製造業における生産技術シミュレーション

製造業における生産技術シミュレーション

生産技術は、生産プロセスの改善による歩留まり向上による低コスト化や、生産設備の安定稼働による品質の維持など、各製造業者が目標とする「QCD」の達成のために不可欠な技術です。また、製品開発、製造、出荷までの一連の工程をつなぐ役割もあります。

近年では、3Dプリンタを用いた金型レスの生産も注目されていますが、日本のものづくりには、コストや耐久性で優位な金型は依然として必要不可欠なものです。金型設計における生産技術シミュレーションは、自動車業界を中心に幅広く利用されており、金属のプレス加工プロセスや、樹脂の射出成形プロセスアルミ合金のダイカスト鋳造プロセスなど、多くの工業製品を対象に活用されています。

製品一覧

プレス加工の割れ不具合

プレス加工の割れ不具合

材料に割れやしわが発生しない金属プレスの加工プロセスを実現するために、絞り工程における成形形状(ダイフェース)や製品形状を十分に注意して設定することが要求されます。これらの不具合の発生を実際の金型作製を開始する前に予測して対策を立てるためのツールとして、プレス成型シミュレーションが用いられます。図1はオイルパンの設計の際に、2通りの形状に対する絞り工程のプレス成形シミュレーションを行い、計算された板厚減少率分布に基づいて割れの危険性を検討した例です。ダイ肩Rの小さい(R5)形状(左)では、過度の板厚減少部位があり、割れの発生が予測されたが、ダイ肩RをR10に変更したところ(右)、板厚減少が抑制され、割れの発生を防止できていることを確認しました。

図1 オイルパンの金属プレス成形シミュレーション結果

プレス成型シミュレーション
射出成形のランナー・ゲート設計

射出成形のランナー・ゲート設計

図2の例では、樹脂の射出成形用の金型の更新時にゲート点数の低減を検討しました。ゲート点数を低減することで、ランナー部の樹脂量を削減できるため歩留りが向上し製品コストの削減が期待できます。また、ピンゲートからサブマリンゲートへ変更することにより、金型構造も簡略化でき、金型費も削減できます。ゲート点数を低減することにより充填不良と圧力不足による反りの増大が懸念されるため、シミュレーションによる充填可能性を検討しました。その結果、ゲート点数4点から1点に低減した場合の流動性に大きな問題ないことが判明しました。反り解析で変形量も検討しましたが、1点ゲートとした場合も反り変形の増加は見られませんでした。

図2 射出成形のゲート点数低減検討事例

射出成型シミュレーション
ダイカストの溶湯の射出充填

ダイカストの溶湯の射出充填

図3はショットスリーブに入れられたアルミ合金の溶湯が射出充填される様子です。ショットスリーブに入った溶湯はプランジャの前進によって金型の中に注入されます。一般に最初は低速で溶湯をスリーブ中で湯面の高さを上げ(図3左)、その後高速に切り替えてキャビティに充填します。しかし、高速のまま射出し終わると湯がバリとなって製品に出やすくなります。充填終了の間際にプランジャにブレーキをかけて減速することが行われます(図3右)。ショットスリーブから溶湯はスムーズに射出充填されることが重要です。ショットスリーブ内で湯が暴れ、波が立つと空気を巻き込んだまま溶湯は充填されますので、出来る限り避けるべき現象になります。鋳造シミュレーションでは、このような溶湯の状態を事前に計算できます。

図3 ダイカストの溶湯の射出充填事例

鋳造シミュレーション
金属押出成形シミュレーション

アルミ合金の押出成形シミュレーション

押出成形シミュレーションは、ダイスを通すことにより素材の断面積を減少させる押出加工プロセスのシミュレーションです。この加工法では塑性変形はダイス部の近傍で発生し、変形が時間に依存しない定常変形が現れるため、主に定常押出解析としてシミュレーションが実施されます。押出成形シミュレーションによってダイス内部の素材の流れを可視化できます。

金属押出成形シミュレーション
ポリウレタンの発泡成形シミュレーション

ポリウレタンの発泡成形シミュレーション

ポリウレタンの製造には、2つの主要な液体成分(ポリオールとポリイソシアネート)と発泡剤が必要です。ポリオールとポリイソシアネートが混合されたときに起こる化学反応がポリウレタンを生成します。このポリウレタンの液体を金型の内部に注入する形で発泡成形プロセスのシミュレーションを実施します。発泡成形シミュレーションでは、化学反応に伴う充填パターンや外観不良などの発泡現象を可視化できます。

