プラスチック押出機の歴史

プラスチック押出成形は、生のプラスチックを溶融して連続プロファイルに成形する大量生産プロセスです。押出成形では、パイプ/チューブ、ウェザーストリップ、フェンス、デッキ手すり、窓枠、プラスチック フィルムとシート、熱可塑性コーティング、電線絶縁体などの製品が製造されます。
このプロセスは、プラスチック材料 (ペレット、顆粒、フレーク、または粉末) をホッパーから押出機のバレルに供給することから始まります。スクリューの回転とバレルに沿って配置されたヒーターによって発生する機械的エネルギーによって、材料は徐々に溶けます。次に、溶融したポリマーを金型に押し込み、冷却中に硬化する形状に成形します。

歴史

パイプ押出成形
現代の押出機の最初の先駆者は 19 世紀初頭に開発されました。1820 年にトーマス ハンコックは、加工されたゴムのスクラップを再生するために設計されたゴムの「マスチケーター」を発明し、1836 年にエドウィン チャフィーはゴムに添加剤を混合するための 2 ローラー機械を開発しました。最初の熱可塑性押出成形は 1935 年にドイツのハンブルクで Paul Troester と彼の妻 Ashley Gershoff によって行われました。そのすぐ後に、LMP の Roberto Colombo がイタリア初の二軸押出機を開発しました。

プロセス
プラスチックの押出成形では、原料コンパウンド材料は一般にナードル (樹脂と呼ばれることが多い小さなビーズ) の形で、上部に取り付けられたホッパーから押出機のバレル内に重力で供給されます。着色剤や UV 防止剤 (液体またはペレットの形) などの添加剤がよく使用され、ホッパーに到着する前に樹脂に混合できます。このプロセスは、押出機技術の点ではプラスチック射出成形と多くの共通点がありますが、通常は連続プロセスであるという点で異なります。引抜成形では、通常は補強を追加して、連続した長さで多くの同様のプロファイルを提供できますが、これは、ポリマー溶融物をダイから押し出すのではなく、最終製品をダイから引き抜くことによって実現されます。

材料は供給口 (バレル後部近くの開口部) を通って入り、スクリューと接触します。回転スクリュー（通常は 120 rpm で回転）により、プラスチックビーズが加熱されたバレル内に押し込まれます。粘性加熱やその他の影響により、希望の押出温度がバレルの設定温度と等しくなることはほとんどありません。ほとんどのプロセスでは、3 つ以上の独立した PID 制御ヒーター ゾーンがバレルの温度を後方 (プラスチックが入る場所) から前方に徐々に上昇させる加熱プロファイルがバレルに設定されます。これにより、プラスチックビーズがバレルに押し込まれるにつれて徐々に溶け、ポリマーの劣化を引き起こす可能性のある過熱のリスクが軽減されます。

バレル内で発生する激しい圧力と摩擦によって余分な熱が発生します。実際、押出ラインが特定の材料を十分な速度で実行している場合は、ヒーターを停止し、バレル内の圧力と摩擦のみによって溶融温度を維持することができます。ほとんどの押出機には、過剰な熱が発生した場合に温度を設定値以下に保つために冷却ファンが装備されています。強制空冷では不十分な場合は、鋳込み冷却ジャケットが使用されます。

コンポーネントを示すために半分に切断されたプラスチック押出機
バレルの前面で、溶融プラスチックがスクリューから出てスクリーン パックを通過し、溶融物中の汚染物質が除去されます。この時点での圧力は 5,000 psi (34 MPa) を超える可能性があるため、スクリーンはブレーカー プレート (多数の穴が開けられた厚い金属パック) で補強されています。スクリーン パック/ブレーカー プレート アセンブリは、バレル内に背圧を生成する役割も果たします。背圧はポリマーの均一な溶融と適切な混合に必要であり、生成される圧力の量は、スクリーンパックの組成（スクリーンの数、ワイヤー織りのサイズ、その他のパラメーター）を変えることによって「微調整」できます。このブレーカー プレートとスクリーン パックの組み合わせは、溶融プラスチックの「回転記憶」を排除し、代わりに「縦方向の記憶」を生み出します。
ブレーカー プレートを通過した後、溶融プラスチックは金型に入ります。金型は最終製品にプロファイルを与えるものであり、溶融プラスチックが円筒形のプロファイルから製品のプロファイル形状に均一に流れるように設計する必要があります。この段階での流れが不均一であると、プロファイルの特定の点で不要な残留応力をもつ製品が生成され、冷却時に反りが生じる可能性があります。連続プロファイルに限定されながら、さまざまな形状を作成できます。

