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回転成形（BrE : moulding）とは、加熱した金型に一定量の材料を充填し、ゆっくりと回転させる（通常は互いに直交する2つの軸を中心に回転させる）ことで、軟化した材料を金型の壁に分散させて付着させ、中空の部品を形成する成形法である。部品全体に均一な厚みを持たせるため、加熱中は常に金型を回転させ、冷却中も回転を続けることで、垂れ下がりや変形を防ぐ。このプロセスは1950年代にプラスチックに適用されたが、初期の頃は処理速度が遅く、使用できるプラスチックの種類も限られていたため、あまり普及しなかった。しかし、時間の経過とともに、プロセス制御の改善やプラスチック粉末の開発により、利用が拡大している。
一方、回転鋳造（ロータキャスティングとも呼ばれる）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（熱可塑性樹脂とは異なる）を使用するが、回転成形と同様に低速回転を行う。この種の回転鋳造は、遠心鋳造と混同してはならない。
1855年、イギリスのR. Petersが取得した特許には、ベベルギアと熱を利用して「互いに直角な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した。この回転成形プロセスは、砲弾やその他の空洞容器の製造に使用され、その主な目的は壁の厚さと密度の均一性を確保することでした。1905年の米国特許では、FA Voelkeがパラフィンワックスを使用した製品の製造にポリマーを含む方法を記述しました。この開発により、1910年にGS BakerとGW Perks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 Powellが低速回転時の主軸と副軸の比率が4:1であることを言及したことでさらに発展しました。彼の特許は、 1920年代に石膏から中空物体を成形するこのプロセスを対象としていました。これらの異なる材料を使用した初期の方法は、今日プラスチックで使用されている回転成形の進歩を方向づけました。[ 1 ] [ 2 ]
プラスチックが回転成形プロセスに導入されたのは1950年代初頭のことです。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、外部の電気モーターで駆動し、床に取り付けられたガスバーナーで加熱されました。金型は電鋳ニッケル銅製で、プラスチックは液状ポリ塩化ビニル（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は、他のプラスチック玩具の製造につながりました。このプロセスの需要と人気が高まるにつれて、道路コーン、海洋ブイ、自動車のアームレストなどの他の製品の製造にも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。加熱システムも新しくなり、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へと移行しました。1960年代にはヨーロッパで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、バーナーを消して、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あった。[ 3 ]
1976年、回転成形協会（ARM）が世界的な業界団体としてシカゴで設立されました。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製造など、このプロセスの新しい用途が生まれました。1980年代後半からクイーンズ大学ベルファストで行われた研究は、「Rotologシステム」の開発に基づいて、冷却プロセスのより精密な監視と制御の開発につながりました。[ 3 ] [ 4 ]
回転成形機は幅広い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、各金型内部にプラスチックを均一にコーティングします。[ 5 ]
金型（または工具）は、溶接鋼板から製作されるか、鋳造されます。製作方法は、部品のサイズと複雑さによって決まることが多く、複雑な部品のほとんどは鋳造工具で作られます。金型は通常、ステンレス鋼またはアルミニウムから製造されます。アルミニウムはより柔らかい金属であるため、アルミニウム金型は通常、同等の鋼製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高いため、この厚さはサイクルタイムには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、鋳造金型は工具の製造に関連する追加コストが発生する傾向がありますが、特に複雑でない部品に使用される鋼またはアルミニウム製の金型は安価です。ただし、アルミニウムと鋼の両方を含む金型もあります。これにより、製品の壁の厚さを可変にすることができます。このプロセスは射出成形ほど精密ではありませんが、設計者により多くの選択肢を提供します。鋼にアルミニウムを加えることで熱容量が増加し、溶融流がより長い時間流動状態を維持します。
