射出成形の金型温度の制御には、通常冷却液を金型に連続で通すことで、金型を一定温度に保たせてきました。冷却液を金型に通す流量が不足した場合、或いは水温が予測通りでなかった場合は、金型を指定された温度に効果的に保持できません。金型温度調節機メーカーは、モールドベースとプラスチック部品の寸法に基づき、適切な金型温度調節機の仕様を算出できます。しかしながら、射出成形CAEシミュレーションのユーザーは、金型温度調節機に金型温度の保持能力があることをどのように評価すればいいのでしょうか。以下に、樹脂流動解析ソフトウェアによる金型温度調節機の評価原則について説明します。

図1　金型温度調節機と金型冷却管の概念図

冷却管の流量と圧力関係

シミュレーション過程において、冷却水路の液体の流動を制御する場合は通常、流量或いは圧力という2つの境界条件を設定できます。流量面では、冷却液が冷却管内を流動した時、入口と出口の流量が必ず等しくなり、冷却管の一端の流量を測定するだけで、他の端の流量を知ることができるため、流量は比較的把握しやすい冷却管の境界条件です。圧力面では、冷却管の入口圧力は出口圧力より大きいため、この圧力差で流動現象が起きます。Moldex3D樹脂流動解析ソフトウェアを使用した場合、出口圧力のデフォルト値を0にすると、ユーザーは入口圧力の境界条件を設定するだけで、この圧力値が入出口の圧力差に等しくなります。冷却管の流量と圧力の関係図をプロットすると、圧力差が大きければ大きいほど、流量が大きくなり、ほぼ比例関係(図2)になります。

図2　冷却管の流量と圧力の関係

圧力差以外に、流動抵抗も流量に影響を及ぼす要因の一つであり、流動抵抗が幾つかの条件(例：冷却管の管径、冷却管の長さ、管壁の平滑度、冷却液の性質、流量など)に伴って変わります。これらの関係は、ダルシー・ワイスバッハの式(Darcy–Weisbach equation)の各種パラメータを参考にして知ることができます(図3)。

図3　ダルシー・ワイスバッハの式

金型温度調節機の流量と圧力の関係

金型温度調節機は冷却液の流動を助け、かつ冷却液温度を安定させる機器です。金型温度調節機の内部には、冷却液の流動を駆動する動力源であるポンプが取り付けられています。冷却管の流量や圧力の関係と異なり、金型温度調節機のポンプの吐出し圧力が大きければ大きいほど、吐出量が小さくなり、流量が大きくなればなるほど、吐出圧力が小さくなります。金型温度調節機の仕様書を見ると、最大流量及び最大圧力値を確認できますが、この2つの条件は同時に発生しないことに注意する必要があります。金型温度調節機の流量と圧力の関係図をプロットすると、圧力と流量が逆比例関係にあるのが分かります(図4)。

図4　金型温度調節機のポンプの流量と圧力の関係

射出成形シミュレーションから金型温度調節機の要件を見極める

射出成形シミュレーションにおいて冷却管解析を行うと、各冷却管の流量と圧力差を得ることができます。冷却管の総流量は、金型温度調節機の提供すべき流量を表し、冷却管のうちの最大圧力差が金型温度調節機の提供すべき最小圧力を表します。評価時、我々は冷却管の総流量及び最大圧力差の座標位置を、金型温度調節機の流量と圧力関係図内にマークしています。この座標位置が金型温度調節機の流量と圧力の関係ラインの下にある場合、金型温度調節機が十分な流量及び圧力を提供できることを示します。この座標位置が関係ラインの上にある場合、金型温度調節機が十分な流量及び圧力を提供できないことを示します(図5)。Moldex3Dの最新バージョンR17では、冷却管の流量、圧力降下及び金型放熱のデータを提供しており、アプリケーションのポンプ特性曲線を通じても更に一歩進んで金型温度調節機の性能が十分であるかを評価できます。

図5　金型温度調節機の負荷できる領域

シミュレーションに当たっての注意事項

射出成形のシミュレーション過程では、問題を簡素化するため、往々にして大流量を理想的な冷却管条件としており、金型温度調節機の要件に換算すると、一つの非常に大きい流量値が得られます。そのため正確に換算したい場合は、過大に予測しないように、自社の金型温度調節機の流量仕様を参考にして、冷却管境界条件の値としてください。流量や圧力以外に、金型温度調節機の冷却及び加熱能力も金型温度調節機を評価するパラメータです。シミュレーション過程では、ユーザーは冷却管の熱負荷量値をチェックして、金型温度調節機の仕様書内の冷却と加熱能力を対比できます。金型温度調節機の冷却能力がシミュレーション冷却管の熱負荷量値より大きい場合、又は金型温度調節機の加熱能力がシミュレーション冷却管のマイナス熱負荷値より大きい場合は、要件に適合しているとみなすことができます。Moldex3Dのチェック機能により、ユーザーはCSVファイルから整理後の要件情報を入手できます(図6)。

図6　Moldex3D冷却管の圧力、流量及び冷却能力の要件

シミュレーション技術は一定の参考値を提供できますが、実際の現場の冷却管において、例えばクイックリリース冷却管コネクタを使用している、閉止弁が冷却管の中央に位置している、ホースの表面が平滑でない、或いは枝管の管路設計の影響等といった追加の冷却管抵抗があります。金型温度調節機自体から言うと、金型温度調節機の実際の流量及び圧力が必ずしも線形変化を示すことができるというわけではありません。そのため、関連要件を評価する際は、これらの影響要因も一緒に考慮する必要があります。