プリンターへのAnsysの解析適用について

我々は、OEMあるいは自社ブランド商品である熱転写カラープリンタ（写真）の設計・開発を行っています。これは、他社さんが採用している微少量のカラーインクを紙へ飛ばす方式とは異なりまして、溶融型ヘッドのプリンターです。カラーリボンに付いているインクを非常に微少な発熱ヘッドで溶かし、紙に転写させる方式を採用しています。この方式はインクのにじみなどが機構上出ないため、高画質で鮮明なプリント出力ができるのが特長です。Ansysは、このプリンターの解析に利用しているのです。

FEMはAnsys導入以前から利用していました。初期は3次元CADに含まれていた線形のFEMシミュレータを使用していました。しかし我々は、熱転写という方式をとっていますから、紙とリボンをヘッドで押さえるプラテンへの接触の様子が問題となっています。このような接触問題が解けるソフトウェアが必要となり、あらためてFEMを検討すつことになりました。

このプラテンはゴムでできており、この接触の様子は画質の精度に非常に影響する部分なのです。

ゴムとの接触ということで、他社のソフトと共に検討いたしましたが、伝熱解析や電気磁場解析の要求もありましたので、最終的にAnsysに決定しました。

3次元CADの解析プログラムや他のソフトウェアを含めると、7名です。そのうちAnsysを使用できるエンジニアは我々を含め5名です。

解析専門とはいかないですね。それぞれの技術者にテーマが与えられていますから、そのテーマの中でAnsysを使用して解析を行っているわけです。でもこの部分については我々も他社さんの運用方法に興味があるところなのですが、実際はどうなのでしょうか？

この事例はヘッドとプラテンの三次元接触問題を解いた結果です。（図1）

この解析でのプラテンに発生している接触圧力の分布は非常に重要です。先程も申したように、この圧力分布はプリントの画質に大きく影響します。

さらに、ヘッドが載るキャリッジとフレームの構造解析も行っています。（図2）
フレームがたわむことで、角度が変わりヘッドの圧接の状態がどの程度変わるかを解析しています。

これはヘッド周りの伝熱解析です。（図3）
ヘッド部に非常に微少な電熱体が並んでいるのですが、電熱体の発熱によるヘッドの温度分布も画質に影響します。ヘッドの両端部の温度が下がってしまいますが、発熱部は均一な温度分布にならないと鮮明なプリントができません。

発熱条件を1行印刷毎にヘッドの発熱がON/OFFを繰り返すよう設定しまして、ヘッド部分の温度上昇を時間を追って計算しています。（図4）
実際には何マイクロ秒という単位で発熱を行わせているのですが、この解析ではそこまで細かな設定はしておりません。

用紙面上にヘッドを走らせた過渡伝熱解析も行っています。（図5）

紙の送りを以前のAnsys Conferenceで発表があった 熱移動の定義 を利用して行っています。またインクリボン各層の温度が印刷に大きく影響するので、上の表層の温度が問題となりますから、これは紙だけでなく非常に薄いリボンなども考慮しています。

この様に非常に薄い紙などの温度分布が絵として出せたのはこれがはじめてです。測定は実際には無理ですから。どの程度の温度になるかは印字の状態から予測するしかありませんでした。

この様に目に見えるのは便利ですね。さらに基本モデルが出来れば後はパラメータ変更して試行錯誤できますから。

2次元では、すべての発熱体が同時ON状態しか解析できないので、発熱体の相互関係を調べるには3次元的な解析が必要になるでしょう。

私はまだ初心者で、Ansysを勉強中です。私自身元々ソフト開発等の仕事をしていたのですが、私のような者がAnsysの様な機械設計のための解析ソフトを初めから勉強して、どの程度の期間で解析が可能となるかの私自身のトライアルを行っています。将来的には設計者から解析の依頼を受け、仕様通りの解析を行って、結果を提示するような仕事が出来るようになり、そのような仕事を定着させることが目標です。

いろいろあります。他社の3次元CADを使用して解析も行っているのですが、そちらのメッシュジェネレータと比べると、デフォルトの設定でのメッシュはAnsysの方が忠実すぎて困るときがあります。つまり、小さな丸があったり円弧があったらそれを曲線としてメッシュしてしまう。小さな曲線は忠実にメッシュを切らなくてもかまわないと思うことがよくあります。要素の数が増えてしまうものですから。全体の大きさから判断して小さな丸は極端に四角や三角まで荒くてもかまわないし、小さなアールは角でもかまわないでしから、もう少し“気の利いた”メッシュを切ってほしい。Ansysにはスマートサイズという機能がありますが、なにもしなくても適度に省略してくれるメッシュが切れてほしいと思います。CADからのIGES変換ももっと自由度の高いモデルとして変換してほしいですね。つまりIGESで持ってくると、その後Ansys上でモデル変更が難しい場合がありますよね。

その他は細かいことですが、要素の材料番号・リアルコンスタンと・要素番号がモデル作成中に混乱することがあります。何か識別が簡単なツールがあればよいのですが。