特開 2024-73330 一体発泡シミュレーション方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024073330

(43)【公開日】2024-05-29

(54)【発明の名称】一体発泡シミュレーション方法

(51)【国際特許分類】

   B29C 45/76 20060101AFI20240522BHJP

   B29C 45/14 20060101ALI20240522BHJP

【ＦＩ】

B29C45/76

B29C45/14

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022184481

(22)【出願日】2022-11-17

(71)【出願人】

【識別番号】000133098

【氏名又は名称】株式会社タチエス

(74)【代理人】

【識別番号】110000350

【氏名又は名称】ポレール弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】田畑 毅

【テーマコード（参考）】

4F206

【Ｆターム（参考）】

4F206AB02

4F206AD08

4F206AH27

4F206AM23

4F206JA04

4F206JB12

4F206JL09

4F206JQ81

(57)【要約】

【課題】柔軟な部材で形成された表皮を型の内部に装填した状態で布や皮革の内部に発泡原料を注入して発泡させ発泡体を形成する場合においても適用可能な一体発泡シミュレーション方法を提供する。
【解決手段】型の内部に設置した柔軟な部材で形成された表皮の内部に注入口から発泡原料を供給して表皮の内部に発泡体を充填させることにより一体発泡成形品を形成する工程をシミュレーションする一体発泡シミュレーション方法において、型の内部の形状を固定境界条件として設定し、表皮の内部への発泡体の充填の状態に応じて形状が変化する表皮の材料特性値を設定し、固定境界条件と材料特性値に基づき、表皮を型の内部へセットした際の表皮の形状から表皮の内部への発泡体を充填させることで表皮を材料特性値および固定境界条件に基づいて一体発泡成形品を形成することをシミュレーションするようにした。
【選択図】 図８

【特許請求の範囲】

【請求項1】

型の内部に設置した柔軟な部材で形成された表皮の内部に注入口から発泡原料を供給して前記表皮の前記内部に発泡体を充填させることにより一体発泡成形品を形成する工程をシミュレーションする方法であって、
前記型の前記内部の形状を固定境界条件として設定し、
前記表皮の前記内部への前記発泡体の充填の状態に応じて形状が変化する前記表皮の材料特性値を設定し、
前記固定境界条件と前記材料特性値に基づき、前記表皮を前記型の前記内部へセットした際の前記表皮の形状から前記表皮の前記内部への前記発泡体を充填させることで前記表皮を前記材料特性値および前記固定境界条件に基づいて一体発泡成形品を形成することをシミュレーションする
ことを特徴とする一体発泡シミュレーション方法。

【請求項2】

請求項1に記載の一体発泡シミュレーション方法であって、
前記固定境界条件と前記材料特性値に基づいて前記表皮を前記型の前記内部へセットした際の前記表皮の形状を算出することを特徴とする一体発泡シミュレーション方法。

【請求項3】

請求項1に記載の一体発泡シミュレーション方法であって、
前記表皮の前記内部には構造物が装着されており、前記設定した前記表皮の前記材料特性値に基づいて、前記表皮の前記内部への前記発泡体の充填の状態に応じて前記表皮と前記構造物との間隔が変化することを特徴とする一体発泡シミュレーション方法。

【請求項4】

請求項1に記載の一体発泡シミュレーション方法であって、
前記表皮の前記材料特性値として、前記表皮の単位面積当たりの重さと前記表皮の伸び率と前記表皮の伸びの限界を入力することを特徴とする一体発泡シミュレーション方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、一体発泡シミュレーションに係るものである。

【背景技術】

【0002】

射出成型法において型の内部における材料の流動解析を行う方法ついては、例えば特許文献1に記載されているような、射出成形品の形状を複数の微小要素に分割したシェルメッシュを用いて、流体の流動過程を数値解析する射出成形の流動解析方法において、微小要素ごとに、肉厚差と流体の速度とで表される関数を含む粘度式を演算処理して、流体の流れ解析を行う方法が知られている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００８－１８８９５７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

