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专利名称：填充材料的取向解析方法
技术领域：
本发明涉及树脂成型品所包含的填充材料的取向解析方法。
背景技术：
以往，为了缩短树脂产品(树脂成型品)的设计周期、降低制作费用，在各种树脂产品的设计现场中引入了用数值解析法替代各种树脂产品的机械强度试验等的尝试。作为不使用上述数值解析法时的问题点，可列举出在上述机械强度试验伴有树脂产品、其试制品的破坏的情况下，需要准备试验次数份的试制品；由于树脂产品设计的时间性制约，会有难以重做试验的情况等。因此，在树脂产品的设计现场，用数值解析法替代树脂产品的机械强度试验等成为了重要的课题。特别是在使用包含纤维状填充材料等填充材料的树脂组合物来制作的树脂产品中，需要考虑到纤维状填充材料等填充材料的取向。因此，通过数值解析来进行预测是非常困难的。作为用于考察该填充材料的取向的方法，如专利文献1、2等所述，有通过注射成型工序模拟来对树脂产品内的解析单元的纤维取向状态进行解析的方法。作为专利文献1、2中所述方法的问题点，可列举出第一，在对各个单元的纤维取向状态进行个别解析时，需要流动分析软件，导致计算费用变得庞大；第二，由于对各个单元的纤维取向状态进行个别解析因而非常费时间。而且，在纤维状填充材料的含量较多的情况下，填充材料会在树脂产品内复杂重叠、相互间互相干扰很大，因此，事实上，通过精度良好地解析每一根纤维状填充材料的取向状态并将解析结果进行组合来解析取向状态是不可能的。现有技术文献专利文献专利文献1 日本特开2006-272928号公报专利文献2 日本特开2005-283539号公报

发明内容
发明要解决的问题如果能够简单地且以实用的精度对填充材料的取向进行解析，则可以容易地对机械强度等进行预测。另外，这种简单地且以实用的精度对填充材料的取向进行解析的方法需要在玻璃纤维含量高的情况下也能够使用。本发明是为了解决以上问题而进行的，本发明的目的在于，提供一种能够简单地且以实用的精度对填充材料的取向进行解析、进而即使在纤维状填充材料含量高的情况下也可以采用的填充材料取向的解析方法。用于解决问题的方案本发明人等发现，即使不对每一根填充材料的取向状态进行高精度的解析，也可以通过对图像数据进行解析处理来求出树脂成型品内的填充材料取向的倾向，由此能够以实用的精度对填充材料的取向进行解析，从而完成了本发明。更具体而言，本发明提供以下技术方案。(1) 一种填充材料取向状态的解析方法，其包括切片图像取得工序，对由以规定比例包含填充材料的树脂组合物成型而成的树脂成型品的至少一部分，沿规定方向获得切片图像；和图像转换工序，从所述切片图像中选出一个或二个以上的切片图像，在该选择的切片图像中进行二值化图像转换；和功率谱图像取得工序，通过对所述二值化图像进行傅立叶变换来取得功率谱图像；和取向状态解析工序，根据所述功率谱图像，对各功率谱图像中的填充材料取向状态进行解析并数值化。(2)根据(1)所述的填充材料取向状态的解析方法，其中，所述取向状态解析工序对各功率谱图像中的填充材料取向度和/或取向角进行解析。(3)根据( 所述的填充材料取向状态的解析方法，其中，所述取向度和所述取向角的解析包括对各功率谱图像进行椭圆近似的椭圆近似工序。发明的效果根据本发明，通过对图像数据进行解析处理来求出树脂成型品内填充材料取向的倾向，由此能够以实用的精度对填充材料的取向进行解析。其结果，可以容易地对机械强度等物性进行预测。根据本发明，还可以恰当地对树脂成型品内规定的一部分中的填充材料的取向状态的倾向进行解析。其结果，通过仅解析所需部分的填充材料的取向，不获得整体图像就可进行物性的预测。