次に、製品を冷却する必要がありますが、これは通常、押出物を水浴を通して引っ張ることによって達成されます。プラスチックは断熱性に優れているため、すぐに冷めにくいのが特徴です。スチールと比較して、プラスチックは熱を 2,000 倍ゆっくりと伝導します。チューブまたはパイプの押出ラインでは、密封されたウォーターバスに注意深く制御された真空が作用し、新しく形成されたまだ溶融しているチューブまたはパイプが崩壊しないようにします。プラスチック シートなどの製品の場合、冷却は一連の冷却ロールを通過させることによって行われます。フィルムや非常に薄いシートの場合、インフレーションフィルム押出の場合と同様に、空冷は初期冷却段階として効果的です。
プラスチック押出機は、リサイクルされたプラスチック廃棄物やその他の原材料を洗浄、選別、混合した後に再処理するためにも広く使用されています。この材料は通常、ビーズまたはペレットストックに細断してさらなる加工の前駆体として使用するのに適したフィラメントに押出成形されます。

ネジの設計
熱可塑性ネジには 5 つのゾーンが考えられます。業界では用語が標準化されていないため、これらのゾーンを別の名前で表す場合があります。ポリマーの種類が異なればスクリューの設計も異なり、可能なゾーンをすべて組み込んでいないものもあります。

シンプルなプラスチック押出ネジ

押出機スクリュー ボストン・マシューズ社製
ほとんどのネジには次の 3 つのゾーンがあります。
● 供給ゾーン (固形物搬送ゾーンとも呼ばれます): このゾーンは樹脂を押出機に供給します。通常、チャネルの深さはゾーン全体で同じです。
● 溶融ゾーン (遷移ゾーンまたは圧縮ゾーンとも呼ばれます): ほとんどのポリマーがこのセクションで溶融し、チャネルの深さが徐々に小さくなります。
● 計量ゾーン (溶融搬送ゾーンとも呼ばれます): このゾーンは最後の粒子を溶融し、均一な温度と組成になるまで混合します。供給ゾーンと同様に、チャネルの深さはこのゾーン全体で一定です。
さらに、ベント付き (2 段階) スクリューには次の機能があります。
●減圧ゾーン。スクリューの約 3 分の 2 のこのゾーンでは、チャネルが突然深くなり、圧力が解放され、閉じ込められたガス (水分、空気、溶媒、または反応物) が真空によって排出されるようになります。
●第2測光ゾーン。このゾーンは最初の計量ゾーンに似ていますが、チャネルの深さがより深くなります。これは、溶融物を再加圧してスクリーンとダイの抵抗を通過させるのに役立ちます。
多くの場合、ネジの長さは、L:D 比として直径を参照します。たとえば、24:1 の直径 6 インチ (150 mm) のネジは長さ 144 インチ (12 フィート) になり、32:1 の場合は長さ 192 インチ (16 フィート) になります。L:D 比は 25:1 が一般的ですが、同じスクリュー直径でより多くの混合とより多くの出力を得るために、一部の機械では 40:1 まで対応します。2 段階 (通気型) ネジは、2 つの追加ゾーンを考慮して通常 36:1 です。
各ゾーンには、温度制御のためにバレル壁に 1 つ以上の熱電対または RTD が装備されています。「温度プロファイル」、つまり各ゾーンの温度は、最終押出物の品質と特性にとって非常に重要です。

代表的な押出材

押出中の HDPE パイプ。HDPE 材料はヒーターからダイに入り、次に冷却タンクに入ります。この Acu-Power 導管パイプは共押出成形されており、内側は黒色で、電源ケーブルを示すために薄いオレンジ色のジャケットが付いています。
押出成形に使用される一般的なプラスチック材料には、ポリエチレン (PE)、ポリプロピレン、アセタール、アクリル、ナイロン (ポリアミド)、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル (PVC)、アクリロニトリル ブタジエン スチレン (ABS)、およびポリカーボネートが含まれますが、これらに限定されません。 】

