Auto odesk® Molldflow® Insiight 2011 検証レポート 繊維 維配向 向(3D)ソ ソルバの の検証 概要 要 射 射出位置の繊維 維配向が修正さ され、配向プロフ ファイルとして定 定義されたことで で、 旧 旧リリースのラン ンダム配向よりもさらにリアル ルな結果が得られ れるようになりま ました。 繊 繊維配向計算が が 1 次元ビーム要素まで拡張 張されたことを受けて、ビーム ム要素の計算を を MATLAB の結果と の 比 比較・検証しまし した。 シ シンプルなジオメ メトリを使用して て、四面体要素 素の繊維配向計 計算を MATLAB の結果と比較 較・検証しました た。 実 実際のパーツの のモデルの繊維 維配向計算を、実 実測データと比 比較・検証しまし した。 はじめ めに Autod desk Moldflow w Insight 2011 1 以前のバージ ジョンの 3D 繊維配向ソルバ 繊 バでは、射出位置 置と、1 次元ビーム要 素でモ モデリングされた たランナー シス ステム内の繊維 維配向は完全に にランダムなものとして処理さ されていました。 。しかし、 実際の の繊維配向はラ ランナー システ テムとバレルを通 通過するメルト ト フローに左右 右されます。たと とえ射出成形機 機に入っ た時点 点でメルト内の繊 繊維配向がラン ンダムだったと としても、ポリマー ーがゲートに到 到達した後の繊 繊維配向はラン ンダムに はなり りません。 Autod desk Moldflow w Insight 2011 1 ではよりリア ルな配向予測を行うために、射出位置の注 注入口の配向が が修正さ れたほ ほか、配向計算 算がビーム要素にまで拡張され れています。 この変 変更は、[繊維配 配向解析]オプシ ションをオンにし した場合の熱可 可塑性樹脂の射 射出成形とオーバ バーモールド、ガスア シスト射出成形プロセ セスにおける繊 繊維充填材料の の 3D 解析に影 影響します。 射出 出位置の注入 入口配向 Autod desk Moldflow w Insight 2011 では、中立面解 解析と Dual Domain D 解析に に適用される既 既定値の注入口 口配向と 同様に に、3D 解析についても注入口 口の繊維配向が がスキンとコア アの横方向に位 位置合わせされる れるように、新たに繊維 配向プ プロファイルが定 定義されました た。ランナー シス ステムがビーム ム要素でモデリングされており り、なおかつ射出位置 がスプ プルーの最上部 部にある場合は は、注入口の配 向プロファイル ルは射出位置の の最初のビーム ム ノードの層に に適用さ れ、繊 繊維配向はランナー システム ムのビーム要素 とパーツの四面 面体要素におい いて計算されま ます。射出位置がパー ツ上に にある場合は、注入口の配向プロファイルは はゲートの直径内のすべてのノードに適用さ されます。なお、 、どちら の場合 合も、注入口の配向プロファイ イルは射出位置 置の中心からの距離関数として て定義されます す。 注入口 口配向の変更に による効果は、射出位置付近 のわずかな領域にのみ見られ れます。ゲートの の周辺は流動速度が 非常に に速く一般に速 速度勾配が大きいため、繊維配 配向は流動によ よって瞬時に変 変化します。した たがって、今回の変更 は小さ さなパーツの結果にはいくらか か影響しますが 、大きなパーツ ツではその効果はほとんど分か かりません。 ここで では 3 つの例を をもとに、Auto odesk Moldflo ow Insight 20 011 で行われた た繊維配向ソル ルバの改良の効果を Autod desk Moldflow Insight 2010 Release 2 と比 比較・検証します。 P Pipette の例: パーツに直接射 パ 射出(図 1 ～ 4) H Hager ケーブル ル ホルダーの例 例: パーツに直 直接射出(図 5 ～ 8) R Rhodia ボックス スの例: ビーム ム要素でモデリン ングされたランナ ナー システムに射出 (図 9 ～ 12) ムであるとされ 図 2、6、そして図 10 0 は、Autodes sk Moldflow In nsight 2010 Release R 2 では は完全にランダム れていた ト周辺の繊維配 配向と、Autodes sk Moldflow I nsight 2011 での若干位置の で の揃った繊維配 配向を比較した たもので ゲート す。パ パーツの他の部 部分の繊維配向 向については、A Autodesk Molldflow Insight 2010 Releasse 2 でも Autodesk Moldflow Insight 2011 2 とほぼ同じように解析さ されています。 また、図 10 では、Autodessk Moldflow Insight 2011 では、ビーム要 要素の繊維配向 向の計算もラン ンダムではないこ ことが示されています。 