回転成形

回転成形( BrE :成形) では、加熱された金型に一定量の材料を充填します。金型はその後ゆっくりと回転し (通常は 2 つの垂直軸の周り)、軟化した材料が分散して金型の壁に付着し、中空の部品が形成されます。部品全体の厚さを均一にするために、金型は加熱段階中は常に回転し、たるみや変形を防ぐために冷却段階中も回転し続けます。このプロセスは 1950 年代にプラスチックに適用されましたが、初期の頃は、プラスチックの種類が限られ、プロセスが遅いため、ほとんど使用されていませんでした。時が経つにつれ、プロセス制御の改善とプラスチック粉末の開発により、使用が増加しました。

一方、回転鋳造（ロータリーキャスティングとも呼ばれる）では、加熱しない金型で自己硬化性樹脂または紫外線硬化性樹脂（熱可塑性樹脂ではない）を使用しますが、回転成形と同様に回転速度が遅いという特徴があります。この種類の回転鋳造を遠心鋳造と混同しないでください。

1855年にイギリスのR.ピーターズが取得した特許には、ベベルギアと熱によって「互いに直角の2つの遠心運動」を生み出す回転機構の最初の使用が記録されています。この回転成形プロセスは、砲弾やその他の中空の容器を作成するために使用され、その主な目的は壁の厚さと密度の一貫性を作り出すことでした。1905年の米国特許で、FAヴォルケは、パラフィンワックスを使用して物品を製造するためのポリマーを含む方法を説明しました。この開発により、1910年にGSベイカーとGWパークスが中空のチョコレートイースターエッグを製造するプロセスが生まれました。回転成形は、RJパウエルが低速回転時の主軸と副軸の比率が4：1であることが一般的に使用されていることに言及したことでさらに発展しました。彼の特許は、1920年代にパリ石膏から中空の物体を成形するこのプロセスを対象としていました。さまざまな材料を使用したこれらの初期の方法は、今日のプラスチックでの回転成形方法の進歩を導きました。^{[1] [2]}

プラスチックは、1950 年代初頭に回転成形プロセスに導入されました。最初の用途の 1 つは、人形の頭部の製造でした。機械は、ゼネラルモーターズの後部車軸にヒントを得た E ブルー ボックス オーブン マシンで、外部の電動モーターで駆動し、床に設置されたガスバーナーで加熱されます。金型は電鋳ニッケル銅で作られ、プラスチックは液体ポリ塩化ビニル(PVC)プラスチゾルでした。冷却方法は、金型を冷水に入れることでした。この回転成形プロセスにより、他のプラスチック玩具が作られました。このプロセスの需要と人気が高まるにつれて、ロードコーン、海洋ブイ、車のアームレストなど、他の製品の作成に使用されるようになりました。この人気により、より大型の機械が開発されました。新しい加熱システムも作成され、当初の直接ガス ジェットから現在の間接高速空気システムに移行しました。1960 年代のヨーロッパでは、エンゲル プロセスが開発されました。これにより、低密度ポリエチレンで大きな中空容器を製造できるようになりました。冷却方法はバーナーをオフにして、プラスチックを型の中で揺らしながら硬化させるというものでした。^[3]

1976年、シカゴで世界規模の業界団体として回転成形協会（ARM）が設立されました。この協会の主な目的は、回転成形技術とプロセスの認知度を高めることです。^[3]

1980年代には、ポリカーボネート、ポリエステル、ナイロンなどの新しいプラスチックが回転成形に導入されました。これにより、燃料タンクや工業用成形品の作成など、このプロセスの新しい用途が生まれました。1980年代後半からベルファストのクイーンズ大学で行われてきた研究は、「ロトログシステム」の開発に基づいて、冷却プロセスのより正確な監視と制御の開発につながりました。^{[3] [4]}

回転成形機は、さまざまなサイズで製造されています。通常、金型、オーブン、冷却室、金型スピンドルで構成されています。スピンドルは回転軸に取り付けられており、各金型内のプラスチックの均一なコーティングを提供します。^[5]