金型の種類
プラスチックの押出成形にはさまざまな金型が使用されます。ダイのタイプと複雑さの間には大きな違いがある可能性がありますが、射出成形などの非連続加工とは対照的に、すべてのダイでポリマー溶融物の連続押出が可能です。
インフレーションフィルム押出成形

プラスチックフィルムのブロー押出

ショッピングバッグや連続シートなどのプラスチックフィルムの製造は、インフレーションフィルムラインを使用して行われます。
金型までは通常の押出加工と同じです。このプロセスで使用されるダイには、アニュラー (またはクロスヘッド)、スパイダー、スパイラルの 3 つの主なタイプがあります。環状ダイは最も単純で、ダイから出る前にダイの断面全体に沿って流れるポリマー溶融物に依存します。これにより、流れが不均一になる可能性があります。スパイダー ダイは、多数の「脚」を介して外側のダイ リングに取り付けられた中央のマンドレルで構成されています。流れは環状ダイよりも対称的ですが、フィルムを弱める多数のウェルド ラインが生成されます。スパイラル ダイはウェルド ラインや非対称の流れの問題を解決しますが、最も複雑です。

溶融物はダイから出る前にいくらか冷却され、弱い半固体のチューブが得られます。このチューブの直径は空気圧によって急速に拡張され、チューブはローラーで上向きに引っ張られ、プラスチックを横方向と引っ張り方向の両方に引き伸ばします。延伸とブローによりフィルムは押し出されたチューブよりも薄くなり、最も塑性ひずみがかかる方向にポリマー分子鎖が優先的に整列します。フィルムが吹き込みよりも延伸されると（最終的なチューブの直径が押し出された直径に近い）、ポリマー分子は延伸方向に高度に整列し、その方向には強いが横方向には弱いフィルムが作成されます。 。押出された直径よりも大幅に大きな直径を有するフィルムは、横方向の強度が高くなりますが、延伸方向の強度は低くなります。
ポリエチレンやその他の半結晶性ポリマーの場合、フィルムが冷えるとフロストラインとして知られるところで結晶化します。フィルムが冷え続けると、フィルムは数組のニップローラーを通って平らになり、レイフラットチューブになり、その後、スプールまたはスリットしてシートを 2 つ以上のロールに巻き取ることができます。

シート/フィルム押出成形
シート/フィルム押出は、ブロー成形するには厚すぎるプラスチックシートまたはフィルムを押し出すために使用されます。使用するダイスはT型とコートハンガーの2種類です。これらのダイの目的は、押出機からの単一ラウンドの出力からのポリマー溶融物の流れを再配向し、薄い平坦な平面状の流れに導くことです。どちらのタイプのダイでも、ダイの断面積全体にわたって一定の均一な流れが保証されます。冷却は通常、一連の冷却ロール (カレンダーまたは「チル」ロール) を通過させることによって行われます。シート押出では、これらのロールは必要な冷却を提供するだけでなく、シートの厚さと表面の質感も決定します。[7]多くの場合、共押出は、UV 吸収、質感、酸素透過抵抗、エネルギー反射などの特定の特性を得るために、基材の上に 1 つ以上の層を適用するために使用されます。
プラスチック シート ストックの一般的な押出後のプロセスは熱成形です。熱成形では、シートが柔らかくなる (プラスチックになる) まで加熱され、金型を介して新しい形状に成形されます。真空が使用される場合、これは真空成形と呼ばれることがよくあります。配向（つまり、通常 1 ～ 36 インチの深さで変化する金型に引き抜かれるシートの能力/利用可能な密度）は非常に重要であり、ほとんどのプラスチックの成形サイクル時間に大きな影響を与えます。

チューブ押出成形
PVC パイプなどの押出チューブは、インフレーションフィルム押出で使用されるものと非常によく似たダイを使用して製造されます。ピンを介して内部キャビティに正圧を適用するか、真空サイザーを使用して外径に負圧を適用して、正しい最終寸法を確保することができます。適切な内側マンドレルをダイに追加することによって、追加のルーメンまたは穴を導入することができます。