图1为喷泉流动(fountain flow)的示意图。图2为X射线CT装置的示意图。图3的(a)为通过X射线CT装置所摄影的切片图像的示意图。(b)为二值化后的切片图像的示意图。(c)为对(b)所示的二值化图像数据进行傅立叶变换而获得的功率谱。(d)为对功率谱进行极坐标解析后的图。(e)为对(d)所示的功率谱图像进行椭圆拟合后的图。图4的(a)为对纤维取向的主轴方向进行说明的图，(b)为对取向角进行说明的图。图5的(a)为实施例所使用的树脂成型品形状的示意图，(b)为解析位置的示意图。图6为位置C上的解析过程的示意图。图7为位置B上的解析过程的示意图。
具体实施例方式以下，对本发明的实施方式进行详细说明。但是，本发明不受下述发明限定。树脂成型品本发明为一种树脂成型品的内部填充材料取向状态的解析方法。首先，对作为解析对象的树脂成型品进行说明。树脂成型品中包括树脂部分和填充材料部分，树脂成型品由包含树脂材料和填充材料的树脂组合物成型而成。以下，对树脂部分所包含的树脂材料、 填充材料进行说明。树脂材料在本发明的填充材料取向状态的解析方法中，可以使用现有公知的各种树脂材料来制作成为解析对象的树脂成型品。另外，上述树脂材料还包括多种树脂混合而成的树脂混合物。填充材料如上所述，树脂成型品以规定比例包含填充材料。填充材料的种类优选为树脂与填充材料的边界清晰易判且X射线透射率低的无机系填充材料。作为现有公知的无机填充材料，可列举出纤维状填充材料、粉粒状填充材料、片状填充材料等。作为优选的纤维状填充材料，例如可列举出玻璃纤维、石棉纤维、二氧化硅纤维、 二氧化硅 氧化铝纤维、氧化铝纤维、氧化锆纤维、氮化硼纤维、氮化硅纤维、硼纤维、钛酸钾纤维、进而不锈钢、铝、钛、铜、黄铜等金属的纤维状物等无机纤维状物质。另外，作为粉粒状填充材料，可列举出二氧化硅、石英粉末、玻璃珠、研磨玻璃纤维 (milled glass fiber)、玻璃空心球(glass balloon)、玻璃粉、硅酸钙、硅酸铝、高岭土、滑石、粘土、硅藻土、硅灰石等硅酸盐；氧化铁、氧化钛、氧化铅、三氧化锑、氧化铝等金属的氧化物；碳酸钙、碳酸镁等金属的碳酸盐；硫酸钙、硫酸钡等金属的硫酸盐；其他的铁氧体、碳化硅、氮化硅、氮化硼、各种金属粉末等。另外，作为片状填充材料，可列举出云母、玻璃片(glass flake)、各种金属箔等。在它们当中，包含纤维状填充材料的树脂成型品由于填充材料的取向状态而物性等的各向异性较大。其结果，如果不以更高的精度来解析填充材料的取向，就不能将解析结果用于物性评价。因此，在以往的方法中，将包含纤维状填充材料的树脂成型品作为解析对象时，为了提高解析精度需要花费更多的时间和工夫。另一方面，本发明即使以包含纤维状填充材料的树脂成型品为对象，也可以恰当地解析填充材料取向状态的倾向，而不需花费用于提高精度的时间等，因此，即使以包含纤维状填充材料的成型体为对象，也可以将该解析结果用于物性的预测。即，根据本发明，也可以容易地对包含纤维状填充材料的树脂成型品的物性进行预测。在上述纤维状填充材料中尤其是包含玻璃纤维的情况下，如果不以特别高的精度对填充材料的取向状态进行解析，则不能将解析结果用于物性的预测。本发明即使以包含玻璃纤维的树脂成型品作为对象，也可以恰当地对填充材料的取向状态的倾向进行解析， 而不需花费用于提高解析精度的时间。即，根据本发明，还可以容易地对包含玻璃纤维的树脂成型品的物性进行预测。另外，在填充材料的含量较多的情况下，填充材料在树脂产品内复杂地相互重叠、 相互间互相干扰很大，结果导致在以往的对每一根填充材料的取向状态进行解析的方法中，解析精度大幅降低，不能将解析结果用于物性的预测。另一方面，在本发明中，即使填充材料的含量较多也可以容易且恰当地对填充材料取向状态的倾向进行解析，因此即使将填充材料含量较多的树脂成型品作为对象，也可以将解析结果用于物性的预测。其他成分上述树脂组合物中还包括添加成核剂、着色剂、抗氧化剂、稳定剂、增塑剂、润滑