ポリウレタンの発泡成形シミュレーション

射出成形向けeガイド

Design for Manufacturing

射出成形の全体的な流れは単純なように見えますが、各工程における多数の変数の相互関係は複雑です。

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主な製品

Altair独自のシミュレーションツール群を使えば、製品の製造性の評価、製造プロセスの最適化、仮想試作などを行うことができます。従来の成形加工や除去加工だけでなく、3Dプリンティングを含む多くの製造法に対応しています。操作性がシンプルで、お求めやすい価格のシミュレーションソフトウェアを導入することで、開発の初期段階で設計を評価できるようになります。製品ごとの製造性の制約を考慮して最適化すれば、設計の質を高め、構造特性に優れた製品を実現できます。

Altairの生産技術シミュレーションは、自動車、航空宇宙、電子機器、医薬品、重工業など、幅広い分野に対応しています。

プレス成形

プレス成形シミュレーション

Altair® Inspire™ Formは、製品設計者や生産プロセスエンジニアが設計を最適化し、優れた生産技術と材料コストの削減するために効率的に使用できるプレス成形シミュレーションシステムです。高速で容易なワンステップ解析モジュールで、素早く初期製品開発段階でのプレス成形性を予測できます。自動ブランクネスティングは、展開ブランクのコイル状での歩留りを最大化する最適レイアウトを生成します。また、インクリメンタル解析では、スケーラビリティの高いソルバーを搭載し、最新の直感的なユーザーインターフェースを使用して、多工程のプレス成形工程を繰り返しシミュレーションできるため、高品質のプレス部品を金型作製前に検討できます。

射出成形

射出成形シミュレーション

Altair® Inspire™ Moldは、射出成形品は、射出成形部品の製造性考慮設計(DfM)を合理化するための近代的な統合アプローチを提供します。金型設計の仮想試験、検証、修正、最適化を5段階のワークフローで簡単に行うことができ、射出成形部品の製造性評価にアクセスすることで、金型の製作に多額の資金を投じる前に、一般的な射出成形上の欠陥リスク(反り、ヒケ、ショートショットなど)を軽減することができます。Altairは、樹脂部品の初期設計や射出成形プロセスの理解から、強化エンジニアリングポリマーの材料マッピング、複雑な部品の構造性能と疲労性能の効率的な分析と最適化まで、革新的で製造可能な製品をより早く開発するための包括的なソリューションを提供しています。

より高度な解析向けツールであるAltair® SimLab™を活用すれば、実現可能性から性能の検証に至るまで、エンドツーエンドのシミュレーションをシームレスに実行できます。

鋳造シミュレーション

鋳造シミュレーション

Altair® Inspire™ Castは、設計者向けをコンセプトに開発された鋳造シミュレーションソフトウェアです。非常に直感的なユーザーインターフェースを使って、高品質のコンポーネントを作成できるのが特長です。初期設計段階で気泡、引け巣、湯境、金型劣化などの一般的な鋳造欠陥を視覚的に確認し、早期に修正することで、下流工程での修正に伴うコスト増を防ぐことができます。プロセステンプレートを用いることにより、重力金型鋳造、重力砂型鋳造、インベストメント鋳造、ダイカスト、低圧鋳造、傾斜鋳造の鋳造方法を、用意されたガイドに従って5つのステップを実行するだけで簡単にシミュレーションできます。APAを通じて、その他の鋳造シミュレーション製品も利用できます。

押出シミュレーション

押出成形シミュレーション

押出用の金型を製作する前に潜在的な欠陥を検出することで、より良い設計にたどり着くことができます。複雑さを極めるプロファイルであっても、Inspire Extrude Metalを使用すれば、バーチャル製造検証ができます。形状作成と簡略化ツールを使用して、CADを素早く簡略化してツール内で修正することができるため、潜在的なプロファイルの歪み、金型たわみによる損傷、ビレット後端部の汚染、チャージ溶接の欠陥、不良シーム溶接、不良粒度、過熱プロファイル品質、表面品質不良の問題を開発の初期段階で確実に修正できます。また、Inspire Extrude Polymerは、ポリマーの押出成形専用のシミュレーションシステムです。

ポリウレタンの発泡

発泡成形シミュレーション

セルラーポリマーやエキスパンドポリマーとしても知られる硬質で柔軟なポリウレタンフォームは、身の回りの至るところで使われています。軽量性、単位重量あたりの強度、断熱性などの重要な特性に加え、高い持続可能性も備えているため、産業用や家庭用の幅広い用途で魅力的な製品が生まれています。

Altair® Inspire™ PolyFoamは、ポリウレタンの軟質発泡成形部品や硬質発泡パネルの製造性検討を支援するシミュレーションシステムです。開発サイクルの初期段階で設計者や製品エンジニアがシミュレーションを利用できるようにすることで、製品の改良や、スクラップや金型開発における手戻り工数の削減につながる設計案の検討が容易になります。