通常、回転成形システムは、金型、オーブン、冷却室、および金型スピンドルで構成されています。金型は部品を成形するために使用され、一般的にはアルミニウム製です。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ます。オーブンは、部品を加熱すると同時に回転させ、所望の形状に成形するために使用されます。冷却室は、部品が冷却されるまで保管される場所で、スピンドルは回転するように取り付けられており、各金型の内側に均一なプラスチック層を形成します。
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。片腕のクラムシェル型もありますが、両腕のシャトル型ロックアンドロールマシンもあります。各腕は金型を一方向に360度回転または転がし、同時に金型を水平から上下45度傾けたり揺らしたりします。最新の機械は強制熱風を使用して金型を加熱します。これらの機械は、長さ対幅比が大きい大型部品に最適です。加熱室が小さいため、二軸成形機に比べて加熱コストが節約できます。[ 6 ]
これはシングルアーム回転成形機です。アームは通常、両端の別のアームによって支えられています。クラムシェル型成形機は、同じチャンバー内で金型を加熱および冷却します。同等のシャトル式およびスイングアーム式回転成形機よりも省スペースです。製造される製品のサイズに比べてコストが低くなっています。試作に関心のある学校や高品質のモデル向けに、小型のものが利用可能です。1つのアームに複数の金型を取り付けることができます。[ 7 ]
積載および荷降ろしエリアは、加熱エリアと冷却エリアの間の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、小型から中型までさまざまなサイズがあります。垂直回転成形機は、加熱室と冷却室がコンパクトであるため、エネルギー効率に優れています。これらの機械は、水平カルーセル多腕成形機と同じ（または類似の）機能を備えていますが、はるかに少ないスペースしか占有しません。[ 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往復させる2本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軸方向に回転させます。場合によっては、シャトルマシンにはアームが1本しかありません。このマシンは、金型を加熱室と冷却室の間を直線的に往復させます。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。学校や試作用に小型のものも利用可能です。[ 7 ]
スイングアーム式成形機は、最大4本のアームを備え、2軸方向に動作します。各アームは互いに独立しており、すべてのアームを同時に操作する必要はありません。各アームはオーブンの隅に取り付けられ、オーブン内外にスイングします。一部のスイングアーム式成形機では、2本のアームが同じ隅に取り付けられているため、4本アームの成形機には2つのピボットポイントがあります。これらの成形機は、冷却サイクルが長い企業や、成形時間に比べて部品の脱型に多くの時間を要する企業にとって非常に便利です。メンテナンス作業のスケジュールを立てたり、新しい金型を試したりする際に、成形機の他のアームの生産を中断することなく作業を進めることができます。
これは業界で最も一般的な二軸加工機の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、幅広いサイズがあります。この機械には、固定式と独立式の2つの異なるモデルがあります。固定アームカルーセルは、一緒に動く必要がある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、もう1本は冷却室に、そして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時間を使用するとうまく機能します。独立アームカルーセル機は、独立して動くことができる3本または4本のアームを備えています。これにより、異なるサイクル時間や厚さの要件を持つさまざまなサイズの金型に対応できます。[ 8 ]
回転成形プロセスは、高温低圧のプラスチック成形プロセスであり、熱と二軸回転（つまり、2つの軸での角度回転）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、サイクル時間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るのに対し、通常は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型の中空部品の製造は、他のどの方法よりも回転成形の方がはるかに簡単です。回転金型は、他のタイプの金型よりもはるかに安価です。このプロセスでは材料の無駄がほとんどなく、余剰材料は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となっています。
回転成形プロセスは、4つの異なる段階から構成されます。
最近まで、この工程では、部品をオーブンから取り出すタイミングや、金型から取り出すのに十分な温度まで冷えたタイミングを判断するために、試行錯誤と作業者の経験に大きく頼っていた。近年、技術が進歩し、金型内の空気温度を監視できるようになったことで、この工程における推測作業の多くが不要になった。