5剂、脱模剂和阻燃剂等添加剂而赋予了所期望特性的树脂组合物。树脂成型品的制造方法上述树脂成型品可以通过现有公知的成型方法获得。作为现有公知的成型方法， 例如可列举出压缩成形、传递成型、注射成型、挤出成形、吹塑成形等各种成型方法。取向状杰的解析方法本发明的方法包括切片图像取得工序、和图像转换工序、和功率谱图像取得工序、 和取向状态解析工序。以下，对本发明的取向状态解析方法的各个工序进行进一步详细的说明。切片图像取得工序本工序为对由以规定比例包含填充材料的树脂组合物成型而成的树脂成型品的至少一部分，沿规定方向、以规定间隔取得一个以上切片图像的工序。对树脂成型品的至少一部分，沿规定方向、以规定间隔取得一个以上的切片图像。 所述“至少一部分”指可以将所得树脂成型品整体作为填充材料取向状态的解析对象，也可以将树脂成型品的一部分作为填充材料取向状态的解析对象。例如，在树脂成型品内的取向状态相同的情况下，只要仅对一部分的取向状态进行解析，就可以将其他部分看作与该解析部分具有同样的取向状态。另外，在预先已知熔接部等脆弱部位而想要仅对该部分的物性进行评价的情况下，通过取得一个以上该部分的切片图像，即使不取得整体的切片图像也可以达成目的。根据本发明的取向状态解析方法，可以容易地以高精度解析树脂成型品内填充材料的取向状态的倾向，其结果，可以容易地预测树脂成型品的物性。另外，根据本发明的方法，还可以高精度地解析以往使用CAE流动分析所难以解析的树脂成型品的非喷泉流动区域的取向状态的倾向。所述“喷泉流动区域”指如图1所示的在模具内溶融树脂不是通过与模具面的滑动而流动的、而是以从流体的中心向模具面喷出的形式流动的部分。所述“非喷泉流动区域”指在模具内溶融树脂未按上述那样流动的部分，例如可列举出通过流动的溶融树脂合流而形成的熔接部。在以往的对每一根填充材料的取向状态进行解析的方法中，难以对熔接部分等的取向状态进行解析，但是，在本发明中，由于可以容易并恰当地解析填充材料取向状态的倾向，因此即便是熔接部等的物性也可以容易地以实用的精度进行解析。另外，在已判明期望测定的位置等有必要的情况下，从作为切片图像取得对象的树脂成型品上根据需要切割树脂成型品，制作用于取得切片图像的树脂试验片。此外，如无必要，也可以不进行从树脂成型品上切割试验片的操作，而将树脂成型品整体作为后述的树脂试验片来使用。对于切片图像的取得方法没有特别的限定，可以使用图2所示的X射线CT装置1 来取得。X射线CT装置1包括X射线照射部11，用于向树脂试验片2照射X射线；和X射线检测部12，以投影数据的形式检测透射树脂试验片2的X射线；和试样台13，保持树脂试验片2 ；和旋转驱动部14，用于使试样台13上下移动(沿图2中的箭头方向移动)以及旋转移动(沿图2中的空心箭头方向移动)；和图像处理部15，将多个角度方向的投影数据作为切片图像进行重建。X射线照射部11是用于使X射线照射树脂试验片2的部位。只要是可以照射X射线的装置就没有特别的限制，可以使用现有公知的X射线照射装置。例如可列举出X射线管等。在X射线照射部11中，可以调整向树脂试验片2照射的X射线的照射条件。作为X 射线的照射条件，例如有管电流、X射线照射时间等。在本发明的方法中，对X射线的照射条件没有特别的限定，可以根据作为对象的树脂试验片的形状、所包含的树脂种类等进行适当变更。