金型 (またはツール) は、溶接された鋼板から製造されるか、鋳造されます。製造方法は、多くの場合、部品のサイズと複雑さによって決まります。複雑な部品のほとんどは、鋳造ツールで作られている可能性があります。金型は通常、ステンレス鋼またはアルミニウムで製造されます。アルミニウムの金型は、より柔らかい金属であるため、通常、同等の鋼の金型よりもはるかに厚くなります。アルミニウムの熱伝導率は鋼の何倍も大きいため、この厚さはサイクル時間にあまり影響しません。鋳造前にモデルを開発する必要があるため、鋳造金型はツールの製造に関連する追加コストがかかる傾向がありますが、製造された鋼またはアルミニウムの金型は、特にそれほど複雑でない部品に使用する場合は、安価です。ただし、一部の金型にはアルミニウムと鋼の両方が含まれています。これにより、製品の壁の厚さを変えることができます。このプロセスは射出成形ほど正確ではありませんが、設計者により多くのオプションを提供します。鋼にアルミニウムを追加すると、熱容量が増加し、メルトフローがより長い時間流体状態に留まります。

通常、回転成形システムには、金型、オーブン、冷却室、金型スピンドルが含まれます。金型は部品を作成するために使用され、通常はアルミニウムで作られています。製品の品質と仕上がりは、使用する金型の品質に直接関係しています。オーブンは部品を加熱すると同時に、部品を回転させて希望どおりに成形するために使用されます。冷却室は部品が冷えるまで置かれる場所であり、スピンドルは回転して各金型内でプラスチックの均一なコーティングを提供するように取り付けられています。

これは、主に細長い部品を製造するために設計された特殊な機械です。アームが 1 つのクラムシェル型もありますが、アームが 2 つあるシャトル型のロックンロール マシンもあります。各アームは、金型を一方向に 360 度回転または転がし、同時に金型を反対方向に水平から 45 度上または下に傾けて揺らします。新しいマシンは、強制熱風を使用して金型を加熱します。これらのマシンは、長さと幅の比率が大きい大型部品に最適です。加熱室が小さいため、二軸マシンに比べて加熱コストを節約できます。^[6]

これはシングルアーム回転成形機です。アームは通常、両端で他のアームによって支えられています。クラムシェルマシンは、同じチャンバー内で金型の加熱と冷却を行います。同等のシャトルおよびスイングアーム回転成形機よりも場所をとりません。製造される製品のサイズに比べてコストが低くなります。プロトタイプ作成に興味のある学校や高品質のモデル向けに、小規模で利用できます。1 本のアームに複数の金型を取り付けることができます。^[7]

積み込みと積み下ろしのエリアは、加熱エリアと冷却エリアの間にある機械の前面にあります。これらの機械は、他の回転式機械と比較して、小型から中型までサイズが異なります。垂直回転成形機は、加熱室と冷却室がコンパクトなため、エネルギー効率に優れています。これらの機械は、水平カルーセルマルチアームマシンと同じ（または同様の）機能を備えていますが、占有スペースははるかに小さくなります。^[8]

ほとんどのシャトルマシンには、加熱室と冷却ステーションの間で金型を前後に動かす 2 つのアームがあります。アームは互いに独立しており、金型を 2 軸で回転させます。シャトルマシンには 1 つのアームしかない場合もあります。このマシンは、金型を加熱室と冷却室の内外に直線的に移動させます。生産される製品のサイズに対してコストが低く、他のタイプのマシンと比較して設置面積が最小限に抑えられています。また、学校や試作用に小規模で利用することもできます。^[7]

スイングアームマシンには、2 軸動作を備えた最大 4 本のアームを取り付けることができます。すべてのアームを同時に操作する必要がないため、各アームは互いに独立しています。各アームはオーブンの角に取り付けられ、オーブン内外にスイングします。一部のスイングアームマシンでは、1 組のアームが同じ角に取り付けられているため、4 アームマシンには 2 つのピボットポイントがあります。これらのマシンは、冷却サイクルが長い企業や、調理時間に比べて部品の脱型に長い時間が必要な企業にとって非常に便利です。メンテナンス作業をスケジュールしたり、マシンの他のアームの生産を中断せずに新しい金型を実行したりすることがはるかに簡単になります。