3Dプリンティング

3Dプリンティング

Altair® Inspire™ Print3Dは、材料使用量、プリント時間、後処理を低減し、開発や3Dプリンティングのコスト削減を可能にするツールです。高速かつ正確なツールセットで、レーザー溶融法(SLM)部品の設計と製造プロセスをシミュレーションできます。プリンターのタイプから切り離して挙動を捉えることで、重要なプロセス変数を評価し、簡単に修正できます。さらに、Altairパートナーアライアンス(APA)からも、サードパーティ製製造プロセス解析ツールを入手可能です。

プロセス製造

プロセス製造

Altair® EDEM™は、粉粒体のハンドリングと処理を行う装置向けの性能最適化ソフトウェアです。製薬、化学、消費者製品、アスファルトなどのプロセス産業をリードする世界各地の企業で使用されています。EDEMでは、実験による検証が困難あるいは不可能な、粉体や小片などの粉粒体の挙動を正確に模擬および解析することにより、プロセス製造に関する重要な知見を得ることができます。

プリント基板とエレクトロニクス

プリント基板とエレクトロニクス

Altair® Pollex™なら、開発の初期段階で製造性考慮設計(DFM)を検証できます。製造、実装、パネライズ(面付け)、テストのデータを生産ラインの機械に反映することで、プリント基板(PCB)の製造、組み立て、完成品テストを効率化します。

PollExは単なるPCB検証ツールではなく、スマート製品やコネクテッドデバイス、厳密に包装された電子製品の開発を迅速化するためのソリューションです。

 
Composites

複合材料

複合材料の挙動は、部品が製造される際に決定されます。Altair® Multiscale Designer™なら、マルチスケールの異種材料モデルの開発とシミュレーションを実行できます。また、AltairとAPAのサードパーティ製品を併用することで、サンドイッチ構造および多層構造の複合材のドレープと成形をシミュレートし、製造性を確保できます。

エンジニアリングプラスチックの場合、SimLabを活用すれば、充填時の繊維配向の非常に正確なシミュレーションと、完全なアセンブリの構造性能の分析が可能です。

Altair® Material Data Center™は、シミュレーションに不可欠な高忠実度の材料データベースです

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Altairパートナーアライアンス(APA)生産技術ソリューション

Altairパートナーアライアンス(APA)のパートナー製品を利用して、製造技術をさらに強化できます。APAの製造ソリューションは、Altairのワークフローと連携させることができ、製品開発ライフサイクルの向上を支援します。

  • Additive Works社のAmphyonは、金属3Dプリンティングのためのシミュレーションベースのジョブプレパレーションツールであり、パーツの精度を高め、不良率を最小限に抑えることができます。
  • Materialise社の3-maticソフトウェアは、Altairのトポロジー最適化を強化します。STLファイルで動作し、設計の修正、リメッシュ、3Dテクスチャの作成などを行うことができます。
  • MFRC社のAFDEXは、金属成形シミュレーションのあらゆるニーズに対応し、金属成形荷重をより正確に予測できる理想的なツールです。

上記をはじめとしたパートナー製品は、Altair Unitsのライセンスを通じてご利用いただけます。

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製造シミュレーションに関する資料

成形性でお悩みの樹脂製品設計者必見!簡単操作の樹脂流動解析セミナー

「薄肉形状で樹脂製品を設計したが、成形の難易度が高過ぎる」「生産技術部門や解析部門では、設計案一つ一つを解析・レポートする工数はとれない」といった、樹脂成形に関するお悩みはございませんか? Altair Inspire Moldは、ゲートの作成や位置決めなどをマウス操作で簡単に設定でき、これらの問題を解決するための柔軟なゲート設計をサポートします。 セミナーの内容 -製造性の設計プロセスを合理化する方法 - Inspire Moldについて - 製品デモ

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フォード・メキシコ、機械学習モデルで板金加工プロセスを自動化

フォード・モーター・カンパニーは、Fortune 50の自動車メーカーで、世界中に工場を持ち、何百万台もの自動車を毎年生産しています。品質、効率、市場投入までのリードタイム、これらすべての改善が同社の収益性と売上成長に不可欠です。 フォード社は、製品開発のサポートのため30年以上にわたりAltairと連携しています。現在は、自動車だけでなく、トラック、重機の開発にもAltairのソフトウェアを採用しています。

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ユーシンの鋳造シミュレーション

自動車部品メーカーである株式会社ユーシンは自動車デッドロックピンのダイカスト鋳造シミュレーションにClick2Castを使用し、欠陥箇所の特定と設計を最適化しました。

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インベストメント鋳造メーカーWisconsin Precision Casting社が、構造設計最適化と製造プロセスシミュレーションにより、渦流ポンプケーシングのインベストメント鋳造コストを削減する

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