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押出成形は、所望の断面形状の金型を通して材料を押し出すことにより、一定の断面形状の物体を作成するプロセスです。他の製造プロセスと比較した主な利点は、非常に複雑な断面形状を作成できることと、材料が圧縮応力とせん断応力のみを受けるため、脆い材料を加工できることです。また、優れた表面仕上げを実現し、設計プロセスにおいて形状の自由度を大幅に高めます。[ 1 ]
伸線加工は、材料の引張強度を利用して金型を通して引き抜く、同様のプロセスです。一度に加工できる形状変化には限界があるため、単純な形状に限定され、通常は複数の工程が必要となります。伸線加工は、ワイヤーを製造する主な方法です。金属棒や金属管も、しばしば伸線加工されます。
押出成形は、連続式（理論的には無限に長い材料を製造できる）または半連続式（多数の部品を製造できる）で行うことができます。材料は高温でも低温でも使用可能です。一般的に押出成形される材料には、金属、ポリマー、セラミック、コンクリート、粘土、食品などがあります。押出成形された製品は、一般的に押出物と呼ばれます。
「穴フランジ加工」とも呼ばれるこの方法では、単純な平らな押出ダイでは、ダイの中央バリアを支えることができないため、押出材内部に中空部を形成することはできません。代わりに、ダイは深さのあるブロック状になり、まず中央部を支える形状プロファイルから始まり、ダイの形状は内部で長さに沿って最終形状へと変化し、吊り下げられた中央部はダイの背面から支えられます。材料は支持部を回り込んで溶融し、目的の閉じた形状を形成します。
金属を押し出すことで、強度を高めることもできる。
1797年、ジョセフ・ブラマは軟金属からパイプを作る最初の押出成形法の特許を取得しました。これは金属を予熱し、手動のプランジャーでダイを通して押し出すというものでした。[ 2 ] 1820年、トーマス・バーは油圧プレス（これもジョセフ・ブラマが発明）を使って鉛管にこのプロセスを適用しました。当時、このプロセスは「スクワーティング」と呼ばれていました。1894年、アレクサンダー・ディックは押出成形プロセスを銅と真鍮の合金に拡張しました。[ 3 ]鋼鉄のようなより硬い材料の押出成形は1951年に始まり、チタンの押出成形は1960年代と1970年代に開発されました。[ 4 ] [ 5 ]
工程は、まず原料を加熱することから始まります（熱間押出または温間押出の場合）。次に、原料をプレス機の容器に装填します。ダミーブロックを原料の後ろに配置し、ラムが原料を押してダイから押し出します。その後、押出成形品を延伸してまっすぐにします。より優れた特性が必要な場合は、熱処理または冷間加工を行うことがあります。[ 3 ]
押出比は、出発原料の断面積を最終押出品の断面積で割った値として定義されます。押出成形プロセスの主な利点の1つは、この比率を非常に大きくしても高品質な部品を製造できることです。
熱間押出は高温加工プロセスであり、材料の再結晶温度以上で行われるため、材料の加工硬化を防ぎ、金型を通して材料を押し出すのが容易になります。ほとんどの熱間押出は、230～11,000メトリックトン（250～12,130ショートトン）の水平油圧プレスで行われます。圧力は30～700MPa （4,400～101,500psi ）の範囲であるため、潤滑が必要であり、低温押出の場合は油またはグラファイト、高温押出の場合はガラス粉末が使用されます。このプロセスの最大の欠点は、機械のコストと維持費が高いことです。[ 1 ]
押出成形プロセスは、押出される材料にもよりますが、数キログラム（ポンド）から数トンまでの生産量であれば一般的に経済的です。ロール成形の 方が経済的になる転換点があります。例えば、一部の鋼材は、20,000 kg（50,000 lb）を超える生産量であれば、ロール成形の方が経済的になります。[ 3 ]