これは業界で最も一般的な二軸マシンの 1 つです。最大 4 本のアームと 6 つのステーションを備え、さまざまなサイズがあります。マシンには、固定型と独立型の 2 つのモデルがあります。固定アーム カルーセルは、一緒に動く 3 本の固定アームで構成されています。1 本のアームは加熱室にあり、もう 1 本は冷却室にあり、3 本目はローディング/リローディング エリアにあります。固定アーム カルーセルは、各アームに同じサイクル タイムが使用される場合にうまく機能します。独立アーム カルーセル マシンには、独立して移動できる 3 本または 4 本のアームがあります。これにより、さまざまなサイズの金型、さまざまなサイクル タイム、およびさまざまな厚さのニーズに対応できます。^[8]

回転成形法は、高温低圧のプラスチック成形法であり、熱と二軸回転（2軸の角度回転）を使用して中空の一体型部品を製造します。^[9]このプロセスの批判者は、サイクルタイムが長いことを指摘しています。射出成形などの他のプロセスでは、部品を数秒で製造できますが、回転成形では通常、1時間に1〜2サイクルしか実行できません。このプロセスには明確な利点があります。オイルタンクなどの大きな中空部品の製造は、回転成形により他の方法よりもはるかに簡単です。回転金型は他のタイプの金型よりもはるかに安価です。このプロセスを使用すると材料がほとんど無駄にならず、余分な材料を再利用できることが多いため、非常に経済的で環境的に実行可能な製造プロセスになります。

回転成形プロセスは、次の 4 つの異なるフェーズで構成されます。

1. 測定された量のポリマー（通常は粉末状）を金型に充填します。
2. 金型をオーブンで回転させながら加熱し、すべてのポリマーが溶けて金型の壁に付着するまで加熱します。中空部分は、ポリマー粉末の蓄積を避けるために、2 つ以上の軸で異なる速度で回転する必要があります。金型がオーブン内に留まる時間の長さは重要です。長すぎるとポリマーが劣化し、衝撃強度が低下します。金型がオーブン内に留まる時間が短すぎると、ポリマーの溶融が不完全になる可能性があります。ポリマー粒子が完全に溶けて金型の壁で融合する時間がなく、ポリマーに大きな気泡が発生します。これにより、完成品の機械的特性が損なわれます。
3. 金型を冷却します。通常はファンで冷却します。サイクルのこの段階は、かなり長くなることがあります。ポリマーを冷却して固化させ、オペレーターが安全に扱えるようにする必要があります。これには通常、数十分かかります。部品は冷却時に収縮し、金型から離れ、部品を簡単に取り外すことができます。冷却速度は、特定の範囲内に維持する必要があります。非常に急速な冷却 (たとえば、水スプレー) は、制御できない速度で冷却および収縮し、歪んだ部品を生成します。
4. 部品の取り外し。

最近まで、部品をオーブンから取り出すタイミングや、金型から取り出せるほど冷えたタイミングを判断するプロセスは、主に試行錯誤とオペレーターの経験に頼っていました。近年、テクノロジーが進歩し、金型内の空気温度を監視できるようになり、プロセスから推測作業が大幅に削減されました。

現在、多くの研究がサイクル タイムの短縮と部品の品質向上に向けられています。最も有望な分野は、金型の加圧です。加熱段階の適切な時点で金型内部に少量の圧力をかけると、溶融中にポリマー粒子の凝集が促進され、大気圧よりも短時間で気泡の少ない部品が製造されることはよく知られています。この圧力により、冷却段階の収縮によって部品が金型壁から離れるのを遅らせ、部品の冷却を助けます。この主な欠点は、加圧された部品が爆発する危険性があることです。このため、回転成形メーカーは金型の加圧を大規模に採用していません。

優れた離型剤(MRA) を使用すると、材料を素早く効果的に除去できます。離型剤を使用すると、サイクル時間、欠陥、完成品の変色を減らすことができます。離型剤にはさまざまな種類があり、次のように分類できます。