車両用のヘッドレストやアームレストなどは、内部に金属製のパイプなどで形成された構造物が装着された布や皮革(人工皮革)などで形成した表皮を型の内部に装填した状態でこの表皮の内部に発泡原料を注入し、発泡原料を発泡させて表皮の内部に充填させることで、内部に装着した構造物と一体で形成される。

【0005】

この場合、表皮を形成する布や皮革は柔軟な材料で形成されているので、型の内部に装填した状態においては、表皮は型に密着せずに変形して保持される。

【0006】

この状態で表皮の内部に発泡原料を注入し発泡させて発泡体を充填させると、柔軟な表皮は発泡した材料(発泡体)に押しのけられながら膨らみ、型に密着するまで変形する。

【0007】

このような柔軟な部材で形成された表皮の内部に発泡原料を注入して発泡体を形成する工程について流動解析を行う場合、特許文献1に記載されているような固定境界を前提とした解析方法では、実際の樹脂材料の注入工程における布や皮革の変形が反映されず、流動解析の精度が低くなってしまう場合が発生する。このような流動解析に基づいて製造された型を用いて表皮の内部に発泡原料を注入して発泡体を形成した場合、表皮と発泡体との間に空洞(void)が形成されてしまい不良となり、型を作り直さなければならないという問題があった。

【0008】

本発明は、上記した従来技術の課題を解決して、柔軟な部材で形成された表皮を型の内部に装填した状態で表皮の内部に発泡原料を注入して発泡させ発泡体を形成する場合においても適用可能な一体発泡シミュレーション方法を提供するものである。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記した課題を解決するために、本発明では、型の内部に設置した柔軟な部材で形成された表皮の内部に注入口から発泡原料を供給して表皮の内部に発泡体を充填させることにより一体発泡成形品を形成する工程をシミュレーションする一体発泡シミュレーション方法において、型の内部の形状を固定境界条件として設定し、表皮の内部への発泡体の充填の状態に応じて形状が変化する表皮の材料特性値を設定し、固定境界条件と材料特性値に基づき、表皮を型の内部へセットした際の表皮の形状から表皮の内部への発泡体を充填させることで表皮を材料特性値および固定境界条件に基づいて一体発泡成形品を形成することをシミュレーションするようにした。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、実際の樹脂材料の注入工程における布や皮革の材料特性値に応じた変形を反映させることで流動解析の精度を高くすることができるようにしたことにより、型の作り直しを低減することが可能になった。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】車両用のヘッドレストの外観を示す斜視図である。

【図2】図1のＡ-Ａ断面図である。

【図3】ヘッドレストの表皮の内部に発泡材量を充填して発泡体を形成するために用いる型の斜視図である。

【図4】ヘッドレストを内部にセットした状態における型の断面図である。

【図5】ヘッドレストの発泡材量を充填した状態において、ヘッドレストの表皮と型との間に空洞が生じてしまった状態を示す型の断面図である。

【図6】姿勢を変えたヘッドレストを内部にセットした状態における型の断面図である。

【図7】ヘッドレストの発泡材量を充填した状態において、ヘッドレストの表皮と型との間に隙間が発生していない状態を示す型の断面図である。

【図8】本発明の実施例に基づく流動解析の手順を示すフロー図である。

【図9】本発明の実施例に基づく流動解析方法を用いてヘッドレストを製造する手順を示すフロー図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

本発明は、内部に構造物が装着された表皮部材を型に装着した状態で表皮部材の内部に発泡原料を注入し発泡体を成形する工程をシミュレーションする方法において、内部に構造物が装着された表皮部材を柔軟材料として境界条件を設定するようにしたことで、実際の発泡原料の注入工程における表皮部材の変形を反映させることを可能にして、一体発泡シミュレーションにおける流動解析の精度を高くすることができ、より現実の注入工程に近い解析を行うことを可能にした。その結果、表皮部材と内部の発泡体との間に空洞を発生させないような型構造を一体発泡シミュレーションにより求めることができ、型の作り直しを低減させたものである。

【0013】

以下に本発明の実施例を、図面を用いて説明する。ただし、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。本発明の思想ないし趣旨から逸脱しない範囲で、その具体的構成を変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。