Autod desk Moldflow Insight 2010 Release 2 と Autodesk Molldflow Insight 2011 での反り り予測の比較を を図 3、 Autod desk Moldflow w Insight 201 11: 繊維配向（（3D）ソルバの検 検証 7、そし して図 11 に示 示します。Pipette e の例では、最 最も大きなたわ わみがゲートのす すぐそばに起き きており、2 つの のリリー ス間で での予測された た反りの差異は 20% を超えて ています。Hage er ケーブル ホルダの例と ホ R Rhodia ボックスの例 につい いては、反りの予 予測結果に大き きな差は見られ れません。主な な理由は、それぞ ぞれの例の充 填時間の結果 果が示し ている るように、両リリー ース間の流動結 結果の違いです す(図 4、8、12 2)。Autodesk Moldflow M Insigght 2011 での流動解 析の精 精度の向上に関 関する詳細は、「Autodesk M Moldflow Ins sight 2011: 3D D 流体ソルバ バによるフロー フロン ト流動 動予測 」検証レポ ポートを参照してください。 図 1. Pipette の例: ジオメト トリと 3D メッシ シュ 2 Autod desk Moldflow w Insight 201 11: 繊維配向（（3D）ソルバの検 検証 図 2. Pippet の例: の Autodes sk Moldflow Insight 2010 Release 2 (左 左)と Autodessk Moldflow Insight 2 2011 (右)の繊維 維配向予測の比 比較 図 3. Pipette の例: Autode esk Moldflow Insight 2010 Release 2 (左 左)と Autodessk Moldflow Insight 2 2011 (右)の反り り予測の比較 3 Autod desk Moldflow w Insight 201 11: 繊維配向（（3D）ソルバの検 検証 図 4. Pipette の例: Autode esk Moldflow Insight 2010 Release 2 (左 左)と Autodessk Moldflow Insight 2 2011 (右)の充填 填時間の結果の の比較 図 5. Hager ケーブル ケ ホルダ ダの例: ジオメ メトリと 3D メッ ッシュ 4 Autod desk Moldflow w Insight 201 11: 繊維配向（（3D）ソルバの検 検証 図 6. Hager ケーブル ケ ホルダ ダの例: Auto desk Moldflo ow Insight 20 010 Release 2 (左)と Auttodesk M Moldflow Insig ght 2011 (右)の の繊維配向予測 測の比較 図 7. Hager ケーブル ケ ホルダ ダの例: Auto desk Moldflo ow Insight 20 010 Release 2 (左)と Auttodesk M Moldflow Insig ght 2011 (右)の の反り予測の比 比較 5 Autod desk Moldflow w Insight 201 11: 繊維配向（（3D）ソルバの検 検証 図 8. Hager ケーブル ケ ホルダ ダの例: Auto desk Moldflo ow Insight 20 010 Release 2 (左)と Auttodesk M Moldflow Insig ght 2011 (右)の の充填時間の結 結果の比較 図 9. Rhodia ボックスの例: ジオメトリと 3 3D メッシュ 6 Autod desk Moldflow w Insight 201 11: 繊維配向（（3D）ソルバの検 検証 図 10. Rhodiia ボ ッ ク ス の 例 : Autodes sk Moldflow Insight 2010 Release 2 ( 左 ) と Auttodesk M Moldflow Insig ght 2011 (右)の の繊維配向予測 測の比較 図 11. Rhodia a のボックスの の例: Autode esk Moldflow w Insight 201 10 Release 2 (左)と Auttodesk M Moldflow Insig ght 2011 (右)の の反り予測の比 比較 7 Autod desk Moldflow w Insight 201 11: 繊維配向（（3D）ソルバの検 検証 図 12. Rhodiia ボ ッ ク ス の 例 : Autodes sk Moldflow Insight 2010 Release 2 ( 左 ) と Auttodesk M Moldflow Insig ght 2011 (右)の の充填時間結果 果の比較 8 Autod desk Moldflow w Insight 201 11: 繊維配向（（3D）ソルバの検 検証 ビーム要素の配 配向計算検証 1 次元 元ビーム要素の の繊維配向は、ビームの形状 や種類、寸法に に関係なく、常に に軸方向に流動 動するものとして計算 されま ます。