高分子と成形加工

高分子と成形加工

以前、高分子の添加剤について紹介しました。この添加剤は成形加工前または成形加工中に加えるのが一般的です。
例外は、コーティング(撥水処理など)と染色だけと言っていいです。

成形方法は、射出成形(プラモデル)、押出し成形(フィルム、パイプ)、ブロー成形(ペットボトル)、カレンダー(ラミネート)、熱成形、リム成形に大別されます。

射出成形

射出成形を使用する理由

射出成形の主な利点は、大量生産を可能にすることです。初期コストが支払われると、射出成形製造中のユニットあたりの価格は非常に低くなります。
価格はまた、多くの部品が生産されるにつれてさらに低下する傾向があります。

*イメージとしては、プラモデルの枠についている状態をイメージして頂けばわかりやすいです。
例えば、プラモデルの代表であるガンプラの材質は、ポリエチレンです。1kg当たり200~500円(中国、東南アジアのものを選択すれば、関税を含めても安くなる可能性はあります。)です。

射出成形は、オリジナルのプラスチックブロックまたはシートのかなりの割合を切り取るCNC機械加工などの従来の製造プロセスに比べて、スクラップ率(全体のどれくらいゴミになるか)が低くなります。ただし、これは、スクラップ率がさらに低い3D印刷のような積層造形プロセスに比べてマイナスになる可能性があります。
注:通常、射出成形製造からの廃プラスチックは、スプルー、ランナー、ゲートの位置、および部品キャビティ自体から漏れるオーバーフロー材料(「フラッシュ」と呼ばれる状態)の4つの領域から一貫して発生します。

スプルーは、射出成形機のノズルから射出成形金型全体の入口に溶融プラスチックを導く単なるチャンネルです。金型ツール自体とは別の部品です。
ランナーは、通常は金型ツール内または金型ツールの一部としてスプルーと接触するチャネルのシステムであり、金型ツール内の部品キャビティに溶融プラスチックを誘導します。ここでは、ランナーの2つの主要なカテゴリ(ホットとコールド)を読むことができます。
最後に、ゲートはランナーの後にあるチャネルの一部であり、パーツのキャビティに直接つながります。射出成形サイクル(通常は数秒)後、溶融プラスチック全体が冷却され、スプルー、ランナー、ゲート、部品キャビティ自体に固体プラスチックが残り、部品の端にわずかなオーバーフローが発生する可能性があります(シールが100%正しくない場合)。

*プラスチックが繰り返し成形されると、プラスチックの性能特性が低下する場合があります。そのために、成形前に抗酸化剤などを添加することになります。成形過程の多くで熱を加えます。これらを総じて熱履歴とよびます。また、熱履歴と製品の耐久性には高い相関があるために、成形メーカーの重要な情報となります。

射出成形は非常に再現性があります。 つまり、生産する2番目の部品は、最初の部品と実質的に同一になります。これは、大量生産でブランドの一貫性と部品の信頼性を実現しようとするときの素晴らしい特性です。

射出成形の欠点は

設計、テスト、およびツールの要件により、初期費用は非常に高くなる傾向が.あります。大量に部品を生産する場合は、初めて設計を正しく行う必要があります。それはあなたが思うよりも複雑です。設計を正しく行うには、次のものが含まれます。

  1. 部品自体を設計し、仕様に合わせてプロトタイピングする
    通常、最初のプロトタイプ開発は3Dプリンターで完了します。多くの場合、最終部品が構築されるのとは異なる材料(ABSプラスチックなど)で行われます。
  2. 初期生産ラウンド用の射出成形金型ツールの設計
    通常、生産材料で300〜1000の射出成形プロトタイプを生成するには、射出成形ツールの開発が必要です。
  3. 射出成形金型製造プラントでの量産前に、射出成形金型ツールの詳細を改善します。

射出成形のネガティブな側面には次のものがあります。
射出成形の主な欠点の2つは、高い金型コストと大きな所要リードタイムです。
ツーリングはそれ自体がほぼプロジェクトであり、射出成形プロセス全体の1つのフェーズにすぎません。射出成形部品を製造する前に、最初に部品を設計およびプロトタイプ化する必要があります(おそらくCNCまたは3D印刷を介して)。次に、部品のレプリカを大量に製造できる金型ツールを設計およびプロトタイプ化する必要があります。最後に、通常、前述の両方の段階で広範なテストを行った後、部品を射出成形します。ご想像のとおり、大量生産の前にツールを正しくするために必要なすべての反復には、時間とお金の両方が必要です。射出成形ツールのプロトタイプを作成することはまれです。
たとえば、新しいシャンプーボトルキャップを射出成形するとします。そのキャップには、ボトルに取り付けるためのねじ山、リビングヒンジ、スナップクロージャー、および場合によってはオーバーモールディングがあります。会社は、その部品の単一キャビティツールを作成して、すべての機能が必要に応じて成形されるようにすることを選択できます。承認されると、たとえば一度に16個のキャップを成形できる新しい金型を作成します。最初にシングルキャビティツールを使用するため、問題が発生しても、各キャビティで16回修正されるまで支払う必要はありません。
金型は通常、スチール(非常に硬い材料)またはアルミニウムで作られているため、変更するのが難しい場合があります。プラスチックを部品に追加したい場合は、スチールまたはアルミニウムを切り取って、ツールのキャビティを常に大きくすることができます。ただし、プラスチックを取り除こうとする場合は、アルミニウムまたは金属を追加して、ツールのキャビティのサイズを小さくする必要があります。これは非常に難しく、多くの場合、金型を完全に廃棄してやり直す必要があることを意味する場合があります。
射出成形には、均一な壁厚が必要です。金型の断面を切断する場合、壁の厚さは全体で約2〜3 mmであることに気付くでしょう。壁の厚さを厚くしすぎないようにすることは、ひけのような欠陥をもたらす冷却プロセスの不整合を防ぐために重要です。目安として、壁の厚さを4mm以下にしてください。壁が厚いほど、使用する材料が多くなり、サイクル時間が長くなり、部品あたりのコストが高くなります。逆に、壁の厚さが1mm未満の場合、金型の充填で問題が発生する可能性があります。
設計者は、ナイロンなどのメルトフローインデックスの高い材料を使用することで、この可能性を補うことができます。これは、0.5mmの薄さの壁に適しています。
CNCのようなさまざまな製造技術では、均一な壁厚はまったく必要ありません。

