 板 にお け る ベ ー ス 部 の 肉厚 依 存 の そ り挙 動. 向 に対 して 垂 直 な方 向 と な り,ま た,リ ブ部 で は ス キ ン層 と同 様 にX方 向 とな る.Type一 一Bの 成 形 品 に お い て,Type‑. は,Case‑1の. Aで. 30wt%の. 断 面 の 観 察 を行 っ た 位 置 の 中 央 部 の 繊 維 配 向 は,ス. キ ン層 がY方. 向,に. コ ア層 がX方. 向 で あ り,図4の. ガラ. ス 繊 維 の観 察 結 果 と同 じ傾 向 で あ る こ とが 確 認 で き た. 5.2そ Type‑Bの. 成 形 品 に お け るX方. て,実 験 結 果 とCase‑1の. 向,Y方. 向 の そ り量 に つ い. 数 値 解 析 結 果 を比 較 した も の で 向,Y方. 向 と も ゲ ー ト側. の そ り量 が 大 き く,数 値 解 析 結 果 も,ゲ ー ト側 の そ りが 最. 成 形 品 にお い て,Tb=2,3,4mm,Ty=2mm,. も大 き く,実 験 と同 様 な傾 向 が 示 され て い る.ま. 場 合 に お け る 熱 応 力 解 析 と実 験 を 比 較 した. 結 果 に つ い て 以 下 に 示 す.図16,17は,成. 形 品の 中央 部. に お い て ベ ー ス 部 の 肉 厚 が 変 化 し た 場 合 に お け るXお びY方. 三 層 モ デ ル が 実 験 結 果 と同 じ傾 向 が 示 され た,図18,19は,Tbニ3mm,Tr=2mm,V=. あ る.両 図 よ り,実 験 結 果 は,X方. り変 形 挙 動 に つ い て. V=30wt%の. て い る.ま. 向 の そ り量 の 比 較 で あ る.な お,解. 条 件 に お け る数 値 解 析 の 変 形 状 態 を 図20に は,高. さ方 向 の み の 変 位 を20倍. た,こ の. 示 す.同. 図で. で 表 示 して い る が,数. 値. よ. 析 結果 で は上. 述 の 解 析 方 法 の 妥 当性 を検 証 す る た め,解 析 方 法 にお い て, Case‑1で. は 上 述 した 三 層 モ デ ル の解 析 方 法 に よ り,Case‑. 2で は コ ア層 の 強 化 方 向 をス キ ン層 と 同 じ方 向 に して 数 値 解 析 を行 っ た.両 図 よ り,実 験 結 果 は,全 て の ベ ー ス 肉厚 の 場 合 でY方 向 で は プ ラ ス 側,X方 向で は マ イナス 側 の そ りが 発 生 し,成 形 品全 体 と して 鞍 型 に 変 形 す る.ま Y方. 向 の そ り量 はT6=2mmで. 顕 著 に 大 き く な り,ベ ー. ス 肉 厚 の 増 加 に と もな っ て 減 少 す る.ま た,X方 量 はY方. た,. 向の そ り. 向 に 比 較 して 肉 厚 依 存 性 が 少 な い が,ベ. ース 肉. 厚 の 増 加 に と も な っ て 同 様 に減 少 す る. 数 値 解 析 結 果 の そ りは,Case‑1,2と 量 と一 致 しな い が,そ. も実 験結 果 の そ り. りの 方 向 が 同 じ状 態 を示 す.し. か し,. Fig. 17 Relationship between magnitude of warpage and thickness (Tr2 mm, V =30 wt%, Direction-Y). Y方 向 の そ り量 に お け る ベ ー ス 部 の 肉 厚 依 存 性 は,図16 に 示 さ れ る よ う にCase‑1に. お い てTb=2mmで. 顕著 で あ. り,実 験 結 果 と 同 じ傾 向 が あ る の に 対 し,Case‑2に おい て は,こ の 傾 向 が な い.ま た,X方 向 の そ り量 はCase‑1 に お い て ベ ー ス 部 の 肉 厚 に よ る 変 化 が 少 な い が,Case‑2 に お い て は,ベ ー ス 部 の 肉厚 に と も な っ て 減 少 す る.以 上. Skin. Fig. 15. layer. Glass fiber by FEM. Core. orientation. in skin. layer. and core. layers. Fig. 16 Relationship between magnitude of warpage and thickness (Tr2 mm, V =30 wt%, Direction-X) Seikei-Kakou. VoL13. No. 6. 2001. Fig. 18 Relationship between magnitude of warpage and distance from gate ( Tb=3 mm, Tr=2 mm, V =30 wt%, Direction-X). Fig. 19 Relationship between magnitude of warpage and distance from gate (Tb=3 mm, Tr2 mm, V =30 wt%, Direction-Y) 405.