冷間押出は室温または室温に近い温度で行われます。熱間押出と比較した冷間押出の利点は、酸化がないこと、冷間加工による強度の向上、公差の厳密さ、表面仕上げの向上、および材料が熱収縮性の場合の押出速度の速さです。[ 1 ]
一般的に冷間押出成形される材料には、鉛、錫、アルミニウム、銅、ジルコニウム、チタン、モリブデン、ベリリウム、バナジウム、ニオブ、鋼鉄などがあります。
このプロセスで製造される製品の例としては、折りたたみ式チューブ、消火器ケース、ショックアブソーバーシリンダー、ギアブランクなどが挙げられる。
1956年3月、「金属の温間押出成形方法」に関する米国特許が出願されました。特許US3156043 Aでは、押出成形されるビレットを臨界融点以下の温度に加熱することで、物理的な力に応じて物理的特性を変化させる場合、鉄系金属および非鉄金属および合金の温間押出成形で多くの重要な利点が得られることが概説されています。[ 6 ]温間押出成形は室温以上で行われますが、材料の再結晶温度以下で行われ、温度範囲は800～1,800 °F（424～975 °C）です。通常、必要な力、延性、および最終的な押出成形特性の適切なバランスを達成するために使用されます。[ 7 ]
摩擦押出は、英国の溶接研究所で発明され、1991 年に特許が取得されました。当初は、金属マトリックス複合材料の均質な微細構造と粒子分布を製造する方法として主に意図されていました。[ 8 ]摩擦押出は、従来の押出とは異なり、原料（ビレットまたはその他の前駆体）が押出ダイに対して回転します。押出力が加えられ、原料がダイに押し付けられます。実際には、ダイまたは原料のいずれかが回転するか、または逆方向に回転します。原料とダイの間の相対的な回転運動は、プロセスにいくつかの重要な影響を及ぼします。まず、回転面内の相対運動により大きなせん断応力が発生し、その結果、ダイに接触している原料層に塑性変形が生じます。この塑性変形は、回復および再結晶化プロセスによって散逸され、変形中の原料が大幅に加熱されます。変形による加熱のため、摩擦押出では一般的に補助手段による原料の予熱は必要なく、よりエネルギー効率の高いプロセスになる可能性があります。第二に、相対回転運動領域における相当なレベルの塑性変形は、粉末やフレーク、チップなどの微細な前駆体の固相溶接を促進し、押出前に効果的に充填物を固化（摩擦固化）することができる。[ 9 ]
マイクロ押出成形は、サブミリメートル範囲で行われるマイクロ成形 押出成形プロセスです。押出成形と同様に、金属はダイのオリフィスを通して押し出されますが、出来上がった製品の断面は 1 mm の正方形を通過できます。1990 年にマイクロ成形が構想されて以来、いくつかのマイクロ押出成形プロセスが開発されてきました。[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]最初に導入されたのは、前方（ラムとビレットが同じ方向に移動）および後方（ラムとビレットが反対方向に移動）マイクロ押出成形で、その後、前方ロッド後方カップおよびダブルカップ押出成形方法が開発されました。[ 11 ] [ 13 ]方法に関係なく、マイクロ押出成形機を成功させる上で最大の課題の 1 つは、ダイとラムの製造です。「ダイとラムのサイズが小さいことと、厳しい精度要件があるため、適切な製造プロセスが必要です。」[ 11 ]さらに、Fu と Chan が 2013 年の最先端技術レビューで指摘したように、マイクロ押出成形やその他のマイクロ成形技術をより広く実施するには、変形荷重と欠陥、成形システムの安定性、機械的特性、結晶粒構造と境界に対するその他のサイズ関連の影響など、いくつかの問題がまだ解決されなければなりません。[ 11 ] [ 12 ]
押出成形装置にはさまざまな種類があります。主な特徴は次の4つです。[ 1 ]