• 犠牲コーティング: MRA のコーティングは毎回塗布する必要があります。これは、金型から取り外すときに、成形部品から MRA の大部分が剥がれ落ちるためです。このカテゴリの典型的な MRA 化合物は、シリコーンです。
• 半永久コーティング: コーティングは、正しく塗布すれば、再塗布や修正が必要になるまで複数回のリリースに耐えます。このタイプのコーティングは、今日の回転成形業界で最も普及しています。これらのコーティングに含まれる活性化学物質は通常、ポリシロキサンです。
• 永久コーティング: ほとんどの場合、金型に塗布されるポリテトラフルオロエチレン(PTFE) コーティングの一種です。永久コーティングはオペレーターによる塗布を必要としませんが、誤った使用によって損傷を受ける可能性があります。

使用される材料の 80% 以上はポリエチレン系で、架橋ポリエチレン(PEX)、低密度ポリエチレン(LDPE)、直鎖状低密度ポリエチレン(LLDPE)、高密度ポリエチレン(HDPE)、リグラインドなどがあります。その他の化合物には、ポリ塩化ビニル(PVC)プラスチゾル、ナイロン、ポリプロピレンがあります。

業界で最も一般的に使用される材料の順序：^[10]

• ポリエチレン
• ポリプロピレン
• ポリ塩化ビニル
• ナイロン
• ポリカーボネート

以下の材料も時々使用されます（最も使用される順ではありません）：^[10]

• アルミニウム
• アクリロニトリルブタジエンスチレン（ABS）
• アセタール
• アクリル
• エポキシ
• フルオロカーボン
• イオノマー
• ポリブチレン
• ポリエステル
• ポリスチレン
• ポリウレタン
• シリコーン
• 様々な食品（特にチョコレート）

最近では、成形工程で天然素材を使用することが可能になりました。本物の砂と石片を使用することで、80%が天然の未加工素材である 砂岩複合材を作成できます。

石膏を回転成形して中空の小像を製作します。

チョコレートを回転成形して中空のお菓子を作ります。

設計者は、米国食品医薬品局 (FDA) の要件を満たす材料など、アプリケーションに最適な材料を選択できます。耐候性、難燃性、または静電気除去のための添加剤を組み込むことができます。インサート、グラフィックス、スレッド、ハンドル、小さなアンダーカット、ドラフト角度のない平面、または細かい表面ディテールをデザインの一部にすることができます。デザインは、中空またはフォーム充填のいずれかの多層構造にすることもできます。

回転成形法で製造できる製品には、貯蔵タンク、家具、道路標識やボラード、プランター、ペットハウス、玩具、ゴミ箱やゴミ容器、人形の部品、道路コーン、フットボール、ヘルメット、カヌー、手漕ぎボート、竜巻シェルター、^[11]カヤックの船体、ブドウや野菜を貯蔵するための地下貯蔵庫、遊び場の滑り台などがあります。このプロセスは、核分裂性物質の輸送用の国連承認コンテナ、^[12]海賊対策船舶保護装置、^[13]膨張式酸素マスクのシール^[14]航空宇宙産業の軽量部品など、高度に特殊化された製品の製造にも使用されています。^[15]

もう一つの考慮事項は、抜き勾配です。抜き勾配は、部品を型から取り出すために必要です。外壁では、1°の抜き勾配で十分です（粗い表面や穴がないと仮定）。船体の内側などの内壁では、5°の抜き勾配が必要になる場合があります。^[16]これは、収縮と部品の反りの可能性があるためです。

もう一つの検討事項は構造支持リブです。射出成形や他のプロセスでは中実リブが望ましく実現可能ですが、回転成形では中空リブが最適なソリューションです。^[17]中実リブは完成品を金型に挿入することで実現できますが、コストが増加します。