(7) 解 析 結 果 は,実 際 の 成 形 品 で 生 じ る鞍 型 の そ りが 再 現 さ れ て い る.. 6.2そ 6‑考. 察. 形 品 の そ り変 形 の状 態 は,実 験 結 果 と数 値 解. 析 の 両 方 と も図16,17に よ び,数 値 解. 析 結 果 か ら得 られ た 知 見 に つ い て 以 下 に述 べ る.. 示 す よ う にX方. ん断流動場 に支配 さ. 推 定 さ れ る.図15に 示 す 繊 維 配 向 の 数 値 解 析 結 果 か ら, ベ ー ス 部 の ガ ラス 繊 維 は コ ア 層 の 中央 部 と ゲ ー ト側 の両 側 の 領 域 を 除 い て,ス. の 部 分 を コ ア層 と して 考 察 した.図3〜6の. キ ン層,コ. ア 層 と もY方. 向 を示 す と考 え られ る.一 方,リ キ ン,コ. の 境 界 に 両 方 の流 動 場 の 影 響 を受 け る層 が あ るが,繊. よ う な 配 向 状 態 か らベ ー ス 部 のX方. ア 層 と もX方. 向 に 強 い 配 向 を 示 し て お り,こ の. 向 の 層 構 造 を ス キ ン/コ ア/ス キ ンの 三 層 構 造 と して,繊 維. り大 き くな り,成 形 品 のX方. 配 向 と線 膨 張 係 数 と の 関 係 につ い て考 察 す る.X方. る と推 定 され る.ま た,成. 方 向 の 線 膨 張 係 数 の 比aY/axは,図10よ %ま で は,全. 向,Y. の 変 化 は,図18に. りV=20wt. て の 肉 厚 で1以 上 で あ り,ガ ラス 繊 維 が 流 動. と もX方. 向 に強 い 配. ブ 部 の ガ ラ ス 繊 維 は,ス. い て コ ア 層 に は,平 面 流 動 場 に支 配 さ れ る 層 と ス キ ン層 と 維配. の よ う なそ り変. 値 解 析 結 果 か ら以 下 の 状 態 が. れ 樹 脂 流 動 方 向 に 配 向 す る 層 を ス キ ン層 と し て,そ れ 以 外 断 面 写真 にお. 向 で マ イ ナ ス側,. Y方 向 で プ ラス 側 の 鞍 型 の変 形 に な る.こ 形 挙 動 を示 す 原 因 と して,数. 維 配向が線膨 張係数 にお よぼす影響. 本 報 に お い て 成 形 品 の 層構 造 は,せ. り変 形 と繊 維 配 向 状 態 に つ い て. Type‑B成. 繊 維 配 向 と線 膨 張 係 数 の 異 方 性 の 関 係,お 6.1繊. の と考 え られ る.. 向 の収 縮 が リブ部 よ. 向 の そ りが マ イ ナ ス 側 に な. 形 品 の位 置 に よ る そ り変 形 挙 動. 示 す よ うに 実 験 結 果 と数 値 解 析 の 両 方. 向 の ゲ ー ト側 の そ り量 が,他. の位 置 に比べ 大 き. 方 向 に対 して垂 直 方 向 に 配 向 す る こ とが 示 唆 され る.V=. い状 態 で あ る.こ の 原 因 と して,ベ. 30wt%以. 近 傍 の ガ ラ ス 繊 維 が,ス キ ン,コ ア 層 と ものY方 向 に 強 い 配 向 を示 す と 考 え ら れ,こ の 部 分 のX方 向 の 収 縮 が 大. mmの. 上 に お い て は,ax/αyが. 大 き く減 少 し,Tb=2,3. 場 合 で1以 下,Tb=4mmの. 場 合 で 約1.2に. な り,. ース部 におい てゲー ト. ガ ラ ス繊 維 の 重 量 比 の増 加 に と もな っ て,繊 維 配 向 が 垂 直. き く な り,ゲ ー ト側 の そ り量 が 増 加 す る もの と推 定 され る.. 方 向 か ら流 動 方 向 に変 化 す る こ とが 示 唆 され る.こ の と き の ガ ラ ス繊 維 の 層 構 造 は,図5に 示 す よ う にス キ ン層 の厚. 16に 示 す よ う にX方. 向 に つ い て,実 験 結 果 と 数 値 解 析 の. さが,ガ. Case‑1に. 厚 の増加 に と もなっ てマ イ ナス側 の. ラス 繊 維 の 重 量 分 率 の増 加 に と も な っ て 大 き くな. 次 に,ベ ー ス 肉厚 に依 存 す る そ り変 形 挙 動 の 変 化 は,図 お い て,肉. る状 態 が 観 察 され て お り,こ れ らの 状 態 が 線 膨 張 係 数 の測. そ りが 減 少 す る傾 向 が あ る.一 方,数. 定 結 果 に 対 応 す る もの と考 え られ る.ま. 