電動モーターで駆動される単軸または二軸スクリュー式オーガー、あるいは油圧（鋼鉄やチタン合金によく用いられる）、油圧（アルミニウム用）、または穴あきドラム内部のローラーなど、複数の材料の流れを同時に生産するための特殊なプロセスで使用されるラム。
押出成形品に内部中空空洞を形成する方法はいくつかあります。1つの方法は、中空ビレットを使用し、固定マンドレルまたはフローティングマンドレルを使用することです。固定マンドレルは、ドイツ式とも呼ばれ、ダミーブロックとステムに一体化されています。フローティングマンドレルは、フランス式とも呼ばれ、ダミーブロックのスロット内で浮動し、押出時にダイ内で位置合わせされます。供給材料として固体ビレットを使用する場合は、ダイを通して押出する前に、まずマンドレルで穴を開ける必要があります。ラムとは独立してマンドレルを制御するために、特殊なプレスが使用されます。[ 1 ]固体ビレットは、スパイダーダイ、ポートホールダイ、またはブリッジダイでも使用できます。これらのタイプのダイはすべて、ダイ内にマンドレルを組み込み、マンドレルを所定の位置に保持する「脚」を備えています。押出成形中、金属は分割され、脚の周りを流れ、その後合流し、最終製品に溶接線が残ります。[ 14 ]
直接押出（前方押出とも呼ばれる）は、最も一般的な押出成形プロセスです。このプロセスでは、ビレットを厚肉容器に入れます。ビレットはラムまたはスクリューによってダイを通して押し出されます。ラムとビレットの間には、両者を分離するために再利用可能なダミーブロックがあります。このプロセスの主な欠点は、ビレットが容器の全長を移動する必要があるため摩擦力が発生し、ビレットを押し出すのに必要な力が間接押出成形プロセスに必要な力よりも大きくなることです。そのため、プロセスの開始時に最大の力が必要となり、ビレットが消費されるにつれて徐々に減少します。ビレットの端では、ビレットが薄く、材料がダイから出るために放射状に流れる必要があるため、力が大幅に増加します。このため、ビレットの端（バットエンドと呼ばれる）は使用されません。[ 15 ]
間接押出（逆押出とも呼ばれる）では、ビレットとコンテナが一緒に移動し、ダイは固定されています。ダイは「ステム」によって所定の位置に保持されますが、ステムはコンテナの長さよりも長くなければなりません。押出の最大長さは、最終的にはステムの柱の強度によって決まります。ビレットがコンテナと一緒に移動するため、摩擦力が排除されます。これにより、次の利点が得られます。[ 16 ]
欠点は次のとおりです。[ 16 ]
静水圧押出成形プロセスでは、ビレットがダイに接触する部分を除いて、ビレットは加圧された液体で完全に囲まれます。このプロセスは高温、温水、または低温で行うことができますが、温度は使用する流体の安定性によって制限されます。静水圧媒体を封じ込めるために、プロセスは密閉されたシリンダー内で実行する必要があります。流体は2つの方法で加圧できます。[ 16 ]
このプロセスの利点には以下が含まれます。[ 16 ]
欠点は次のとおりです。[ 16 ]
現代の直接押出成形機や間接押出成形機のほとんどは油圧駆動式だが、小型の機械式プレスもまだ使われている。油圧プレスには、直接駆動式油圧プレスとアキュムレータ式水圧駆動の2種類がある。
ダイレクトドライブ式油圧プレスは、信頼性が高く堅牢であるため、最も一般的です。35 MPa (5,000 psi) を超える圧力を供給できます。ビレット全体に一定の圧力を供給します。欠点は、速度が 50 ～ 200 mm/s (2 ～ 8 ips) と遅いことです。[ 17 ]
アキュムレータ式水力駆動装置は、直接駆動式油圧プレスよりも高価で大型であり、ストローク中に圧力が約10%低下しますが、最大380 mm/s (15 ips) と非常に高速です。そのため、鋼材の押出成形に使用されます。また、安全上の理由から非常に高温に加熱する必要のある材料にも使用されます。[ 17 ]