回転成形は中空部品の製造に優れています。ただし、これを行う際には注意が必要です。凹部の深さが幅よりも大きい場合、加熱と冷却の均一性に問題が生じる可能性があります。さらに、溶融物が金型全体に適切に移動できるように、平行壁の間に十分なスペースを残しておく必要があります。そうしないと、ウェビングが発生する可能性があります。望ましい平行壁のシナリオは、公称壁厚の少なくとも3倍のギャップがあり、公称壁厚の5倍が最適です。平行壁の鋭角も考慮する必要があります。角度が45°未満の場合は、ブリッジング、ウェビング、およびボイドが発生する可能性があります。^[18]

もう一つの考慮すべき点は、材料の溶融流動性です。ナイロンなどの特定の材料は、他の材料よりも大きな半径を必要とします。硬化した材料の剛性が要因となる場合があります。脆弱な材料を使用する場合は、より構造的および強化的な対策が必要になる場合があります。^[19]

回転成形の利点の 1 つは、特に壁の厚さについて実験できることです。コストは壁の厚さに完全に依存しており、壁が厚いほどコストが高く、製造に時間がかかります。壁の厚さはほぼ任意にできますが、設計者は壁が厚くなるほど材料と時間が必要になり、コストが増加することを覚えておく必要があります。場合によっては、プラスチックは高温に長時間さらされると劣化することがあります。材料によって熱伝導率が異なるため、加熱室と冷却室での保持時間も異なります。理想的には、部品はアプリケーションに必要な最小厚さを使用してテストされます。この最小厚さは、公称厚さとして確立されます。^[20]

設計者にとっては、さまざまな厚さが可能ですが、ストップ回転と呼ばれるプロセスが必要です。このプロセスは、金型の片側のみが他の側よりも厚くなるという制限があります。金型が回転し、すべての表面が十分に溶融フローで覆われた後、回転が停止し、溶融フローが金型キャビティの底に溜まります。^[20]

壁の厚さはコーナー半径にも重要です。外側の半径は小さい半径よりも大きい方が望ましいです。内側の半径も小さい半径よりも大きい方が望ましいです。これにより、材料の流れがより均一になり、壁の厚さもより均一になります。ただし、外側のコーナーは一般的に内側のコーナーよりも強度があります。^[20]

回転成形は、他の成形プロセスに比べて設計上の利点があります。適切な設計により、複数の部品から組み立てられた部品を 1 つの部品として成形できるため、高い製造コストを削減できます。また、このプロセスには、壁の厚さが一定で、実質的にストレスのない強力な外角など、設計上の強みがあります。さらに強度を高めるために、部品に補強リブを設計できます。部品に設計するだけでなく、金型に追加することもできます。

金型にあらかじめ仕上げられた部品を追加できるというだけでも大きな利点があります。プラスチック ペレットを追加する前に、金属のねじ、内部のパイプや構造、さらにはさまざまな色のプラスチックをすべて金型に追加できます。ただし、冷却中に最小限の収縮が起こり、部品が損傷しないように注意する必要があります。この収縮により、軽度のアンダーカットが可能になり、ほとんどの部品で排出機構が不要になります。

回転成形は、プラスチックボトルや円筒形容器などの製品でブロー成形の実現可能な代替手段として使用できます。ブロー成形の効率は大量生産に依存するため、この代替手段は小規模でのみ効果的です。

もう一つの利点は、金型自体にあります。金型は必要な工具が少ないため、他の成形プロセスよりもはるかに迅速に製造および生産を開始できます。これは、他の成形プロセスでは大量の工具が必要になる可能性のある複雑な部品の場合に特に当てはまります。回転成形は、少量生産や急ぎの納品にも最適なプロセスです。金型をすばやく交換したり、金型をパージせずに異なる色を使用したりすることができます。他のプロセスでは、色を交換するためにパージが必要になる場合があります。

均一な厚さを実現することで、大きく伸びる部分がなくなり、大きな薄いパネルが可能になります (反りが生じる可能性があります)。また、プラスチックの流れ (伸び) はほとんどなく、部品内に材料が配置されるだけです。これらの薄い壁により、コストと製造時間も制限されます。