そのため、 、流動内には単 単純なせん断しか か生じず、繊維 維は一般的に軸 軸方向に位置合 合わせされます。 検証テ テスト用に、長い い一様なシリンダー ランナー の小さい 3D モデルを作成し しました（図 133）。このモデル ルはテス ト用に に作成したもので で、実際の使用 用を目的とはして ていません。また、シリンダー内のニュートン ン流体とベキ乗則流体 の等温 温流の繊維配向 向を予測する MATLAB スク クリプトも作成し しました。このス スクリプトを使用 用すれば、等温流の速 度と速 速度変化を簡単 単に解析できます す。解析結果に に基づいて、MATLAB スクリプトでシリンダ ダーの一方の端 端から放 出され れるパーティクル ルをトレースしま ます。そして、4 4 次ルンゲ・ク クッタ法が実装されている MA ATLAB 関数 ode45 ATLAB 計算に を使っ って配向の方程 程式を解きます。 。その後、Auto odesk Moldflow w Insight の 3D 解析と MA による、 シリンダーの半径上の選択した位置 置での繊維配向 向予測を比較し しました。Autod desk Moldflow w Insight のソ ソルバと LAB スクリプトに組み込んだ繊 繊維配向方程式 式はともに、標準的な Folgar-Tucker モデ デルです。 MATL 図 14 両者の結果がほぼ完 4 と 図 15 の比 比較結果はそれ れぞれ、ニュー ートン流体とベキ キ乗則流体の比 比較結果です。両 全に一 一致していること とから、Autode esk Moldflow でビーム要素の の配向方程式を を正しく解析で できていることが が分かり ます。 図 13. 検証用に作成したビー ーム要素を含む む 3D モデル: ジオメトリとメッ ッシュ 9 Autodesk Moldflow Insight 2011: 繊維配向（3D）ソルバの検証 fiber orientation components 1 L = 5.5 mm 0.8 0.6 A11 (Moldflow) A22 (Moldflow) 0.4 A11 (Matlab) A22 (Matlab) 0.2 0 -1 -0.5 0 0.5 1 normalized thickness fiber orientation components 1 L = 10.5 mm 0.8 0.6 A11 (Moldflow) A22 (Moldflow) 0.4 A11 (Matlab) A22 (Matlab) 0.2 0 -1 -0.5 0 0.5 1 normalized thickness fiber orientation components 1 L = 25.5 mm 0.8 0.6 A11 (Moldflow) A22 (Moldflow) 0.4 A11 (Matlab) A22 (Matlab) 0.2 0 -1 -0.5 0 0.5 1 normalized thickness 図 14. ビーム要素: Autodesk Moldflow Insight 2011 と MATLAB スクリプトによるニュートン流体の等 温流の繊維配向予測の比較 (L はランナーノズルまでの距離、1 は軸方向、2 はシリンダーのビームの半 径方向、繊維の相互作用係数 CI = 0.002) 10 Autodesk Moldflow Insight 2011: 繊維配向（3D）ソルバの検証 fiber orientation components 1 L = 5.5 mm 0.8 0.6 A11 (Moldflow) A22 (Moldflow) 0.4 A11 (Matlab) A22 (Matlab) 0.2 0 -1 -0.5 0 0.5 1 normalized thickness fiber orientation components 1 L = 10.5 mm 0.8 0.6 A11 (Moldflow) A22 (Moldflow) 0.4 A11 (Matlab) A22 (Matlab) 0.2 0 -1 -0.5 0 0.5 1 normalized thickness fiber orientation components 1 L = 25.5 mm 0.8 0.6 A11 (Moldflow) A22 (Moldflow) 0.4 A11 (Matlab) A22 (Matlab) 0.2 0 -1 -0.5 0 0.5 1 normalized thickness 図 15. ビーム要素: Autodesk Moldflow Insight 2011 と MATLAB スクリプトによるベキ乗則流体の等 温流の繊維配向予測の比較 (L はランナーのノズルまでの距離、1 は軸方向、2 はシリンダーのビームの 半径方向、繊維の相互作用係数 CI = 0.002) 11 Autod desk Moldflow w Insight 201 11: 繊維配向（（3D）ソルバの検 検証 四面 面体要素の配 配向計算検 検証 さらに に 2 つのシンプ プルなジオメトリ リ(プラークとデ ディスク)を使用し して、3D 繊維ソルバによる四 四面体メッシュの繊維 解析を検証しま ました。