【実施例0014】

本発明の実施例として、車両用のヘッドレストに本発明を適用した場合について、図を用いて説明する。

【0015】

図１は車両用のヘッドレスト１０の外観を示す斜視図、図２は図1のＡ-Ａ断面図である。ヘッドレスト１０は、布又は皮革(人工皮革)などの比較的柔軟な材料を縫製して形成されて外部を覆う表皮(トリムカバー)１１と、表皮１１の内部に充填された発泡体（例えば、ウレタン）１２，ヘッドレスト１０を図示していない車両の座席のシートバックに取り付けて固定するための金属製のパイプで形成されたステー１３を備えている。１４は、表皮１１の内部に発泡体１２の材料となる発泡原料を充填させるための注入口である。

【0016】

図３に、表皮１１の内部に発泡材量を充填して発泡体１２を形成するために用いる型２０を示す。型２０は、金属または樹脂で形成された上型２１、下型２２，前型２３を備えている。上型２１には、ヘッドレスト１０を横向きにした状態(図1に示した状態)でヘッドレスト１０の上側の形状に対応する上型形状２１１が形成されている。下型２２には、ヘッドレスト１０を横向きにした状態でヘッドレスト１０の下側の形状に対応する下型形状２２１が形成されている。前型２３はヘッドレスト１０の下部に対応し、ステー１３が通る１対の溝２３１と表皮１１の内部に発泡原料を充填するためのパイプ孔２３２が形成されている。

【0017】

ヘッドレスト１０は、図４に示すように表皮１１にステー１３を装着した状態で上型２１と下型２２との間にセットされ、パイプ孔２３２を通して注入口１４から表皮１１の内部にノズル３０が挿入されるこの状態では、比較的柔軟な材料で形成された表皮１１は重力で垂れ込んで、表皮１１と上型形状２１１、下型形状２２１との間に隙間４１，４２が発生している。

【0018】

表皮１１を上型２１に形成された上型形状２１１と下型２２に形成された下型形状２２１との間にセットした状態で、図示していない供給手段から供給された発泡原料１２０を注入口１４に挿入したノズル３０から表皮１１の内部に供給する。表皮１１の内部に供給された発泡原料は発泡して発泡体１２を形成し、重力で垂れ込んだ状態の柔軟な表皮１１は発泡体１２に押されて膨らみ、上型形状２１１及び下型形状２２１と表皮1１の間に存在していた空気は型２０の外部に排出される。発泡体１２は表皮１１の内部で発砲しながら膨らんで、表皮１１は型２０の上型形状２１１、下型形状２２１に密着するまで変形するが、このとき、表皮１１の内部に残っている空気は発泡体１２に押されて、表皮１１に形成された注入口１４とノズル３０との間の隙間からノズル３０とパイプ孔２３２との隙間を通って外部に排出される。表皮１１の内部で膨らんだ発泡体１２は徐々に温度が低下して、表皮１１を膨らませた形状を保持した状態で固化する。

【0019】

しかし、型２０に形成された上型形状２１１、下型形状２２１の傾き（型２０の内部におけるヘッドレスト１０の姿勢(傾き)に相当)が適正でないと、表皮１１の内部で発泡した発泡体１２が表皮１１を上型形状２１１及び下型形状２２１に沿って膨らませたときに、表皮１１の内部の空気を表皮１１に形成された注入口１４とノズル３０との間の隙間から完全に外に逃がすことができずに表皮１１の内部に残ってしまったり、発泡体１２の温度が低下して収縮することにより、表皮１１と発泡体１２との間に図５に示すような空洞（void）１２１が発生してしまう場合が生じる。このような場合、ヘッドレスト１０は不良品となってしまう。

【0020】

この場合、型２０を作り直して空洞１２１が形成されるのを回避しなければならず、型２０を再製作するための工程と費用が増加するとともに、ヘッドレスト１０の良品を作成するまでの時間がかかってしまうという課題が発生する。