回転成形のもう 1 つのコスト上の利点は、製造時に無駄になる材料の量が最小限であることです。スプルーやランナー (射出成形の場合) はなく、切り落としやピンチオフ スクラップ (ブロー成形の場合) もありません。スクラップや不良部品のテストで無駄になる材料は、通常リサイクルできます。

回転成形部品には、他のプラスチック成形方法とは異なる制約があります。低圧成形であるため、設計者は金型内の手の届きにくい部分に直面することがあります。良質の粉末を使用すると、いくつかの状況は克服できますが、通常、設計者は射出成形で可能な鋭いねじ山を作ることができないことを念頭に置く必要があります。ポリエチレンベースの一部の製品は、主材料を充填する前に金型に入れることができます。これにより、一部の領域に穴が開くのを防ぐことができます。これは、可動セクションを備えた金型を使用して実現することもできます。

もう一つの制限は、金型自体にあります。製品を取り出す前に冷却するだけでよい他のプロセスとは異なり、回転成形では金型全体を冷却する必要があります。水冷プロセスは可能ですが、金型のダウンタイムが長く、金銭的コストと環境コストの両方が増加します。プラスチックの中には、長い加熱サイクルや、溶融する粉末に変えるプロセスで劣化するものもあります。

加熱と冷却の段階では、最初に高温媒体からポリマー材料へ、次にポリマー材料から冷却環境へ熱が伝達されます。どちらの場合も、熱伝達のプロセスは非定常状態で発生するため、これらのステップを検討する際には、その速度論が最大の関心事となります。加熱段階では、高温ガスから取り出された熱が金型とポリマー材料の両方に吸収されます。回転成形用の装置は通常、壁厚が比較的薄く、熱伝導率の高い金属 (アルミニウム、スチール) で製造されています。一般に、金型はプラスチックが吸収できるよりもはるかに多くの熱を伝達するため、金型温度は直線的に変化する必要があります。回転成形の回転速度はかなり低速です (4 ～ 20 rpm)。その結果、加熱サイクルの最初の段階では、充填された材料は金型の底に粉末層として残ります。サイクルを変更する最も便利な方法は、熱間圧延された形の PU シートを適用することです。

プロセスの性質上、材料の選択では以下の点を考慮する必要があります。

• 金型内の温度が高いため、プラスチックは熱による特性の永久変化に対して高い耐性（高い熱安定性）を備えている必要があります。
• 溶融プラスチックは金型内の酸素と接触します。これにより、溶融プラスチックが酸化され、材料の特性が劣化する可能性があります。このため、選択したプラスチックには、液体状態での劣化を防ぐために十分な数の抗酸化分子が含まれている必要があります。
• プラスチックを金型に押し込む圧力がないため、選択したプラスチックは金型のキャビティ内を容易に流れることができなければなりません。部品の設計では、選択した特定のプラスチックの流動特性も考慮する必要があります。

• スピンキャスティング - 遠心力を利用してゴム型から鋳物を作る方法

• グレン、ビール (1998)、回転成形、Hanser Gardner Publications、ISBN 978-1-56990-260-8。}
• トッド、ロバート H.; アレン、デル K.; アルティング、レオ (1994)、製造プロセスリファレンスガイド、インダストリアルプレス社、ISBN 0-8311-3049-0。
• Thompson, R (2007)、「設計専門家のための製造プロセス」、Thames & Hudson。
• Revyako, M (2010)、「回転成形における熱および質量移動の特定の問題」、Journal of Engineering Physics & Thermophysics、83 (5): 1089、Bibcode :2010JEPT...83.1089R、doi :10.1007/s10891-010-0434-z、S2CID  119972566。

ウィキメディア・コモンズには、回転成形に関連するメディアがあります。

• Crawford, R, Throne, James L., Rotational Moulding of Plastics 、William Andrew Inc. ( 2002)。ISBN 1-884207-85-5 
• Crawford, R, Kearns, M,回転成形の実用ガイド、 Rapra Technology Ltd. (2003)。ISBN 1-85957-387-8 

• 回転成形技術ガイド
• 回転成形プロセスビデオ
• 回転成形協会
• オーストラレーシア回転成形協会
• 英国プラスチック連盟 - 回転成形の概要