X射线检测部12是将透过树脂试验片2的X射线转换为电信号，然后作为投影数据检测的部位。X射线检测部12以将树脂试验片2夹在之间并与X射线照射部11相对的形式配置。试样台13是用于保持树脂试验片2使树脂试验片2被X射线照射的部位。试样台13被配置在X射线照射部11与X射线检测部12之间。旋转驱动部14是用于使试样台13进行上下移动和旋转移动、从而使得从多个角度方向对树脂试验片2照射X射线的部位。旋转驱动部14与试样台13连接。通过旋转驱动部14，可以从多个方向对树脂试验片2内的各种位置照射X射线。其结果，可以针对从各种角度透过树脂试验片2后的X射线，获得各自的投影数据。图像处理部15是对多个角度方向的投影数据作为切片图像进行重建的部位。图像处理部15与X射线检测部12连接。在X射线检测部12检测的投影数据被送至图像处理部15，通过进行现有公知的图像处理来获得切片图像。作为所述现有公知的图像处理方法，例如可列举出将各方向的投影数据进行一维傅立叶变换、并将它们合成来制作二维傅立叶变换图像并对其进行逆傅立叶变换从而获得重建图像的方法。通过如上所述的方法获得的切片图像是在树脂成型品内的沿规定方向、以规定间隔的切片图像。所述“规定间隔”指获得切片图像时将浓淡平均化的范围。对切片图像的间隔没有特别的限定，可以根据测定对象进行适当变更来实施，但是为了恰当地解析包含纤维系填充材料的树脂成型品内的填充材料的取向状态，切片图像的间隔优选为填充材料的平均直径以下、平均直径不明的情况下优选为20 μ m以下。另外，“规定的方向”是与切片图像的图像面垂直的方向，规定的方向可以设定为所期望的方向。将如上所述获得的切片图像的一例示于图3的(a)。图3的(a)中示出了单色调切片图像。较黑的部分是在树脂成型品内容易透射X射线的部分、较白的部分是在树脂成型品内难以透射X射线的部分。切片图像中包括树脂部分和填充材料部分。通常，与填充材料部分相比树脂部分容易透射X射线。因此，在图3的(a)中，黑色部分倾向于表示树脂、 白色部分倾向于表示填充材料。此外，如下所述，由于在切片图像中还包含噪声图像，因此不能简单地说黑色所表示的部分是树脂部分、白色所表示的部分是填充材料部分。树脂部分与填充材料部分由于X射线吸收率不同，因此会获得具有浓淡的图像。 进而，在获得这种由X射线吸收率不同的多种材料所构成的树脂试验片2的切片图像的情况下，X射线的吸收率夹着树脂部分与填充材料部分的边界而不连续地发生变化。因此，在 X射线检测部12所获得的投影数据也表现出不连续(急剧升降)的变化。其结果，会在该一维傅立叶变换图像上显现较多起因于不连续变化的高频成分。由于起因于该高频成分的数值计算误差，在从图像处理部15获得的重建图像上会出现被称为伪像的虚像(噪音图像)。 该噪音图像也包含在切片图像中。该噪音图像会给使用切片图像用以往的方法来对填充材料的取向状态进行解析的方面带来巨大的障碍。这是因为，以往的方法是对每一根填充材料的取向状态进行解析的方法。与之相反，本发明的方法由于将切片图像整体转换为后述的功率谱图像，因此对应一个图像而获得一个解析结果。即，本发明不是对切片图像内的每一根纤维的取向状态进行解析，而是对每个切片图像的取向状态的倾向进行解析。如上所述的噪音图像几乎不会影响由切片图像整体获得的上述解析结果，因此只要是本发明的方法，就可以正确地扑捉取向状态的倾向，结果可以容易且准确地对树脂成型品的机械强度等物性进行预测。图像转换工序在图3的(a)中显示了 256个阶调的单色调切片图像。切片图像为如上所述的在图3的(a)中示出的图像，包括白色部分、黑色部分、灰色部分。