【0021】

ここで、表皮１１の内部に金属製のパイプで形成された剛体のステー１３が装着された状態で発泡原料１２０を供給して表皮１１の内部に発泡体１２を発泡させると、発泡体１２に押されて柔軟な材料で形成された表皮１１が膨らむ。その結果、ステー１３と表皮１１の間隔が変化するために発泡体１２の流動抵抗が変化して、表皮１１の内部における発泡体１２の流れが変わってしまう。

【0022】

このような柔軟な部材で形成された表皮１１の内部に発泡原料１２０を注入して発泡体１２を形成する工程について流動解析を行う場合、特許文献1に記載されているような固定境界を前提とした解析方法では、実際の発泡原料１２０の注入工程における比較的柔軟な材料で形成された表皮１１の変形(伸び)によるステー１３との間の発泡体１２の流路の断面形状の変化が反映されず、流動解析の精度が低くなってしまう。

【0023】

すなわち、実際の発泡原料の注入工程では、発泡原料の注入により表皮１１が膨らむ方向に押し出されて、ステー１３とその近傍の表皮１１との間隔が拡大して発泡体１２の流入の抵抗(流動抵抗)が減少し、表皮１１の内部における発泡体１２の拡散 (流れ)の速さが変化するが、固定境界を前提とした解析方法では、この流れの変化を反映させることができない。その結果、図５で説明したように、表皮１１の内部の空気が表皮１１に形成された注入口１４とノズル３０との間の隙間から完全に外部に排出されずに残ってしまい、表皮１１と発泡体１２との間での空洞１２１の発生を防止することができず、不良品が発生してしまう可能性がある。

【0024】

これに対して、本実施例では、表皮１１を柔軟部材として扱い、発泡原料が注入されて発泡体１２が形成されていく状態に応じて、表皮１１が外側に押し出されて伸びながら境界が変化する柔軟な境界条件を設定するようにした。すなわち、ステー１３とその近傍の表皮１１との間隔を発泡体１２の形成状態に応じて変化させ、より実際の発泡原料の注入工程に近い流動解析のシミュレーションを行えるようにした。

【0025】

これにより、実際の発泡原料の注入工程における表皮１１の内部における発泡体１２の拡散(流れ)の速さの変化を反映させたシミュレーションを行うことが可能になり、発泡体１２が表皮１１の内部に充填されていくに従って表皮１１の内部に残っている空気が表皮１１に形成された注入口１４とノズル３０との間の隙間から確実に外部に逃げられるような表皮１１の姿勢を求めることができるようになり、この表皮１１の姿勢に対応する型２０の上型形状２１１と下型形状２２１との形状をシミュレーションにより求めることが可能になった。

【0026】

すなわち、実際の発泡原料の注入工程における表皮１１の内部における発泡体１２の拡散(流れ)の速さの変化を反映させたシミュレーションを行うことを可能にしたことにより、型２０の上型形状２１１と下型形状２２１との形状として、発泡体１２が表皮１１の内部に充填されていくに従って表皮１１の内部の空気が表皮１１に形成された注入口１４とノズル３０との間の隙間から確実に外部に逃げられるようにして、発泡体１２と表皮１１との間に空洞１２１が形成されるのを防止するのに適した形状をシミュレーションにより求めることを可能にした。

【0027】

流動解析のシミュレーションにおいて表皮１１を柔軟部材として扱うためには、予め表皮１１の材料特性を測定しておく必要がある。測定する表皮１１の材料特性としては、密度（単位面積当たりの重さ）、伸び率（単位の引っ張り力に対する縦方向と横方向の伸び）などを測定する。

【0028】

流動解析に際しては、これらの測定して得られた材料特性値に加えて、伸びの限界（例えば、表皮１１が皮革で形成されている場合は５％、布で形成されている場合は２０％）も設定して、発泡体１２と表皮１１との間に空気が取り残された空洞１２１が形成されないような型２０における上型形状２１１と下型形状２２１の形状(ヘッドレスト１０の姿勢（傾き）に相当)を決定する。

