金型成形（プラスチック）

ポリマー加工におけるダイとは、液体ポリマーの流れに一定の断面プロファイルを提供できる金属製のリストリクターまたはチャネルです。これにより、シート、フィルム、パイプ、ロッド、その他のより複雑なプロファイルなどの形状を連続的に加工できます。これは連続プロセスであり、射出成形などの連続（非一定）プロセスとは対照的に、一定の生産（ポリマー溶融物の一定供給を想定）を可能にします。

ダイ成形は、通常、ポリマー溶融物が押出機から出た直後に行われます。最も基本的なプロセスは、圧力がかかった溶融ポリマーの流れをダイに通すことです。ダイには、マニホールド、アプローチ、リップの 3 つの異なる領域があります。「マニホールド」は、ポリマー溶融物を最初の押し出しポイントから最終製品のほぼネットシェイプに導く役割を果たします。「アプローチ」領域は、溶融物を最終形状にさらに導き、不均一な流れを修正し始めます。最後に、「リップ」は溶融物を最終的な目的の断面に形成し、残っている流れの非対称性を補正します。ダイのリップを出た後、ポリマー溶融物は硬化前にダイスウェルを受けます。ダイスウェルは、圧力が解放されたときに溶融物が膨張することであり、ポリマーの化学的性質とダイの設計に依存します。硬化後、固体の連続部品は、部品の種類に応じて、テイクアップ ローラーに引き出されるか、輸送可能な長さに切断されます。このプロセスは、ダイの種類と押出プロセスによって大きく異なる場合があります。^[1]

フラットシート押し出しに使用されるダイには、T 字型とコートハンガー型の 2 つの主要なタイプがあります。T 字型ダイは、最初の押し出しチャネルから直角に伸びる 2 つのアームで構成されています。これらのアームの長さに沿って小さなスリットがあり、ポリマー溶融物が流れます。次に、溶融物は短く平らなアプローチによってさらに薄くされ、ダイのリップから押し出されます。この設定では、押し出されたシートの幅全体にわたって不均一な流れが発生し、中央の溶融物がダイの端の溶融物よりも速く流れ、ダイを出た後に座屈やその他の欠陥が発生します。^[2]

より現代的なデザインは、コートハンガー ダイです。このダイは、アームが入力方向に対して直角ではないという点で T 字型ダイとは異なります。代わりに、アームはより浅い角度で、多くの場合は湾曲しています。アームの直径も可変で、入力チャネルから離れるほど半径が小さくなります。コートハンガー ダイのアプローチ部分は T 字型ダイよりも長く、流れの不均一性をさらに低減します。最後に、溶融物は T 字型ダイと同様にリップから押し出されます。

プラスチックシートやフィルムなどの製品の場合、冷却は、通常 3 個または 4 個の冷却ロール (カレンダーロールまたはチルロールとも呼ばれる) に通すことによって行われます。シートの押し出しでは、これらのロールは必要な冷却を行うだけでなく、シートの厚さや表面の質感 (構造化ロールの場合、つまり、スムース、レバント、ヘアセルなど) を決定するのにも役立ちます。ローラーと押し出し物の接触時間が短すぎて冷却時間が不十分になると、神経と呼ばれる一般的な処理欠陥が発生する可能性があります。

共押し出しはシートおよびフィルム押し出しでよく使用され、多層部品の迅速な製造を可能にします。これは、マニホールドまたはアプローチ ステージのいずれかで複数のポリマー溶融物を結合することによって実現されます。異なる流量または異なるマニホールド サイズで溶融物を投入することで、異なる厚さの層を形成できます。

ショッピングバッグや連続シートなどの製品用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。 ^[3] 押出機からのポリマー溶融物は、環状開口部を備えた直立ダイを通って供給されます。 フィルム品質の最終要件とポリマー溶融物の特性に応じて、スパイダーダイ、クロスヘッドダイ、スパイラルダイなど、いくつかの種類のダイを使用できます。