将对于各自的像素，像素图像浓度在适当设定的图像浓度阈值以上时表示为白色、 像素的图像浓度低于图像浓度阈值时表示为黑色的二值化图像示于图3的(b)。图3的(b) 所示的二值化图像中，树脂部分用白色表示、填充材料部分用黑色表示。功率谱图像取得工序所述功率谱图像取得工序是指通过对上述二值化图像进行傅立叶变换来取得功率谱图像的工序。功率谱的一例示于图3的(c)。图3的(c)示出的功率谱是对图3的(b)示出的二值化图像进行傅立叶变换而获得的功率谱。以下对功率谱的优选的取得方法进行说明， 但功率谱的取得方法并不受以下方法限定。为了将图3的(C)示出的由灰度表示的功率谱重新描绘成图3的(d)示出的这种功率谱，用点(dot)来表示某浓度的点。浓度通过算出所有方位的平均亮度的方法来确定。在制作图3的(d)示出的功率谱之后，用通过最小二乘法计算的椭圆来对图3的 (d)示出的以点(dot)表示的轨迹进行近似。近似的椭圆在图3的(e)中示出。通过近似为椭圆，可以恰当地对填充材料(特别是玻璃纤维等纤维状填充材料)取向状态的倾向进行解析。取向状态解析工序所述取向状态解析工序是指根据上述功率谱图像对各功率谱图像中的填充材料取向状态进行解析的工序。根据本发明，由于对每一个二值化图像的取向状态的倾向进行解析，因此可以准确捕捉每个图像整体的取向状态的倾向。在对取向状态的倾向进行解析时，优选通过解析填充材料的取向度、取向角来进行预测。通过解析取向度、取向角来进行预测，可以恰当地评价成型品的物性，另外，可以恰当地对在CAE流动分析中获得的纤维取向解析结果进行精度验证。以下，以取向角、取向度为例，对取向状态的解析方法进行说明。首先，对取向角导出方法的一例进行说明。在如图3的(e)所示的功率谱的情况下，填充材料的取向状态的倾向出现在与表示功率谱的椭圆正交的方向上。具体而言，图4的(a)示出的箭头方向成为纤维取向的主轴方向。此外，图4的(a)的虚线A为表示功率谱的椭圆(是与图3的(e)相同的图)、实线B所表示的椭圆是将虚线A表示的椭圆旋转了 90°的椭圆。所述取向角指图3的(d)、(e)示出的y轴与主轴方向的夹角，在纤维取向的主轴方向为图4的(a)示出的方向的情况下，取向角如图4的(b)所示为α 10接着，对取向度导出方法的一例进行说明。
取向度可以用椭圆的长径与短径的比来表示。例如，在图3的(e)示出的椭圆的长径为a、短径为b的情况下，取向度为a/b。此外，取向度也可以用取向函数来表示。对取向函数的导出方法没有特别的限定，可以使用现有公知的方法。实施例以下，通过实施例对本发明进行具体的说明，但本发明不受它们限定。切片图像取得工序实施例中使用的树脂成型品，其形状为图5的(a)所示的平板。该树脂成型品通过注射成型制作。树脂成型品的形状以及注射成型时的成形条件如下所述。形状长 80mm、宽 80mm、厚度 2mmt树脂含有30质量％玻璃纤维的聚对苯二甲酸丁二醇酯树脂模具温度60°C树脂温度260°C±真充率17. 3cm3/s保压49MPa，5sec冷却时间7sec接着，对上述树脂成型品的一半(图5的(a)虚线包围的部分)、在图5的(b)示出的位置A C处取得1. 5mmX 1. 5mm、厚度6 μ m部分的切片图像。切片图像的取得如下进行制作切割为宽3mm长IOmm的厚度2mm的树脂试验片，通过X射线CT装置进行摄影，从而取得树脂试验片的切片图像。摄影装置使用市售的X射线CT装置(NS-ELEX Co.，Ltd. 制造的ELE SCANmini)。摄影条件如下所示。此外，获得的切片图像在图3的(a)、图6的 (al)、图7的(bl)示出。图3的(a)是位置A的切片图像、图6的(al)是位置C的切片图像、图7的(bl)是位置B的切片图像。