金型設計におけるCAEの活用

工機部型設計グループでは当社のコア商品であるトラックフレームやアクスルケース部品等の金型を設計しています。また、自動車メーカーから受注した自動車ボディパネルの金型なども設計しています。メンバーは22名です。管理・専門職3名、工程設定・金型設計者が14名、解析担当者が5名です。解析担当者は金型の製品形状面、ダイフェース面のCAD形状作成から成形シミュレーションによる成形性評価までを担当しています。

今も昔も短納期、ローコスト、高品質が変わらない目標です。
昨今自動車業界では製品開発期間が益々短くなってきており、金型の製作期間短縮が要求されています。また中国等の海外金型メーカーの台頭によりコストダウン要求が非常に厳しくなっています。さらに近年自動車ボディパネルは軽量化や衝突安全性向上のためにハイテン材や超ハイテン材の使用が多くなってきており、そのような製品の金型では割れ、しわ、スプリングバック等の成形不具合が発生しやすく、それらを防止する高品質な金型設計が要求されています。
以上の観点から3次元ＣＡＤによるソリッド設計の活用による短納期、ローコストな金型設計、成形シミュレーションの活用による成形性不具合の予測および初期製作金型へ対策を折込んだ高品質な金型設計などが課題です。

弊社でも約10年前から成形シミュレーションを利用しており、近年プレス成形時の不具合のうち、割れやしわはかなり精度良く予測できるようになってきました。しかしながらスプリングバック変形の予測がまだまだ難しいというのが現状です。数年前から広島大学の吉田先生、上森先生が提唱された材料モデルである「吉田−上森モデル※」を使用するとスプリングバック解析の精度が飛躍的に向上するという報告が多くなされております。そこで弊社においても「吉田−上森モデル」を利用してスプリングバック解析精度を向上させるためにDynaformを導入しました。現在、森越、山下、奈須の3名がDynaformを使用しています。

弊社が参加しているプライベートな研究会での発表があったので、私が最初に「吉田−上森モデル」を使用して乗用車のセンターピラーレインフォースパネルのスプリングバック解析を実施しました。解析実行にあたっては当初、色々なエラーメッセージが出て苦労しましたがサポートもあり何とか解析を完了することが出来ました。

当社コア商品のフレーム部品や自動車ボディパネル等について従来から使用しているswiftモデルと「吉田−上森モデル」を使った解析を並行して行い、スプリングバック解析精度の検証を行っています。

「吉田−上森モデル」の材料パラメータについて当初は社内で引張圧縮試験を実施して取得したいと考えていましたがこの方法でのパラメータ入手はかなり難しそうなので代表的パラメータ情報を用いて種々の製品の解析を行ないスプリングバック解析精度向上の検証を進めているところです。

センターピラーレインフォースパネルのスプリングバック解析について紹介します。図1のような形状でピラー上部が車体内側方向に湾曲しており成形後にスプリングバックします。
近年、超ハイテン材が使用されることが多くなりスプリングバックの大きい難成形部品です。
図2に解析に用いた材料物性、図3に最適解析条件について図4に解析結果を示します。
材料モデルに吉田−上森モデルを使用すると従来モデルより実測値に近いスプリングバック量が算出できることが検証できました。より精度の高い材料物性値の取得が重要であると感じました。

Dynaformプリプロセッサーで計算用データを作成してLS-DYNAで計算を実行すると、エラーとなる場合があります。Dynaformプリプロセッサーに事前のエラーチェック機能があれば非常に助かります。LS-DYNAのエラーメッセージも意味がよく分らない場合があるので、サポートサイト（FAQ）にエラーメッセージの説明があると助かります。

ブランクのメッシュ分割の際にブランク内部は指定した方向に四角形メッシュに分割、輪郭部を三角形メッシュに分割できるとありがたいですね。曲げ線に並行となるようなメッシュ分割もできると良いと思います。
サポートについては問い合わせの回答が早くて助かっています。良くある質問に対してはFAQを充実して頂き、わざわざ問合せしなくて済むようにして頂ければさらに良いと思います。

材料データベースに各種材料について吉田-上森モデルの材料パラメータを提供していただけるとありがたいですね。
Dynaformではマススケーリングをタイムステップで指定するのではなくメッシュサイズでも指定できると使い勝手がよくなります。吉田−上森モデルであるMAT125には材料の異方性が入れられませんが、スプリングバックのさらなる精度向上には必要ではないでしょうか。

弊社では特別にCAE教育に時間を取るのが難しいのが現状です。担当者はDynaform導入時にサイバネット様で実施していただいたオペレーション教育には参加しましたが、解析条件の決定などについては私がOJTで指導しています。
サイバネット様のCAEユニバーシティなどで成形シミュレーションにおける各種の解析条件と解析精度に関する基礎講座があるとありがたいですね。またDynaformの高度な使い方を教える中級レベルの教育コースもあるといいですね。さらにバージョンアップセミナーだけでなく、ユーザー会も実施していただきたいです。

自動車ボディパネルの材質がハイテンや超ハイテンになると、スプリングバックが大きくなるために金型改修の回数が増えて金型製造コストが増加します。そこで、成形シミュレーションを活用してスプリングバックをあらかじめ見込んだ金型にして改修回数が増えないようにする必要があります。
そのためには成形シミュレーションの精度が重要になります。
また、成形シミュレーション結果を活用して如何にスムーズな見込み形状を迅速に作成するかも重要なポイントとなります。
そこで成形シミュレーション結果を使って金型形状をモーフィングできるCADの導入を検討しています。また、このようなCADは金型製作後のトライ品形状の測定結果からの金型改修にも有効なので、成形シミュレーション、トライ品の3次元測定、モーフィングCADを活用して金型製造コストの削減を目指して行きたいと考えています。