現在、多くの研究がサイクルタイムの短縮と部品品質の向上に注力している。中でも最も有望な分野は金型加圧である。加熱工程の適切なタイミングで金型内部に少量の圧力を加えることで、溶融中のポリマー粒子の合体が促進され、大気圧下よりも短時間で気泡の少ない部品を製造できることはよく知られている。この圧力は、冷却工程における収縮による部品と金型壁の分離を遅らせ、部品の冷却を促進する。しかし、この技術の主な欠点は、加圧された部品が爆発する危険性があることである。このため、回転成形メーカーによる金型加圧の大規模な導入は阻まれてきた。
優れた離型剤（MRA）を使用することで、材料を迅速かつ効果的に除去できます。離型剤は、サイクルタイムの短縮、不良品の発生抑制、完成品の褐変防止に効果があります。離型剤には様々な種類があり、以下のように分類できます。
使用される材料の80%以上はポリエチレン系材料であり、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）、および再生材が含まれます。その他の化合物としては、ポリ塩化ビニル（PVC）プラスチゾル、ナイロン、ポリプロピレンなどがあります。
産業界で最も一般的に使用されている材料の順序: [ 10 ]
これらの材料も時折使用されます（使用頻度順ではありません）：[ 10 ]
近年、成形工程において天然素材を使用することが可能になった。本物の砂や石片を用いることで、80％が天然の未加工素材である砂岩複合材を製造できるようになった。
チョコレートは回転成形によって中空の菓子に成形される。
設計者は、用途に最適な素材を選択できます。これには、米国食品医薬品局（FDA）の要件を満たす素材も含まれます。耐候性、難燃性、静電気除去のための添加剤を組み込むことも可能です。インサート、グラフィック、ねじ山、ハンドル、わずかなアンダーカット、抜き勾配のない平面、または細かい表面加工などをデザインに取り入れることができます。また、多層構造、中空構造、または発泡体充填構造にすることも可能です。
回転成形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、おもちゃ、ゴミ箱やごみ容器、人形の部品、ロードコーン、サッカーボール、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、ブドウや野菜の貯蔵用の地下貯蔵庫、遊具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 ] 、海賊対策船舶保護具[ 13 ] 、膨張式酸素マスクのシール[ 14 ] 、航空宇宙産業向けの軽量部品[ 15 ]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。
もう1つの考慮事項は抜き勾配です。これは、部品を型から取り出すために必要です。外壁では、1°の抜き勾配でうまくいく場合があります（表面が粗かったり穴が開いていないと仮定した場合）。ボートの船体の内側のような内壁では、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によるものです。
もう1つの考慮事項は、構造サポートリブです。射出成形やその他のプロセスではソリッド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良の解決策です。[ 17 ]完成品を金型に挿入することでソリッドリブを実現できますが、これにはコストがかかります。
回転成形は中空部品の製造に優れています。ただし、この方法を用いる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、加熱と冷却が均一にならないという問題が生じる可能性があります。また、溶融樹脂が金型全体に適切に流れるように、平行壁の間に十分な空間を確保する必要があります。そうしないと、ウェブが発生することがあります。理想的な平行壁の配置としては、少なくとも公称壁厚の3倍の隙間が必要であり、公称壁厚の5倍が最適です。平行壁の鋭角なコーナーについても考慮する必要があります。45°未満の角度では、ブリッジング、ウェブ、およびボイドが発生する可能性があります。[ 18 ]
もう一つの考慮事項は、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。硬化材料の剛性も要因となる可能性があります。脆い材料を使用する場合は、より多くの構造的および強化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、特に壁の厚さに関し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、壁が厚くなるほどコストが高くなり、製造に時間がかかります。壁の厚さはほぼ任意の値にすることができますが、設計者は、壁が厚くなるほど必要な材料と時間が増え、コストが増加することを念頭に置く必要があります。場合によっては、高温での長時間の保持によりプラスチックが劣化する可能性があります。異なる材料は熱伝導率が異なるため、加熱室と冷却室での保持時間が異なります。理想的には、部品はテストされ、用途に必要な最小厚さが使用されます。この最小厚さが公称厚さとして設定されます。[ 20 ]