図 16 と図 と 17 は、そ それぞれのモデ デル形状と 3D メッシュを示し しています。プラ ラークは 配向解 長さ 9 90 mm、幅 60 0 mm、厚さ 1.5 mm です。デ ディスクは内側 側の半径が 10 mm、外側の半 半径が 90 mm m、厚さ 1.5 m mm です。この検証テストでも も、ニュートン流 流体とベキ乗則流 流体と等温流を を使用していま ます。平行なプラ ラークと 平行な なディスクの間の の圧流の解析を を MATLAB ス スクリプトに組み み込んで、繊維配向方程式を解 解析します。 Autod desk Moldflow w Insight 2011 1 と MATLAB スクリプトによ よる、プラークと とディスクにおけ ける選択した位置の繊 維配向 向の予測結果を を比較したものが図 18 ～ 2 21 です。両者の の結果は見事に一致していま ます。若干の差 差がある のは、MATLAB では は注入口におけ ける流動が計算 算に入っていない いためです。 図 16. プラーク ク: ジオメトリと 3D メッシュ 図 17. ディスク ク: ジオメトリと 3D メッシュ 12 Autodesk Moldflow Insight 2011: 繊維配向（3D）ソルバの検証 fiber orientation components 1 L = 5 mm 0.8 0.6 A11 (Moldflow) A22 (Moldflow) 0.4 A11 (Matlab) A22 (Matlab) 0.2 0 -1 -0.5 0 0.5 1 normalized thickness fiber orientation components 1 L = 35 mm 0.8 0.6 A11 (Moldflow) A22 (Moldflow) 0.4 A11 (Matlab) A22 (Matlab) 0.2 0 -1 -0.5 0 0.5 1 normalized thickness fiber orientation components 1 L = 55 mm 0.8 0.6 A11 (Moldflow) A22 (Moldflow) 0.4 A11 (Matlab) A22 (Matlab) 0.2 0 -1 -0.5 0 0.5 1 normalized thickness 図 18. プラーク: Autodesk Moldflow Insight 2011 と MATLAB スクリプトによるニュートン流体の等温 流の繊維配向予測の比較 (L はゲートまでの距離、1 は流動方向、2 はクロスフロー方向、繊維の相互作 用係数 CI = 0.006) 13 Autodesk Moldflow Insight 2011: 繊維配向（3D）ソルバの検証 fiber orientation components 1 L = 5 mm 0.8 0.6 A11 (Moldflow) A22 (Moldflow) 0.4 A11 (Matlab) A22 (Matlab) 0.2 0 -1 -0.5 0 0.5 1 normalized thickness fiber orientation components 1 L = 35 mm 0.8 0.6 A11 (Moldflow) A22 (Moldflow) 0.4 A11 (Matlab) A22 (Matlab) 0.2 0 -1 -0.5 0 0.5 1 normalized thickness fiber orientation components 1 L = 55 mm 0.8 0.6 A11 (Moldflow) A22 (Moldflow) 0.4 A11 (Matlab) A22 (Matlab) 0.2 0 -1 -0.5 0 0.5 1 normalized thickness 図 19. プラーク: Autodesk Moldflow Insight 2011 と MATLAB スクリプトによるベキ乗則流体の等温 流の繊維配向予測の比較 (L はゲートまでの距離、1 は流動方向、2 はクロスフロー方向、繊維の相互作 用係数 CI = 0.006) 14 Autodesk Moldflow Insight 2011: 繊維配向（3D）ソルバの検証 fiber orientation components 1 R = 15 mm 0.8 0.6 A11 (Moldflow) A22 (Moldflow) 0.4 A11 (Matlab) A22 (Matlab) 0.2 0 -1 -0.5 0 0.5 1 normalized thickness 1 R = 35 mm 0.8 0.6 A11 (Moldflow) A22 (Moldflow) 0.4 A11 (Matlab) A22 (Matlab) 0.2 0 -1 -0.5 0 0.5 1 normalized thickness fiber orientation components 1 R = 55 mm 0.8 0.6 A11 (Moldflow) A22 (Moldflow) 0.4 A11 (Matlab) A22 (Matlab) 0.2 0 -1 -0.5 0 0.5 1 normalized thickness 図 20. ディスク: Autodesk Moldflow Insight 2011 と MATLAB スクリプトによるニュートン流体の等温 流の繊維配向予測の比較 (R は半径、1 は半径方向、2 は接線方向、繊維の相互作用係数 CI = 0.006) 15 Autodesk Moldflow Insight 2011: 繊維配向（3D）ソルバの検証 fiber orientation components 1 R = 15 mm 0.8 0.6 A11 (Moldflow) A22 (Moldflow) 0.4 A11 (Matlab) A22 (Matlab) 0.2 0 -1 -0.5 0 0.5 1 normalized thickness fiber orientation components 1 R = 35 mm 0.8 0.6 A11 (Moldflow) A22 (Moldflow) 0.4 A11 (Matlab) A22 (Matlab) 0.2 0 -1 -0.5 0 0.5 1 normalized thickness fiber orientation components 1 R = 55 mm 0.8 0.6 A11 (Moldflow) A22 (Moldflow) 0.4 A11 (Matlab) A22 (Matlab) 0.2 0 -1 -0.5 0 0.5 1 normalized thickness 図 21. ディスク: Autodesk Moldflow Insight 2011 と MATLAB スクリプトによるベキ乗則流体の等温 流の繊維配向予測の比較 (R は半径、1 は半径方向、2 は接線方向、繊維の相互作用係数 CI = 0.006) 16 Autod desk Moldflow w Insight 201 11: 繊維配向（（3D）ソルバの検 検証 実際 際のパーツに における繊維 維配向ソル バの検証 Delph hi Corporation は数々のプラ ラークやディスク クを製造していま ます。プラークの のゲートは末端 端に、ディスクの のゲート は中央 央に配置されて ています。ISO 規格のプラーク 規 クは幅 80 mm、長さ 90 mm m、ディスクの半 半径は 90 mm です。 それぞ ぞれのキャビティ ィの厚みは 1.5 5 mm ～ 6 m mm で、厚みに によって 3 通りの射出速度(低 低速、中速、高速 速)を使 い分け けています。繊維 維配向の測定は は、プラークは は中心線に沿って て、ディスクは半 半径に沿ってゲ ゲートから 0 mm、30 m mm、6 60 mm の 3 箇所で幅 10 mm m にわたって て行いました。そ それぞれのセク クションを領域 A、B、C としま ます。 プラー ーク モデルとデ ディスク モデルで でのジオメトリと とメッシュの分布 布はそれぞれ、図 23、図 24 に示すとおりで です。シ ミュレー ーションと比較検証に使用した た全てのモデル ルは、厚み方向 向に 6 層設けて ています。 図 24 4 は、厚さ 1.5 mm のプラー ークを低速で充 填した場合の、 、中心線沿いの の領域 B で測 測定した実測デー ータと、 Autod desk Moldflow Insight 2010 Release 2、Au utodesk Moldfflow Insight 20 011 の予測結果 果を比較したも ものです。 両リリースとも結果は はほぼ同じです す。Autodesk M Moldflow Insigh ht 2011 のビー ーム要素の繊維 維配向計算によ よる影響 とんど見られませ せん。 はほと さらに別のケースの配 配向の実測デー ータと Autode sk Moldflow In nsight 2011 の予測結果を比 の 比較したものが図 図 25 と に見ると、繊維配向の予測結 結果はプラークで でもディスクでも も測定データとほ ほぼ一致してい います。 図 26 です。総体的に バはシェル-コア ア-シェルの繊維 維配向構造を予 予測しており、シ シェル層の結果 果とコア層の結果 果共に、実測デ データと ソルバ 一致し しています。 