静水圧押出プレスでは、通常、最大 1,400 MPa (200 ksi) の圧力でヒマシ油が使用されます。ヒマシ油は、潤滑性と高圧特性に優れているため使用されます。[ 18 ]
押出成形プロファイルの設計は、押出成形の容易さに大きな影響を与えます。押出成形の最大サイズは、断面に収まる最小の円を見つけることで決まります。これは外接円と呼ばれます。この直径によって必要な金型のサイズが決まり、最終的に部品が特定のプレスに適合するかどうかが決まります。たとえば、大型のプレスでは、アルミニウムの場合は直径60 cm (24インチ)の外接円、鋼やチタンの場合は直径 55 cm (22インチ) の円を処理できます。[ 1 ]
押出成形プロファイルの複雑さは、押出成形単位質量あたりに生成される表面積である形状係数を計算することでおおよそ定量化できます。これは、金型のコストと生産速度に影響します。[ 19 ]
厚みのある部分では、一般的に断面サイズを大きくする必要があります。材料が適切に流れるようにするには、脚の長さは厚みの10倍を超えないようにしてください。断面が非対称の場合は、隣接するセクションのサイズをできるだけ同じにする必要があります。鋭角なコーナーは避けてください。アルミニウムとマグネシウムの場合は最小半径を0.4 mm (1/64 インチ)、鋼の場合はコーナーを0.75 mm (0.030インチ)、フィレットを3 mm (0.12インチ)にする必要があります。次の表は、さまざまな材料の最小断面と厚さを示しています。[ 1 ]
製造のための設計ガイドライン、つまり簡単かつ安価に製造できる設計が あります。これらのガイドラインは、製品を設計する人が製造プロセスを容易にし、コストと時間を削減するための一連のルールです。たとえば、穴を開ける場合、設計者が標準的な穴のサイズを指定すると、通常とは異なるサイズのドリルビットは容易に入手できないため、特注する必要があるため、コストが削減されます。[ 20 ] [ 21 ]
金型設計におけるその他の考慮事項としては、中空形状を最小限に抑えることが挙げられます。中空形状は複数の金型を必要とするため、製造の複雑さとコストが増大するからです。設計された部品は対称形状であれば、金型にかかる圧力が均等になるため、押出成形が容易になります。これにより、金型の損傷や押出成形品への製造痕のリスクが軽減されます。
溝とリブは、押し出し成形品の構造的完全性を高め、より一貫性のある結果をもたらします。[ 22 ]これらは、部品によく見られる視覚的な欠陥を軽減します。部品に発生する可能性のある欠陥には、反り、ねじれ、筋などがあります。溝とリブにより、より厚い材料を模倣するために多くの材料が生成され、変形の可能性が低減され、矯正プロセス自体が容易になります。押し出し成形品の長さに沿って波や三角形などの表面の装飾的なディテールを施すと、筋の視認性が低下し、設計後に金型を微調整しながら押し出し成形品をテストする作業量が削減されます。[ 23 ]
一般的に押出成形される金属には以下が含まれます: [ 24 ]
マグネシウム合金とアルミニウム合金は通常、0.75 μm (30 μin) RMS以上の表面仕上げを実現しています。チタンと鋼は3 マイクロメートル (120 μin) RMS を達成できます。[ 1 ]
1950年、フランスのウジーヌ・セジュールネは、鋼の押出成形に潤滑剤としてガラスを使用するプロセスを発明した。[ 25 ]ウジーヌ・セジュールネ、またはセジュールネプロセスは、現在では鋼よりも融点が高い、または押出成形に狭い温度範囲を必要とする他の材料、例えばキログラム質量標準の製造に使用される白金イリジウム合金などに使用されている。 [ 26 ]このプロセスは、材料を押出成形温度まで加熱し、ガラス粉末で転がすことから始まる。ガラスは溶融して20～30ミル（0.5～0.75 mm）の薄膜を形成し、チャンバーの壁から分離して潤滑剤として機能させる。厚さ0.25～0.75インチ（6～18 mm）の厚い固体ガラスリングが、ダイ上のチャンバーに配置され、ダイを通して押し出される押出成形を潤滑する。このガラスリングの2つ目の利点は、ビレットの熱をダイから遮断できることです。押出成形品には厚さ1ミルのガラス層が形成され、冷却後には簡単に除去できます。[ 7 ]