示す. は,こ. おい. ら,ベ ー ス 肉 厚 に依 存 す る そ りは,コ. た,図11に. よ う に 線 膨 張 係 数 の 比aY/axは,V=30,50wt%に. 値 解 析 のCase‑2で. の傾 向 とは 反 対 に そ りが 増 加 す る.こ れ らの現 象 か ア層 の 繊 維 配 向 の 影. て,肉 厚 の 増 加 に と もな って 増 加 し て お り,繊 維 配 向 が 流. 響 が 大 きい と考 え られ,ベ. 動 方 向 に沿 う方 向 か ら垂 直 方 向 に 変 化 す る こ とが示 唆 さ れ. ア層 が 大 き くな り,ベ ー ス 部 の 収 縮 の 異 方 性 が 減 少 す る こ. る.こ の と きの ガ ラ ス繊 維 の 層 構 造 は,図4に. とが 肉 厚 依 存 性 の 原 因 と推 定 さ れ る.ま. 示 す ように. 成 形 品 の 肉 厚 に よ らず ス キ ン層 の厚 さが ほ ぼ 同 じで,コ. ア. の 数 値 解 析 に お い て,ス. ー ス 肉厚 の 増 加 に と もな っ て コ. デ ル 化 が,リ. さ れ て お り,こ れ ら の状 態 が 線 膨 張 係 数 の 測 定 結 果 に対 応. を 定 性 的 に 再 現 す る も の と考 え られ る.. びY方. の よ う な 結 果 か らX方. 向 の 線 膨 張 係 数 は,ス. ま た,図7〜9に. ブ付 き平 板 に お け る 肉厚 依 存 の そ り変 形 挙 動. 向お よ. 7.結. キ ン,コ ア 層 の 厚 さ の 影 響. を大 き く受 け る もの と考 え ら れ る.. ガ ラス 繊 維 強 化 のPA6を. 示 す 各 方 向 の 線 膨 張 係 数 に お い て,ガ. ラ ス の 重 量 分 率 が 極 め て 小 さ いV=5wt%の ガ ラ ス 繊 維 を含 ま な い 場 合(V=Owt%)に 方 向 で は わ ず か に大 き くな り,X方. 場 合 に は, 比 較 し て,Y. 向 で は 著 し く低 下 す る.. Y方 向 が 増 加 す る 原 因 と し て,Schapery式14)で ボ ア ソ ン比 の影 響 が 確 認 され,こ. 示 され る. の よ うな 挙 動 か ら も,線. 膨 張 係 数 の 変 化 は,繊 維 配 向 の影 響 を大 き く受 け て い る も. り変 形 挙 動. キ ン/コ ア/ス キ ン層 を考 慮 す る モ. 層 の 厚 さが 肉厚 の 増 加 に と も な っ て 大 き く な る状 態 が 観 察 す る も の と考 え られ る.こ. た,そ. 言 対 象 に,ガ. ラス繊維 の重量 分. 率 と成 形 品 の 肉厚 を変 化 させ た場 合 につ い て,繊 維 配 向 の 観 察 と線 膨 張 係 数 の 異 方 性 につ い て 測 定 を行 い,繊 維 配 向 の層 構 造 に つ い て検 討 した.ま. た,こ れ らの 結 果 か らガ ラ. ス繊 維 配 向 モ デ ル の構 築 を行 い,現. 実 の 成 形 品 の そ り変 形. 挙 動 に対 し,数 値 解 析 結 果 と実 験結 果 の 比 較 を行 っ た 結 果, 以 下 に示 す 結 論 を得 た. ① 断 面 の顕 微 鏡 写 真 よ り,Type‑A成 て 繊 維 配 向 は,ス. 形 品 の 中央 部 に お い. キ ン/コ ア/ス キ ンの 対 称 的 な三 層 構 造. が 観 察 され,各 層 の 厚 み にお い て ガ ラ ス繊 維 重 量 分 率 と 成 形 品 の 肉 厚 依 存 性 が あ る こ とを確 認 した.ま. た,ス. キ. ン層 の厚 み は成 形 品 の 肉厚 が 変 化 して も,ほ と ん ど変 化 し な い こ と を確 認 した. ② 線 膨 張 係 数 は,繊 維 配 向 の ス キ ン/コ ア/ス キ ン の三 層 構 造 にお け る各 層 の 厚 さ に よ っ て変 化 し,繊 維 配 向 の 影 響 を受 け る こ と を確 認 した. ③Type‑B成. 形 品 の そ り変 形 挙 動 に対 して,繊 維 配 向 の 層. 構 造 分 布 を考 慮 した 数 値 解 析 モ デ ル を構 築 し,数 値 解 析. Fig. 20 Deformation diagram of warpage by FEM (Tb=3 mm, Tr2 mm, V =30 wt % ) 406. 結 果 と実験:結果 との 比 較 を行 っ た 結 果,数 値 解 析 結 果 は 肉 厚 依 存 性 を示 す そ り変 形 挙 動 に お け る実 験 結 果 と定性 成 形加 工. 第13巻. 第6号2001.