【0029】

図６に、このようなシミュレーションにより求めた上型形状２１１－１が形成された上型２１－１と下型形状２２１－1が形成された下型２２－１及び前型２３－１を示す。

【0030】

この型２０を用いて、注入口１４から表皮１１の内部に挿入したノズル３０から発泡原料を注入することにより、図7に示すように、表皮１１の内部に発泡体１２を充填させて表皮１１を上型形状２１１－１及び下型形状２２１－1の形状に倣わせた状態で、表皮１１と発泡体１２との間に空洞１２１が発生するのを防止することができるようになった。

【0031】

その結果、本実施例では、型２０の作り直しを防止すること、または、型２０を作り直す回数を減らすことができるようになった。

【0032】

図８に、本実施例に基づく、一体発泡シミュレーション方法の手順を示す。
まず、ステー１３を含むヘッドレスト１０の最終形状を、複数の微小要素に分割してメッシュセルを用いて設定することで、ヘッドレスト１０の最終形状に対応する型の内部の形状を固定境界条件として設定する(Ｓ８０１)。

【0033】

次に、表皮の内部への発泡体の充填の状態に応じて形状が変化する表皮の材料特性値を設定するために、予め測定しておいた表皮１１の材料特性と伸びの限界条件や、流動解析のための種々の条件（発泡材量の粘性、密度、比熱、熱伝導率、流動停止温度などを含む樹脂データ、発泡原料の射出時の温度、射出圧力、射出流速などの射出データ、型の熱伝導、比熱などを含む型データなど）を入力する。（Ｓ８０２）。

【0034】

次に、固定境界条件と材料特性値に基づいて表皮を型の内部へセットした際の表皮の形状を算出して、型２０におけるヘッドレスト１０の姿勢(型２０に設定した基準面に対するヘッドレスト１０の傾きに相当）を設定する（Ｓ８０３）。

【0035】

次に流動解析を実行して、表皮１１を型２０の内部へセットした際の表皮１１の形状から表皮１１の内部への発泡体１２を充填させることによる表皮１１の形状の変化を材料特性値および固定境界条件に基づいてシミュレーションして、表皮１１の内部が発泡体１２で充填された状態の一体発泡成形品の形状を求める。(Ｓ８０４)。

【0036】

次に、Ｓ８０４で求めた、表皮１１の内部が発泡体１２で充填された状態を評価して、表皮１１と発泡体１２との間に空気が取り残された空洞１２１が形成されていないかを確認する（Ｓ８０５）。

【0037】

表皮１１と発泡体１２との間に空気が取り残された空洞１２１が形成されている場合（Ｓ８０５でＮｏ）は、型２０におけるヘッドレスト１０の姿勢を変更して（Ｓ８０６）、Ｓ８０４に戻って流動解析を再度実行して、表皮１１の内部が発泡体１２で充填された状態を求める。

【0038】

一方、表皮１１と発泡体１２との間に空気が取り残された空洞１２１が形成されていないことが確認された場合（Ｓ８０５でＹｅｓ）は流動解析を終了し、この解析の結果に基づいて型２０を設計する。

【0039】

なお、Ｓ８０２で入力する表皮１１の材料特性のデータとして、伸び率を、表皮の形状に応じて変えるように設定してもよい。すなわち、複数の表皮部材を縫合した個所や、折り曲げた形状の部分やそれらに近い部分の表皮１１の伸び率を、平坦な部分の表皮１１の伸び率と異なる値に(例えば、小さく)設定するようにしてもよい。このように、表皮１１の伸び率を表皮の形状に応じて部分的に変えて設定することにより、より実際の発泡体１２を充填する工程に近いシミュレーションを行うことができる。

【0040】

次に、このような流動解析方法を用いてヘッドレスト１０を製造する方法について、図９を用いて説明する。

【0041】

まず、図８を用いて説明したような発泡体１２の表皮１１の内部における流動解析を実施してヘッドレスト１０を形成するための型２０の形状（図６における上型形状２１１－1と下型形状２２１－1の形状、およびそれに伴う周辺部分の形状）を決定する（Ｓ９０１）。