潤滑におけるもう一つの画期的な進歩は、リン酸塩コーティングの使用である。このプロセスは、ガラス潤滑と組み合わせることで、鋼を冷間押出成形することができる。リン酸塩コーティングは液体ガラスを吸収し、さらに優れた潤滑特性を提供する。[ 7 ]
プラスチック押出成形では、通常、ホッパー内で水分を飛ばすために乾燥させたプラスチックチップまたはペレットを原料として、供給スクリューに送ります。ポリマー樹脂は、加熱エレメントと押出スクリューからのせん断加熱の組み合わせによって溶融状態まで加熱されます。スクリュー（二軸押出成形の場合は複数のスクリュー）は、樹脂をダイを通して押し出し、樹脂を所望の形状に成形します。押出成形品は、ダイまたは水槽を通して引き抜かれる際に冷却され、固化します。押出ラインに張力をかけるために「キャタピラー引取機」（米国では「プーラー」と呼ばれる）が使用されます。この張力は、押出成形品の全体的な品質にとって不可欠です。ペレタイザーも、押出成形されたストランドを引き込んで切断する際に、この張力を発生させることができます。キャタピラー引取機は一定の引張力を提供する必要があります。そうでない場合、切断長さのばらつきや製品の歪みが生じます。場合によっては（繊維強化チューブなど）、押出成形品は非常に長いダイを通して引き抜かれ、「プルトルージョン」と呼ばれるプロセスが用いられます。内部スクリューの配置は、用途に応じて大きく異なります。混合要素や搬送要素は、さまざまな形状で使用されます。押出成形は、溶融プラスチックに着色剤を添加して特定のカスタムカラーを作成する用途でよく用いられます。
プラスチック押出成形にはさまざまな種類があり、それぞれに特有の利点があります。共押出成形では、耐薬品性や耐紫外線性などの特性が向上した多層部品の製造が可能です。発泡押出成形では、溶融した押出材料にガスを注入することで軽量の発泡構造を作り出します。水中ペレット化では、プラスチックを溶融してペレットを作ることができ、特定のプラスチック成形用途に最適です。[ 27 ]
押出成形は、溶融積層方式の3Dプリンターでも用いられるプロセスであり、押出機は多くの場合、ギア付きモーターがプラスチックフィラメントをノズルを通して押し出す構造になっている。
プラスチック押出成形の用途には、パイプ、フレーム、収納容器、装飾トリム、ケーブル導管、車両部品などがあります。[ 28 ]
ゴム押出成形は、ゴム製品を製造する方法の一つです。この工程では、まだ硬化していない合成ゴムまたは天然ゴムを、押出機と呼ばれる機械に通します。この機械には、目的の形状の金型と加圧コンベアシステムが備えられています。ゴムは押出機内で加熱されて柔らかくなり、曲げやすくなります。その後、金型を通して押し出され、最終的な形状に成形されます。
押出機は主に2つの部分から構成されています。1つはゴムをコンベアに沿って移動させながら他の材料を添加するスクリュー、もう1つは柔らかいゴムを押し込む金型です。ゴムは金型から成形された後、加硫処理によって硬化され、使用可能な製品となります。
この方法は、長くて形状が一定の大きなゴム片に効果的で、このプロセスで使用される金型は安価です。ゴム製のシールやホースなどの製造によく使用されます。[ 29 ] [ 30 ] [ 31 ]ポリマーは、プラスチック製のチューブ、パイプ、ロッド、レール、シール、シート、フィルムの製造に使用されます。
セラミックは押出成形によって様々な形状に成形することもできます。テラコッタの押出成形はパイプやチューブの製造に使用されます。現代のレンガの多くは、屋根瓦や壁瓦と同様に、レンガ押出成形プロセスを使用して製造されています。[ 32 ]押出成形後、押出成形品は窯で焼成され、その後、釉薬がかけられ、着色され、保護コーティングが施されます。[ 33 ]