スパイダー ダイは、複数の「脚」によってダイの外側の壁に接続された内部マンドレルで構成されており、中程度に複雑な設計になっています。結果として得られるフィルムには、脚があった場所にウェルド ラインが見られます。これらのウェルド ラインは周囲のポリマーよりも弱く、曇りなどの光学特性も異なる場合があります。この弱さは、ポリマー分子マトリックスの不完全な修復によって生じます。さらに、スパイダー レッグによって生じる圧力勾配によって、ダイの膨張が不均一になり、フィルムの厚さが不均一になります。

クロスヘッド ダイは、マニホールド入口でメルト フローを 2 つに分割し、円筒形の中央マンドレルの反対側で再結合します。この比較的単純な設計では、分子がマンドレルの近い側よりも反対側に到達するのに時間がかかるため、非対称の流れになります。そのため、結果として得られるフィルムの厚さは均一ではありません。この不均一性を軽減するには、入口の直径を変えたり、さまざまなインサートを追加して停滞領域を最小限に抑えることができます。

スパイラル ダイは、3 つの主要なインフレーション フィルム ダイ タイプの中で最も複雑です。ポリマー溶融物は、中央のマンドレルに巻き付けられた複数のフィード チューブに均等に分配されます。これらのフィード チューブはそれぞれ、マンドレルとダイの外壁の間のスペースに接続されています。フィード チューブは、マンドレルの周りを螺旋状に巻き付けられるにつれて、徐々に直径が小さくなります。同時に、マンドレルとダイの外壁の間のスペースが広がります。これにより、ポリマー溶融物が層状に混ざり合い、ウェルド ラインのない均一な溶融プロファイルが得られます。このダイ設計では、最も均一なフィルムが生成されますが、最も高価でもあります。

押出ダイを通して空気圧が導入され、ポリマー溶融物がダイの縁を離れた後、円周方向に膨張します。チューブは押し出されるよりも速く長さ方向に引かれます。これにより、フィルムは引張方向 (または機械方向) と横方向 (またはフープ方向) の両方に膨張するため、薄くなります。ブロー直径と押し出し直径の比率はブローアップ比と呼ばれ、剛性や強度などのフィルムの物理的特性に影響します。フィルムの厚さとブローアップ比は、ローラーの巻き取り速度、ブローチューブの内部圧力、および溶融押出速度を変更することで変更できます。

フィルムが引き上げられると、エアブロワーのリングによって冷却され、溶融物はまず非晶質粘弾性固体になり、次にフロストラインと呼ばれる半結晶固体になります。凝固後、インフレーションフィルムチューブは数組のローラーによって引き上げられながら冷却され続け、フィルムの空気が抜けて平らなチューブになります。その後、平らなフィルムはスプールに巻き取られ、さらに加工または出荷されます。フィルムラインの高さは、インフレーションチューブの直径の10倍以上になることが多く、30メートルを超えるフィルムラインも可能です。

フィルム チューブが完全に冷却されると、複数のニップ ローラーで巻き取られます。結果として得られる二重に折り畳まれた平らなフィルムの幅は、吹き付けチューブの円周の半分に等しくなります。その後、フィルムは平らなチューブとして巻き取られるか、またはすぐに 2 つの別々の部分に分割されます。この時点で、フィルムは印刷や最終形状への切断などのさらなる処理の準備が整います。

被覆押出は、個々の裸線または被覆済み線の束を絶縁ポリマーの層で被覆するコーティングプロセスです。特定の用途に応じて、さまざまな材料を使用できます。絶縁ケーブルなどの多くの用途では、ポリマーは優れた絶縁体、柔軟性、耐摩耗性を備えている必要があります。^[4]

このプロセスでは、ワイヤー (またはワイヤーの束) を、塗布するポリマーコーティングのガラス転移温度または融点以上に予熱します。これは、新しいコーティングの接着を確実にするためです。次に、この予熱された裸ワイヤーをダイに通して、ワイヤーの周りに薄いポリマーコーティングを施します。使用するダイの形状により、メルトフラクチャーを回避しながら比較的高い押し出し速度が可能になります。次に、新しくコーティングされたワイヤーを空気またはガス炎に通してコーティングの表面を滑らかにし、最後に水浴でコーティングされたワイヤーを完全に冷却します。コーティングされたワイヤーは、必要に応じてさらに処理できるようにスプールに巻き取られます。