ボストン・マシューズの医療用押出ライン
多層チューブの用途は、自動車産業、配管および暖房産業、包装産業にも常に存在します。

オーバージャケット押出
オーバージャケット押出により、既存のワイヤまたはケーブル上にプラスチックの外層を適用できます。これはワイヤを絶縁するための一般的なプロセスです。
ワイヤー、チューブ (またはジャケット) のコーティングと圧力に使用されるダイ ツールには 2 つの異なるタイプがあります。ジャケットツーリングでは、溶融ポリマーはダイリップの直前まで内側のワイヤーに触れません。圧力ツーリングでは、溶融物はダイリップに到達するずっと前にインナーワイヤーに接触します。これは、溶融物の良好な接着を確保するために高圧で行われます。新しい層と既存のワイヤの間に緊密な接触または接着が必要な場合は、圧力工具が使用されます。接着が望ましくない、または必要でない場合は、代わりにジャケット工具が使用されます。

共押出
共押出は、複数の材料層を同時に押し出すことです。このタイプの押出成形では、2 台以上の押出機を使用してさまざまな粘性プラスチックを溶融し、材料を所望の形状に押し出す単一の押出ヘッド (ダイ) に安定した体積スループットを供給します。この技術は、上記のプロセス (インフレーションフィルム、オーバージャケット、チューブ、シート) のいずれかで使用されます。層の厚さは、材料を供給する個々の押出機の相対速度とサイズによって制御されます。

化粧品「スクイーズ」チューブの 5 :5 層共押出
現実世界の多くのシナリオでは、単一のポリマーではアプリケーションのすべての要求を満たすことはできません。複合押出ではブレンドされた材料を押し出すことができますが、共押出では別々の材料が押出製品の異なる層として保持されるため、酸素透過性、強度、剛性、耐摩耗性などの異なる特性を持つ材料を適切に配置することができます。
押出コーティング
押出コーティングは、インフレーションまたはキャストフィルムプロセスを使用して、紙、箔、またはフィルムの既存のロールストック上に追加の層をコーティングします。たとえば、このプロセスは、紙をポリエチレンでコーティングして耐水性を高めることにより、紙の特性を改善するために使用できます。押出層は、他の 2 つの材料を結合する接着剤としても使用できます。Tetrapak はこのプロセスの商用例です。

複合押出成形品
コンパウンド押出は、1 つ以上のポリマーと添加剤を混合してプラスチックコンパウンドを得るプロセスです。供給物はペレット、粉末、および/または液体であってもよいが、製品は通常、押出成形や射出成形などの他のプラスチック成形プロセスで使用されるペレットの形である。従来の押出成形と同様に、用途や必要なスループットに応じて幅広い機械サイズがあります。従来の押出成形では一軸または二軸押出機を使用できますが、配合押出では適切な混合が必要なため、二軸押出機はほぼ必須となっています。

押出機の種類
二軸押出機には、共回転式と逆回転式の 2 つのサブタイプがあります。この命名法は、各ネジが他のネジと比較して回転する相対的な方向を指します。共回転モードでは、両方のネジが時計回りまたは反時計回りに回転します。逆回転では、1 つのネジが時計回りに回転し、もう 1 つのネジが反時計回りに回転します。所定の断面積と重なり合い（噛み合い）の程度では、共回転ツイン押出機の方が軸方向の速度と混合の程度が高いことが示されています。ただし、圧力の蓄積は二重反転押出機の方が高くなります。スクリュー設計は一般にモジュール式であり、さまざまな搬送および混合要素がシャフト上に配置されており、プロセス変更や摩耗や腐食による損傷による個々のコンポーネントの交換に備えて迅速な再構成が可能です。機械のサイズは、最小 12 mm から最大 380 mm まであります。

利点
押出成形の大きな利点は、パイプなどのプロファイルを任意の長さに製造できることです。材料が十分に柔軟であれば、パイプをリールに巻いても長い長さで製造できます。もう 1 つの利点は、ゴムシールを含む一体型カプラーを備えたパイプの押出成形であることです。