(8) 的 に一 致 す る こ と を確 認 した. 本 報 に お い て,ス. 4)横. キ ン/コ ア/ス キ ン層 の 三 層 構 造 の 数 値. 解 析 モ デ ル を用 い て そ り変 形 挙 動 の予 測 を試 み た 結 果,簡 易 な三 層 構 造 の モ デ ル にお い て も,そ. か し,定 量 的 な. 検 討 が で きる 数 値 解 析 方 法 で は な い た め,各 層 の 肉厚 分 布, 樹 脂 流 動 や結 晶 化 な ど成 形 加 工 過 程 に お け る 詳細 な挙 動 に つ い て 分 析 し,こ れ ら を考 慮 した 数 値 解 析 方 法 を構 築 す る こ とが 今 後 の研 究 課 題 と して残 る. 本 研 究 の線 膨 張 係 数,繊 維 配 向 観 察 を実 施 す る に 当 た り, 協 力 を頂 い た 東 洋 紡 績 の 中川 珠 緒 氏,山. 5)村. り変 形 挙 動 を定 性 的. に 予 測 す る こ とが で き る こ と を示 した.し. 田 君 子 氏 にお 礼 申. 井 秀 俊,村 田 泰 彦,西. 芳 夫,関. 武 邦:成. 形 加 工,7,. 田 泰 彦,横 井 秀 俊,長 谷 元 弘,原 田 浩 次:成. 形 加 工,7,. 600(1995). 663(1995). 6 ) Matsuoka, T., Takabatake, J., Inoue, Y. and Takahashi, H.: Polym. Eng. Sci., 30, 957 (1990) 7 ) Gupta, M. and Wang, K. K.: Polym. Comp., 14, 367 (1993) 8 ) Kikuchi,. H. and. Koyama,. K.: Polym. Eng.. Sci.,. 34, 1411 (1994) 9 ) Trotignon, J. and Verdu, J.: J. Appl. Polym. Sci., 34,1. し上 げ る.. (1987). 本 研 究 の発 表 を 許 可 さ れ た 東 洋 紡 績 に 深 謝 す る.. 10)石. 島. 守,山. 部. 昌,永. 田 真 一,新. 保. 實,宮. 野. 靖:. 成 形 加 工,7,582(1995). 参 1)平. 井 恒 夫,片. 考. 山 伝 生,平. 文. 献. 井 三 友,米. 田. 慎:材. 料,34,. 11)山. 下 勝 久,野. 々 村 千 里:成. 12)江. 口 英 樹,山. 下 勝 久,野. 256(1984). 形 加 工'94,9(1994) 々 村 千 里:成. 形 加 工'95,45. (1995). 2 ) Crowson, R. J., Folkes, M. J, and Bright, P. F.: Polym. Eng. Sci., 20, 925 (1980). 13)山. 3 ) Bright, P. F., Crowson, R. J. and Folkes, R. J.: J. Mater. Sci.,13, 2497 (1978). 14) Schapery, R. A.: J. Comp. Mater., 2, 380 (1968) 15) Halpin, J. C.: J. Comp. Mater., 3, 732 (1969). Seikei-Kakou. Vo1.13. No.6. 2001. 下 勝 久,野. 々 村 千 里,上. 辻 靖 智,山. 田 敏 郎:成. 形加. 工 シ ン ポ ジ ア'00,31(2000). 407.
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