オーバージャケット押し出しに使用されるダイには 2 つの主要なタイプがあり、どちらも全体的なクロスヘッド設計に基づいています。使用されるダイのタイプに関係なく、ポリマー溶融物は、ダイを通過する裸線の速度よりも遅い速度で押し出されることが多く、通常は溶融物の速度の 1 ～ 4 倍程度です。これにより、ポリマー ジャケットが伸びて薄くなり、中央のワイヤの周囲が締まり、新しい層の接着力が高まります。

最初のダイ タイプは、最初は裸線に触れていないポリマーのチューブを押し出す環状またはチューブ/ジャケット ダイです。次に、まだ溶融しているポリマー チューブに真空が適用され、裸線の表面に引き寄せられて結合します。このタイプのダイは、通常、非常に細いワイヤーを高粘性のポリマー ジャケットでコーティングするために使用されます。

2 番目のダイ タイプは圧力型ダイと呼ばれ、ダイ内部の被覆ポリマーと裸線との接触に依存します。このダイ タイプでは、圧力がかかったポリマー溶融体のリングが裸線の周りに押し付けられます。溶融体の圧力がかかるため、裸線の入口の開口部は 0.05 mm 程度と非常に小さくする必要があります。出口開口部のサイズによって、結果として得られるコーティングの厚さが決まります。このタイプのダイでは、被覆ダイよりも外側のコーティングと裸線との接触がより密になります。

繊維延伸は、重力または他の力を利用して押し出された繊維を幾何学的かつ機械的に変形するハイブリッド プロセスです。このプロセスでは、ポリマー繊維の断面積が減少するだけでなく、個々のポリマー分子を整列させることで繊維の強度も向上します。

引き伸ばしの前に、ポリマー溶融物は、紡糸口金と呼ばれる多数の小さな穴のあるダイに押し出されます。通常、繊維は硬化の必要なしに空冷されます。硬化が必要な場合は、乾式紡糸と湿式紡糸の 2 つの方法があります。湿式紡糸では、ポリマーが溶解され、紡糸口金を通して化学浴に押し出されます。乾式紡糸では、繊維が冷却されるにつれて溶媒が蒸発します。

通常、繊維の延伸は紡糸直後に行われます。重力または巻き取りローラーによる外力の適用により、繊維は横方向に収縮して長くなります。これにより、個々のポリマー分子が繊維の長さに沿って配向され、強度が増します。繊維の半径は、長くなるにつれて双曲線的に減少することがわかっています。繊維が固化すると、各粒子が最初はランダムに配向された状態で結晶化し始めます。さらに延伸すると、結晶粒子が伸長して引張軸方向に再配向され、繊維がさらに強化されます。

実際には、すべてのポリマーが繊維紡糸や延伸に適しているわけではありません。これは特に、毛細管現象やネッキングにより凝固前に溶融物が分離する可能性がある伸長薄化ポリマーで問題となります。

ドロー共振は、ポリマーの適合性に関係なく、ポリマー溶融物のドロー中に発生する可能性のある最も一般的な問題です。共鳴は、個々のコンポーネントの質量流量が一定であるにもかかわらず、スピナレットと繊維巻き取りローラー間の質量流量が一定でない場合に発生します。質量流量が一定でない場合、繊維の直径は変化に合わせて変化します。この共鳴は一度始まると、自動的に修正されない可能性があり、押し出しラインを完全に停止する必要があります。

臨界ドローダウン比を超えるとドロー共振が発生することがわかっています。この比は、流体の流動挙動 (ニュートン流体、せん断流動) と粘弾性挙動に依存します。ただし、ドロー共振が流量の関数であることは確認されていません。PET などのニュートン流体に近いポリマー溶融物のドローダウン比は約 20 ですが、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリプロピレンなどのせん断流動性が高く粘弾性のポリマー溶融物の臨界ドローダウン比は 3 程度になることがあります。

チューブ成形ダイは、（インフレーションフィルム押出成形に比べて）厚い壁のチューブやパイプの連続押出成形を可能にする。^[5] ダイ自体はインフレーションフィルム押出成形で使用されるものとほぼ同じである。唯一の大きな違いは、内側のマンドレルと外側のダイ壁の間の隙間である。ポリマー溶融物がダイから押し出されると、巻き取りローラーによって引き離される。冷却は、ウォーターバスまたは多数の冷却ファンを使用して行われる。冷却後、チューブは大きなスプールに巻き取られるか（柔軟な場合）、または事前に設定された長さに切断されて積み重ねられる（硬い場合）。