工業生産の出現により、押出成形は、プラスチックや金属加工における既知の用途に加え、インスタント食品やスナックの食品加工にも応用されるようになりました。押出成形の主な役割は、もともと加工された原材料の流動形態の搬送と成形のために開発されました。現在では、押出調理技術と能力は、混合、搬送、せん断、分離、加熱、冷却、成形、共押出、揮発性物質と水分の排出、カプセル化、フレーバー生成、殺菌などの高度な処理機能に発展しています。[ 34 ]特定のパスタ、多くの朝食用シリアル、既製のクッキー生地、一部のフライドポテト、特定のベビーフード、乾燥または半湿潤のペットフード、すぐに食べられるスナックなどの製品は、主に押出成形によって製造されています。また、加工デンプンの製造や動物飼料のペレット化にも使用されています。
一般的に、高温押出成形はすぐに食べられるスナック菓子の製造に用いられ、低温押出成形は後で調理して食べるパスタや関連製品の製造に用いられる。加工された製品は水分含有量が少ないため、保存期間が著しく長く、消費者に多様性と利便性を提供する。
押出成形プロセスでは、まず原料を適切な粒径に粉砕します。乾燥混合物を前処理装置に通し、そこで他の成分を添加することもあります。また、蒸気を注入して調理プロセスを開始します。前処理された混合物は押出機に通され、ダイを通して押し出され、所望の長さに切断されます。調理プロセスは押出機内で行われ、発生する圧力（10～20 bar）により製品自体が摩擦と熱を発生させます。押出調理中の主な独立パラメータは、供給速度、原料の粒径、バレル温度、スクリュー速度、および水分含有量です。押出成形プロセスは、投入物とパラメータに応じて、タンパク質の変性とデンプンの糊化の両方を引き起こす可能性があります。テクスチャード植物性タンパク質（TVP）を製造する場合など、触媒が使用されることもあります。
医薬品に使用する場合、ナノ多孔質ポリマーフィルターを通した押出成形により、特定のサイズで狭いサイズ分布を持つ脂質小胞、リポソーム、またはトランスフェロソームの懸濁液が製造されます。たとえば、リポソーム送達システムにおける抗がん剤ドキソルビシンは、押出成形によって製剤化されます。ホットメルト押出成形は、溶解性および生物学的利用能が低い薬剤の送達を可能にするために、医薬品の固形経口剤の製造にも利用されています。ホットメルト押出成形は、ポリマー担体中に溶解性の低い薬剤を分子レベルで分散させ、溶解速度と生物学的利用能を高めることが示されています。このプロセスでは、熱、圧力、および攪拌を適用して材料を混合し、ダイを通して「押出」します。二軸スクリュー高せん断押出機は、材料を混合すると同時に粒子を粉砕します。得られた粒子は、圧縮助剤と混合して錠剤に圧縮したり、単位用量カプセルに充填したりできます。[ 35 ]
燃料ブリケットの押出成形技術は、スクリュースクリューで廃棄物（わら、ヒマワリの殻、ソバなど）または細かく粉砕した木材廃棄物（おがくず）を160～350 ℃に加熱しながら高圧で押し出す工程です。得られる燃料ブリケットには結合剤は一切含まれておらず、植物廃棄物の細胞に含まれる天然のリグニンのみが結合剤として使用されます。圧縮時の温度上昇によりブリケットの表面が溶融し、より固くなるため、ブリケットの輸送が容易になります。
繊維の合成材料の大部分は押出成形のみで製造されています。押出成形では、さまざまな合成フィラメントを形成するために繊維形成物質が使用されます。溶融した材料は、繊維の形成を助ける紡糸口金を通過します。[ 36 ] [ 37 ]
鍛造されたビレットは国立物理研究所に運ばれ、そこでガラスを潤滑剤として使用して 1200 °C で押し出され、
直径
約 43 mm の円筒形になる。
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