図 22. ISO 規格 格プラーク: ジオメトリと ジ 3D メッシュ 17 Autod desk Moldflow w Insight 201 11: 繊維配向（（3D）ソルバの検 検証 図 23. 中央にゲ ゲートを配置し したディスク: ジ ジオメトリと 3D メッシュ 1 fiber orientation components 0.9 0.8 0.7 A11 (data)) 0.6 A22 (data)) 0.5 A11 (Moldfflow 2010-R2) 0.4 A22 (Moldfflow 2010-R2) 0.3 A11 (Moldfflow 2011) 0.2 A22 (Moldfflow 2011) 0.1 0 0 0.2 0.4 0..6 0.8 1 no ormalized thickkness 図 24. ISO 規格プラーク、厚 規 厚さ 1.5 mm 、低速充填: 領域 領 B の繊維 維配向の測定 定データと Auttodesk M Moldflow Insight 2010 Release 2、Auto odesk Moldflo ow Insight 20 011 の解析結 果の比較 (1 は流動 方 方向、2 はクロス スフロー方向) 18 Autodesk Moldflow Insight 2011: 繊維配向（3D）ソルバの検証 1 fiber orientation components 0.9 0.8 0.7 0.6 A11 (data) 0.5 A22 (data) 0.4 A11 (simulation) 0.3 A22 (simulation) 0.2 0.1 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 normalized thickness 図 25. ISO 規格プラーク、厚さ 3 mm、中速充填: 領域 B の繊維配向の測定データと Autodesk Moldflow Insight 2011 の解析結果の比較 (1 は流動方向、2 はクロスフロー方向) 1 fiber orientation components 0.9 0.8 0.7 0.6 A11 (data) 0.5 A22 (data) 0.4 A11 (simulation) 0.3 A22 (simulation) 0.2 0.1 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 normalized thickness 図 26. 中央にゲートを配置したディスク、厚さ 1.5 mm、低速充填: 領域 B の繊維配向の測定データと Autodesk Moldflow Insight 2011 の解析結果の比較 (1 は半径方向、2 は接線方向) 19 Autod desk Moldflow w Insight 201 11: 繊維配向（（3D）ソルバの検 検証 謝辞 オート トデスクより、以下の方々に感謝の意を表しま ます。 C Charles L. Tucker III 教授(繊 繊維配向方程式 式を解析する MATLAB M スクリ リプトの提供) ド ドイツ Hager GmbH G 社、フラン ンス Rhodia E Engineering Plastics 社(射出 出成形部品の提 提供) D Delphi Corpora ation (本レポー ートで使用したモ モデルと繊維配 配向測定データの提供) 改訂日： 2011 年 8 月 esk, Inc. All rights resserved. © 2011 Autode このドキュメント トのすべて、または本ド ドキュメントの一部は、 、オートデ スクの許可があ ある場合を除き、いかな なる形式、方法、目的 的でも複製 することはできな ないものとします。 商標 Autodesk、Moldflow は、米国および び／またはその他の国 国々におけ る、Autodesk, Inc. の登録商標また たは商標です。その他のすべて のブランド名、製 製品名、または商標は は、それぞれの所有者 者に帰属し ます。その他のすべてのブランド名、製 製品名、または商標は は、それぞ れの所有者に帰 帰属します。オートデス スクは、通知を行うこと となくいつ でも該当製品お およびサービスの提供、 、機能および価格を変 変更する権 利を留保し、本書 書中の誤植または図表 表の誤りについて責任 任を負いま せん。 免責事項 オートデスクはこのドキュメントおよび びドキュメントに含まれ れる情報を 提供し、 これらのマテ リアルについて、商品 品性および 「現状有姿」で提 特定目的適合性 性に関する黙示的保証 証を含む（ただしこれに に限定され ない）、一切の明 明示的または黙示的保 保証を行わないものとし します。 20
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