特殊な用途では、複数のルーメン (穴) を持つチューブを作成する必要があります。これらの用途では、必要なルーメン数を生成するために、ダイの中央に複数のマンドレルを配置してツールを作成します。ほとんどの場合、これらのマンドレルには、さまざまなソースから空気圧が供給されます。このように、個々のマンドレルへの圧力を調整することで、個々のルーメン サイズを調整できます。

雨どい、構造サポート、その他の部品などの複雑な形状の押し出しであるプロファイル押し出しは、あらゆる押し出しプロセスの中で最も複雑なダイ設計を伴います。^[6] この難しさは、2つの主な懸念事項によるものです。最初の溶融プロファイルを生成することと、壁の厚さの変化による非対称収縮とダイス膨張を制御することです。

インフレーションフィルム、パイプ、シートの押し出しとは異なり、異形押し出しで使用されるダイは、円形または完全に平らであることはほとんどありません。円形 (または平らな) プロファイルは、すべてのエッジに沿って均一な流量を持ちますが、これはより複雑な形状には当てはまりません。たとえば、シンプルでソリッドな正方形のプロファイルを例に挙げてみましょう。溶融物の速度は、ダイの中央で最も高く、溶融物とダイの壁の間の摩擦により、エッジとコーナーで最も低くなります。ダイの中央からエッジの 1 つの中間点に移動する場合、特に外側のダイの壁の近くで速度勾配が大きくなります。ただし、中央からコーナーの 1 つに移動する場合、速度勾配はより緩やかになります。その結果、押し出された正方形のプロファイルは、コーナーよりもエッジでダイの膨張が大きく、正方形だったプロファイルがより円形になります。これは、ダイの側面を湾曲させて 4 角の星形に近づけることで補正できます。これにより、ポリマー溶融物の側面が意図した寸法まで膨張します。

希望するプロファイルが複雑になるにつれて、ダイも複雑になります。ウェルド ラインを最小限に抑えるとともに、完成した押し出しプロファイルに気泡やその他の欠陥が生じないように、ダイを完全に充填するように注意する必要があります。最初の押し出しが完了したら、溶融ポリマー プロファイルを少し冷却してから、サイジング ダイに通します。このダイにより、押し出しプロファイルが仕様を満たしていることが保証され、その仕様に合わせて形状を修正できます。サイジングが完了したら、プロファイルを冷却してから、さらに加工します。

実際には、多くのフィルム、シート、その他の押し出し部品は多層構造になっており、これにより酸素透過性、強度、剛性などの幅広い特性を最適化できます。共押し出しの主な難しさは、各層間の特性のギャップを埋めることです。^[7] 薄い「適合性」層を追加することは、粘度や剛性の不適合性を軽減するための一般的な解決策です。^[8]

共押し出しには、シングルマニホールドとマルチマニホールドの 2 つの主要なダイタイプがあります。どちらのタイプも、ポリマーの化学組成ごとに別々の押出機を使用します。マルチマニホールドダイでは、各層は別々に押し出され、ダイリップの直前でのみ結合されます。このダイタイプは、複雑なツールが必要なため高価ですが、さまざまな層間のレオロジー挙動の大きな違いを軽減できます。シングルマニホールドダイは、複数の層を 1 つの層に形成し、ポリマー層間の接触時間を長くします。これにより、最適な結合が保証されますが、より高い互換性を持つポリマーが必要になります。

共押し出し中に発生する可能性のある加工欠陥には 2 つの種類があります。最初の欠陥は、界面の不安定性で、意図しない界面形状を引き起こします。これにより、粘度の高い溶融物が粘度の低い溶融物によって「カプセル化」され、押し出された部品の最終性能が低下します。この種類の欠陥の重大性は、2 つのポリマー溶融物の粘度の差に比例します。もう 1 つの種類の欠陥は、溶融物の流動の振動によって発生し、溶融物の表面に小さな波状のパターンを引き起こし、光学的透明性を低下させます。