此外，位置A、位置B为距表层0.2mm、C为距表层 Imm的切片图像。电压:32kV管电流130mA图像转换工序为了将从X射线CT装置获得的图像二值化，对构成图像的各像素，在具有所设定的图像浓度阈值以上的亮度时设为1、低于该值时设为0。设图像浓度阈值以上(“1”表示的部分)为白色、低于图像浓度阈值(“0”表示的部分)为黑色来制作二值化图像。所制作的二值化图像示于图3的(b)、图6的(a2)、图7的(b2)。图3的(b)为位置A的二值化图像、图6的(a2)为位置C的二值化图像、图7的(b2)为位置B的二值化图像。此外，图像浓度阈值的判断由目视决定。功率谱图像取得工序功率谱图像通过使用树脂计算软件(Image J)对二值化图像进行傅立叶变换来制作。制作的功率谱图像示于图3的(C)、图6的(a3)、图7的(b3)。图3的(c)为位置A的功率谱图像，图6的(a3)为位置C的功率谱图像，图7的(a3)为位置B的功率谱图像。由上述功率谱图像的功率谱算出全方位的平均亮度并作图，然后使用最小二乘法将点(dot)的轨迹近似为椭圆。以点表示的功率谱示于图3的(d)、图6的(a4)、图7的 (b4)。图3的(d)是位置A的用点表示的功率谱、图6的(a4)是位置C的用点表示的功率谱、图7的(b4)是位置B的用点表示的功率谱。椭圆表示的功率谱示于图3的(e)、图6的 (a5)、图7的(b5)。图3的(e)是表示位置A的功率谱的椭圆、图6的(a5)是表示位置C 的功率谱的椭圆、图7的(b5)是表示位置B的功率谱的椭圆。取向状杰解析工序由椭圆求出取向角和取向度。位置A的取向角为40. 9°、取向度为2. 1，位置B的取向角为14. 5°、取向度为2. 5，位置C的取向角为-15. 5°、取向度为4. 1。通过以往的由图像读取玻璃纤维的取向的方法，对位置A、B、C的取向度和取向角进行实测，则位置A的取向角为39°、取向度为1.9，位置B的取向角为15°、取向度为3.2，在位置C上取向角为-14°、取向度为4。由此确认，根据本发明的方法可以对填充材料的取向状态的倾向作出非常准确的解析。
权利要求
1.一种填充材料取向状态的解析方法，其包括切片图像取得工序，对由以规定比例包含填充材料的树脂组合物成型而成的树脂成型品的至少一部分，沿规定方向、以规定间隔取得一个以上切片图像；和图像转换工序，根据各像素的图像浓度，将所述切片图像转换为二值化图像；和功率谱图像取得工序，通过对所述二值化图像进行傅立叶变换来取得功率谱图像；和取向状态解析工序，根据所述功率谱图像，对各功率谱图像中的填充材料取向状态进行解析。
2.根据权利要求1所述的填充材料取向状态的解析方法，其中，所述取向状态解析工序对各功率谱图像中的填充材料取向度和/或取向角进行解析。
3.根据权利要求2所述的填充材料取向状态的解析方法，其中，所述取向度和所述取向角的解析包括对各功率谱图像进行椭圆近似的椭圆近似工序。
全文摘要
本发明提供一种填充材料的取向解析方法，其是可以简单地利用于机械强度等解析的、进而即使在玻璃短纤维含量较多的情况下也可以适用的纤维取向解析方法，所述方法将树脂成型品的切片图像二值化，使用通过对该二值化图像进行傅立叶变换而获得功率谱图像，对树脂成型品内的一部分中的填充材料取向状态的倾向进行解析。本发明的解析方法所包含的取向状态解析工序优选为对各功率谱图像中的填充材料取向度和/或取向角进行解析的工序。
文档编号G01B11/26GK102331243SQ201110156808
公开日2012年1月25日 申请日期2011年6月10日 优先权日2010年6月14日
发明者广田晋一 申请人:宝理塑料株式会社