【0042】

次に、Ｓ９０１で決定した形状の型２０を作成し（Ｓ９０２）、この作成した型２０を用いて表皮１１の内部に発泡体１２を充填させて、ヘッドレスト１０を形成する(Ｓ９０３)。

【0043】

次に、この形成したヘッドレスト１０を型２０から取り出して、表皮１１の内部に発泡体１２が充填されていない空洞１２１が発生していないかをチェックする（Ｓ９０４）。

【0044】

表皮１１の内部に発泡体１２が充填されていない空洞１２１(図５参照)が発生していない場合には（Ｓ９０４でＹｅｓの場合）、Ｓ９０２で作成した型２０を良品と判定して型２０の評価を終了し、この型２０をヘッドレスト１０の生産に用いる。

【0045】

一方、表皮１１の内部に発泡体１２が充填されていない空洞１２１が発生していた場合には（Ｓ９０４でＮｏの場合）、図８で説明した流動解析におけるＳ８０２で入力した流動解析条件の一部を替えながら流動解析を繰り返し実行することにより、実際に発生した空洞１２１が再現するような流動解析条件を求める（Ｓ９０５）。

【0046】

次に、実際に発生した空洞１２１が再現するような流動解析条件が求められたら、この流動解析条件を用いてＳ８０３からＳ８０６までのステップを実行して、空洞１２１が発生しないような修正すべき型２０の形状を求め（Ｓ９０６）、Ｓ９０２に進んでS９０６で決定した形状の型２０を作成する。

【0047】

このように、図８を用いて説明した流動解析を行って型２０の形状を決定することにより、従来と比べて型２０を作り直す回数をより少なくして空洞１２１が発生しないような型２０の形状を求めることができる。

【0048】

以上に説明したように、本実施例では、型の内部に設置した柔軟な部材で形成された表皮の内部に注入口から発泡原料を供給して表皮の内部に発泡体を充填させることにより一体発泡成形品を形成する工程をシミュレーションする一体発泡シミュレーション方法において、型の内部の形状を固定境界条件として設定し、表皮の内部への発泡体の充填の状態に応じて形状が変化する表皮の材料特性値を設定し、固定境界条件と材料特性値に基づいて表皮を型の内部へセットした際の表皮の形状を算出し、表皮を型の内部へセットした際の表皮の形状から表皮の内部への発泡体を充填させることで表皮を材料特性値および固定境界条件に基づいて一体発泡成形品を形成することをシミュレーションするようにした。

【0049】

本実施例によれば、ヘッドレスト１０の内部に発泡原料１２０を注入して表皮１１の内部に発泡体１２を充填させるシミュレーションにおいて、表皮１１を柔軟な部材として発泡体１２の充填の状態に応じて表皮１１の形状が変化するように境界条件を設定したので、表皮１１の内部における発泡体１２の流動解析の精度を高くすることができるようになり、型の作り直しを低減することが可能になった。

【0050】

なお、上記した実施例は、本発明をヘッドレスト１０の形成に適用した場合について説明したが、アームレストを形成する場合や、他の発泡体を充填させて形成する部材にも適用することができる。

【0051】

また、上記した実施例では、表皮１１の内部に金属製のパイプで形成された剛体のステー１３が装着された状態で発泡原料１２０を供給して表皮１１の内部に発泡体１２を発生させる場合について説明したが、表皮１１の内部に剛体のステー１３が装着されていなくてもよい。また、剛体のステー１３に替えて柔軟な材料で形成された構造物が配置されていてもよい。

【0052】

以上、本発明者によってなされた発明を実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、対象が必ずしも説明した構成に限定されるものではない。また、実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

【符号の説明】

【0053】

１０ ヘッドレスト
１１ 表皮
１２ 発泡体
１２０ 発泡原料
１２１ 空洞
１３ ステー
１４ 注入口
２０ 型
２１、２１－１ 上型
２１１、２１１－１ 上型形状
２２、２２－１ 下型
２２１、２２１－１ 下型形状
２３、２３－１ 前型
２３１ 溝
２３２ パイプ孔
３０ ノズル

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】