概要

水洗いクリーナーのウォータータンク成形プロセスにおいて、ホットランナーノズル温度に問題が生じ、樹脂外側の温度を期待通りに冷却できないという問題がありました。そこでMoldex3Dを使用して問題の原因を調査し、実現可能なソリューションを導き出すことにしました。Moldex3Dの3D冷却シミュレーション技術を使用してコンフォーマル冷却回路が製品成形不良の解消に有効であることを検証し、最終的に製品歩留まり率は99.7%に改善されました。

課題

• ショートショット
• 外観不良
• 長すぎる生産サイクル

導入ソリューション

冷却効率の改善、製品の外観不良の解消および成形サイクルの短縮を実現するため、Moldex3Dを使用して新しいコンフォーマル冷却回路を設計しました。

メリット

• 高品質な外観の実現
• 冷却時間を75%短縮
• 歩留まり率を99.7%に引き上げ
• 生産コストの削減

ケーススタディ

本事例の目的は、Moldex3Dを使用して、最適なホットランナーサイズの選択による製品表面不良の解消、成形条件パラメータの最適化による製品品質の改善および、冷却システムの修正による成形サイクルの短縮を実現することにあります。

本事例の製品は、直径140mm、高さ180mm、重量270gのウォータータンク（図1）で、図2は製品とホットランナーシステム設計を示しています。ホットランナーノズルの温度は230°Cに達するため、製品の固化には冷却時間が120秒以上必要となります。成形サイクルを短縮し、製品品質を改善するために、2.5mm、3.0mm、4.0mmの3種類の異なる直径のゲート設計の比較を行いました（図3）。冷却回路設計は図4に示す通りです。

図1　本事例のウォータータンク設計

図2　本製品のホットランナーシステム設計

図3　ゲート位置と比較検討したゲートサイズ

図4　冷却回路設計

Moldex3Dのシミュレーション結果が示すように、3種類のゲート設計のすべてでショートショットが生じています。ゲート直径が2.5mm、3.0mm、4.0mmのメルトフロント最高温度はそれぞれ241°C、239°C、236°C（図5）となっているほか、スプルー最大圧力も200MPaに達し、これがショートショットの原因であると考えられます。解析結果を図6に示します。

図5　充填とメルトフロント温度の解析結果

図6　Moldex3Dによる3種類の直径のゲート設計のシミュレーション結果

評価した結果、ショートショットの原因は充填終了時の温度が低すぎることにあるとし、この問題を解決するには3D冷却システムの改善が必要であると結論付けました（図7）。改善案（図8）では、3D冷却回路設計の変更に加え、充填時間を4秒に短縮しました。

図7　変更後の3D冷却回路

図8　改善案

改善後、シミュレーション結果からショートショット問題が解消されたことを確認できます（図9）が、各ゲート設計のスプルー圧力は依然として高い状態にあります。ゲート直径が2.5mm、3.0mm、4.0mmのスプルー圧力はそれぞれ200MPa、198MPa、197MPaとなっています（図10）。金型温度分布の解析結果から、冷却効率は改善されていることが確認できます。変更後の3D冷却回路により均一な温度分布となっています（図11）。

図9　改善案実施後の充填とメルトフロント温度の解析結果

図10　改善案実施後の解析結果概要

図11　改善前（上図）と改善後（下図）の3D冷却回路を比較したところ、改善後の温度分布が均一になっていることが確認できます

最終段階の最適化では、スプルー圧力を下げるために樹脂温度と表面温度をそれぞれ250°Cと80°Cまで引き上げることで、スプルー圧力を170.27MPaまで引き下げることに成功しました（図12）。

図12　改善後の樹脂温度と表面温度の解析結果

結論

この事例において、ユウキ産業はMoldex3Dを使用することで潜在的な製品不良を予測し、最終的に成形サイクルを120秒から60秒へ短縮し、スプルー圧力を140MPa以下に引き下げ、不良品率を0.3%以下に抑制することができました。Moldex3Dは高品質な製品外観の実現と製品製造にかかるコストと時間の削減に大きな役割を果たしました。