押出し成形

製造会社は、一貫した断面を持つ製品を作るために押出成形を採用しています。 このプロセスで作られた家庭でよく見られるアイテムには、PVCパイプ、雨どい、さらにはストローが含まれます。 このプロセスは、溶融したプラスチックをダイを通してプレスすることで機能します。これは正しい形状を提供するツールです。 押出成形プロセスはメーカーに利点をもたらしますが、欠点もあります。

押し出し成形を使用する理由

低コスト

押出成形は、他の成形プロセスに比べて低コストです。これは、プロセスの効率に一部起因します。ほとんどの押出成形では、熱可塑性プラスチックが使用されます。これは、溶融と硬化を繰り返し行うことができます。通常、他のプロセスで廃棄物として廃棄された残りの材料は、再利用できます。これにより、原材料と廃棄コストが削減されます。機械的な故障や計画的なダウンタイムがない限り、プラスチック押出機は継続的に動作します。これにより、在庫不足の可能性が減り、1日24時間の製造が可能になります。

柔軟性

押出成形は、一貫した断面を持つ製品の製造においてかなりの柔軟性を提供します。一貫した断面を描くために、いくつかの場所でチーズのブロックをまっすぐ切断することを想像してください。どのピースを拾っても、すべて長方形のブロック形状を維持します。断面が同じである限り、押出成形は装飾的なトリムなどの複雑な形状を生成できます。プロセスにわずかな変更を加えるだけで、メーカーはプラスチックシートに押出成形を使用します。押出プロセスのバリエーションにより、硬い表面と柔らかい表面など、プラスチックの特性が混在する製品の製造も可能になります。

押出後の変更

プラスチックは、押出機を出るときに高温のままであるため、押出後の操作が可能です。製造業者はこれを利用して、さまざまなローラー、ダイ、および靴を使用して、押出プラスチックの形状をニーズに合わせて変更します。

押し出し成型の欠点

サイズの違い

熱いプラスチックが押出機を出ると、頻繁に膨張します。 プロセスのこの段階でのプラスチックの膨張は、ダイスウェルと呼ばれます。 展開の正確な程度を予測することは、プロセスのさまざまな要因から生じるため、問題が残ります。 予測不可能な拡張のため、メーカーは製品の寸法または公差からの大幅な逸脱をしばしば受け入れなければなりません。 この問題を制限する方法は存在しますが、公差の問題により、精密部品の製造方法としての押出成形はほとんど不適格です。

製品の制限

押出成形プロセスの性質により、製造できる製品の種類に制限があります。 たとえば、通常の押出成形では達成できないキャップを収容するために、プラスチックソーダのボトルの一端が細くなっています。 押出ブロー成形などの代替品は、これらのタイプの製品にオプションを提供しますが、異なるタイプの押出装置への投資が必要です。

利点も欠点も押出し成形に特有というものではないですね。
私の経験上、内部の金属を選択できなかったために、ポリアミドなどの極性高分子との接着が非常に強く、掃除が大変だったということです。
もちろん、場合によってはサイクル時間、粘度などにも影響するので、成形品の物性に影響を与えることが考えられます。

ブロー成形

ブロー成形プラスチックは、さまざまな種類の熱可塑性材料を使用して中空の3D物品を製造する手順です。これらの材料は通常、粉末または顆粒状で入手できます。最も単純なブロー成形ツールには2つの部分があり、それらは閉じており、内部に空洞があります。

押出ブロー成形技術でのホールド金型の動作
ブロー成形メーカーは、可塑化シリンダーを使用して、粒状または粉末状の材料を軟化し、パリソン(垂直チューブ)に押し込みます。開いた型がこのパリソンを囲み、後で閉じられます。したがって、底端部は効果的に密閉され、その後、もう一方の端部が空気圧で密閉するために使用されます。

金型の形状とパリソンのサイズにより、製品の分布、壁の厚さ、その他の寸法が決まります。これにより、バックプレッシャー、ランド長、メルト圧縮、メルトフローパターンの影響を受けるダイ設計に加えて、重要な要素となります。壁の厚さが均一なボトルを製造するために、パリソンの壁の厚さは、メーカーが事前に定めたさまざまなステップを使用して制御されます。

ブロー成形を使用する理由

圧力が低いため、押出ブロー成形の金型コストは射出成形と比較して低く、機械コストも低くなります。また、雄ねじを成形するのは簡単です。大型のオープンエンドパーツを作成するには、閉じた成形品を分割して開きます。

ブロー成形の欠点

金型の直径が大きくなると、最も薄い壁のコーナーとエリアの公差は厳しくなります。さらに、押出成形は、射出成形よりも冷却時間が長くなります。また、成形後以外の穴に成形することはできません。

最後に

成形加工はとても奥が深かったです。今後、論文を読んで加筆や新しい記事を書いていこうと思います。
私としては紡糸関係に興味があるので、今後早いうちに紡糸について記事を書きます。

 

<参考文献>

Everything You Need To Know About Injection Molding

The Advantages & Disadvantages of Extrusion Molding

Advantages & Disadvantages to Extrusion Blow Molding Plastic

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