設計者にとっては、厚さを可変にすることは可能であるが、回転停止と呼ばれるプロセスが必要となる。このプロセスは、金型の片面のみを他の面よりも厚くできるという点で制限がある。金型が回転し、すべての表面が溶融流で十分にコーティングされた後、回転が停止し、溶融流が金型キャビティの底に溜まる。[ 20 ]
壁の厚さはコーナー半径にも重要です。外側半径は小さい半径よりも大きい方が好ましいです。内側半径も小さい半径よりも大きい方が好ましいです。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、一般的に外側コーナーは内側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。適切な設計を行えば、複数の部品から構成される部品を一体成形できるため、製造コストを大幅に削減できます。また、このプロセスには、均一な肉厚や、応力がほとんどかからない丈夫な外側コーナーなど、設計上の強みが備わっている点も特筆すべきです。さらに強度を高めるために、補強リブを部品に組み込むことも可能です。補強リブは、部品に組み込むだけでなく、金型に追加することもできます。
成形前にあらかじめ成形済みの部品を金型に追加できるというだけでも大きな利点です。金属ねじ、内部パイプや構造物、さらには異なる色のプラスチックなども、プラスチックペレットを投入する前に金型に追加できます。ただし、冷却時のわずかな収縮によって部品が損傷しないよう注意が必要です。この収縮により、わずかなアンダーカットが可能になり、（ほとんどの部品において）射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において、ブロー成形の代替手段として有効である。ただし、ブロー成形の効率は大量生産に依存するため、この代替方法は小規模生産においてのみ有効である。
もう一つの利点は、金型そのものにあります。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・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となる複雑な部品の場合に特に当てはまります。回転成形は、少量生産や短納期にも対応できる最適なプロセスです。金型を素早く交換したり、金型をパージすることなく異なる色を使用したりできます。他のプロセスでは、色を変更する際にパージが必要になる場合があります。
均一な厚みを実現できるため、大きく伸びた部分がなく、大型の薄板の製造が可能になります（ただし、反りが発生する場合があります）。また、プラスチックの流れ（伸び）はほとんどなく、部品内部に材料が配置される形になります。これらの薄肉構造は、コストと製造時間の削減にも貢献します。
回転成形におけるもう一つのコスト上の利点は、製造工程における材料の無駄が最小限に抑えられることです。射出成形のようにスプルーやランナーがなく、ブロー成形のように端材や切りくずも発生しません。スクラップや不良品として発生する材料は、通常リサイクル可能です。
回転成形部品は、他のプラスチック成形プロセスとは異なる制約を受けます。低圧成形プロセスであるため、金型内で成形しにくい箇所が生じる場合があります。高品質の粉末を使用することでこうした問題を克服できる場合もありますが、射出成形のように鋭利なねじ山を作ることは通常不可能であることを念頭に置く必要があります。ポリエチレンをベースとした製品の中には、主材料を充填する前に金型内に配置できるものもあります。これにより、本来であれば特定の箇所に発生するはずの穴を防ぐことができます。可動部を備えた金型を使用することで、同様の効果を得ることも可能です。
もう一つの制約は、金型そのものにある。他の成形プロセスでは、製品を取り出す前に冷却するだけでよいのに対し、回転成形では金型全体を冷却する必要がある。水冷プロセスも可能ではあるが、金型の稼働停止時間が長くなり、経済的コストと環境コストの両方が増加する。また、一部のプラスチックは、長時間の加熱サイクルや、溶融のために粉末化する過程で劣化する。
加熱および冷却の各段階では、まず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、熱伝達プロセスは非定常状態で発生するため、これらの段階を検討する際にはその速度論が最も重要になります。加熱段階では、高温ガスから得られた熱は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、比較的薄い壁厚を持ち、熱伝導率の高い金属（アルミニウム、鋼）で製造されます。一般的に、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、金型の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い（4～20 rpm）ため、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PUシートを使用することです。
プロセスの性質上、材料選定においては以下の点を考慮する必要があります。
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