熱成形

熱成形は、プラスチックシートを成形可能な温度まで加熱し、金型内で特定の形状に成形し、トリミングして使用可能な製品を作成する製造プロセスです。シート、またはより薄いゲージや特定の材料タイプを指す場合は「フィルム」は、金型内または金型上に引き伸ばして完成した形状になるまでオーブン内で十分に高い温度まで加熱され、冷却されます。これを簡略化したバージョンは真空成形です。

最も単純な形態では、小型の卓上または実験室サイズの機械を使用して、プラスチック シートの小さな切断部分を加熱し、真空を使用して金型上に引き伸ばすことができます。この方法は、サンプルやプロトタイプ部品によく使用されます。複雑で大量のアプリケーションでは、非常に大型の生産機械を使用して、プラスチック シートを加熱して成形し、連続した高速プロセスでシートから成形部品を切り取ります。機械と金型のサイズ、および成形される部品のサイズに応じて、1 時間あたり何千もの完成部品を生産できます。

熱成形は、射出成形、ブロー成形、回転成形、その他のプラスチック加工方法とは異なります。 ^{[1]薄肉熱成形は主に、}食品、医療、一般小売業界向けの使い捨てカップ、容器、蓋、トレイ、ブリスター、クラムシェルなどの製品の製造に使用されます。厚肉熱成形には、車両のドアやダッシュパネル、冷蔵庫のライナー、多目的車両の荷台、プラスチックパレットなど、さまざまな部品が含まれます。

熱成形会社の多くは、スクラップや廃プラスチックを梱包機で圧縮するか、グラニュレーター（粉砕機）に投入して粉砕フレークを生成し、再処理会社に販売するか、自社施設で再利用するかのいずれかの方法でリサイクルしています。熱成形プロセスで出たスクラップや廃プラスチックは、押し出しシートに戻されて再び成形されることがよくあります。

薄肉製品の大量連続熱成形の最も一般的な方法では、プラスチック シートがロールまたは押し出し機からインデックス チェーンのセットに供給されます。インデックス チェーンにはピンまたはスパイクが組み込まれており、シートに穴を開けてオーブンに送り、成形温度まで加熱します。次に、加熱されたシートは、成形ステーションにインデックスされ、そこでは、かみ合った金型と圧力ボックスがシート上で閉じ、真空を適用して閉じ込められた空気を除去し、加圧空気とともに材料を金型内または金型上に引き込み、プラスチックを金型の詳細な形状に成形します。(通常、プラグ アシストは、高さのある、より深い絞り成形部品の場合、完成部品に必要な材料の分布と厚さを提供するために、真空に加えて使用されます。) 短い成形サイクルの後、成形ツールが開くと、金型の真空側から逆方向の空気圧がバーストされ、一般にエア イジェクトと呼ばれ、真空が解除されて成形部品が金型から取り出されます。より細かい部品や、負の抜き勾配、アンダーカット領域のある部品を取り出すために型が開くときに、ストリッパー プレートを使用することもできます。成形された部品を含むシートは、同じマシンのトリム ステーションにインデックスされ、そこでダイが残りのシート ウェブから部品を切り出すか、または別のトリム プレスにインデックスされ、成形された部品がトリミングされます。成形された部品がトリミングされた後に残ったシート ウェブは、通常、巻き取りリールに巻き取られるか、リサイクルのためにインライン グラニュレーターに送られます。

最新の機械に搭載されたマイクロプロセッサとコンピュータ制御により、1 回の製造工程から同じジョブのセットアップのプロセス制御と再現性が大幅に向上し、ジョブ間でオーブン ヒーターとプロセス タイミングの設定を保存できるようになりました。チェーン インデックス付けに電動サーボ モーターが一般的に使用されるようになったため、古い機械では空気シリンダー、ギア ラック、クラッチが使用されていましたが、現在はチェーン インデックス付けに電動サーボ モーターが一般的に使用されているため、より正確なトリム位置合わせのために成形シートをインライン トリム ステーションに配置する機能が向上しています。また、電動サーボ モーターは、従来の業界標準であった空気シリンダーではなく、成形およびトリム ツールが取り付けられているマシン プラテンの作動に、最新のより洗練された成形機でも使用されているため、ツールの開閉速度とタイミングをより正確に制御できます。石英および輻射パネル オーブン ヒーターは、一般に、古いカル ロッド タイプのヒーターよりも正確で徹底したシート加熱を提供し、オーブンを加熱を調整可能な領域にゾーン分けできます。

熱成形機にリアルタイムのフィードバックを提供するための新しい技術ToolVu ^[2]が開発されました。このスタンドアロンシステムは熱成形機に直接接続し、複数のセンサーを使用して、空気圧、温度、ツールひずみゲージ、その他の仕様を含む生産実行データをリアルタイムで記録します。実行中に事前に設定された生産パラメータが損なわれると、システムは複数の警告とアラートを送信します。これにより、マシンのダウンタイムが短縮され、起動時間が短縮され、起動時のスクラップが減少します。

熱成形プロセスの不可欠な部分は、製造される各部品に固有のツールです。 前述の薄ゲージ熱成形は、ほとんどの場合インラインマシンで実行され、通常、金型、プラグアシスト、圧力ボックス、すべての取り付けプレート、およびジョブに関連するトリムツールとスタッカーパーツが必要です。 厚ゲージまたはヘビーゲージの熱成形でも、各パーツに固有のツールが必要ですが、パーツのサイズが非常に大きい場合があるため、金型は鋳造アルミニウムまたはその他の複合材料、または薄ゲージの場合のような機械加工されたアルミニウムになることがあります。 通常、厚ゲージ部品は、CNC ルーターでトリミングするか、のこぎりまたはハンドルーターを使用して手動でトリミングする必要があります。 最も洗練された熱成形機でさえ、ツールの品質に制限があります。 大規模な熱成形メーカーの中には、社内に設計およびツール製造施設を持つことを選択するところもあれば、ツールの製造を外部のツール製造ショップに依頼するところもあります。

熱成形プロセスには、一般的に 2 つのカテゴリがあります。^[3]厚さ 1.5 mm (0.060 インチ) 未満のシートは、通常、ロールまたはシート押し出し機から熱成形機に送られます。薄肉ロール供給またはインライン押し出し熱成形アプリケーションでは、硬質または半硬質の使い捨てパッケージが主流です。厚さ 3 mm (0.120 インチ) を超えるシートは、通常、最終寸法にカットされた状態で、手作業または自動供給方式で成形機に送られます。厚肉または厚肉のカットシート熱成形アプリケーションは、主に恒久的な構造部品として使用されます。厚さ 1.5 mm ～ 3 mm のシートを成形する中肉市場は小規模ですが成長しています。

厚肉成形は、連続薄肉シート成形と同じ基本プロセスを利用し、通常は加熱したプラスチックシートを金型の上にドレープします。多くの厚肉成形アプリケーションでは、成形プロセスで真空のみを使用しますが、一部のアプリケーションでは、2 つの半体のかみ合い成形ツールを使用し、成形を支援するために空気圧を含めます。航空機の風防ガラスと機関銃の砲塔の窓は、第二次世界大戦中に厚肉成形技術の進歩に拍車をかけました。厚肉部品は、キオスク、自動車、トラック、医療機器、マテリアル ハンドリング機器、冷蔵庫、スパ、シャワー室、電気および電子機器などの恒久的な構造物の表面装飾として使用されます。ほとんどの薄肉熱成形部品とは異なり、厚肉部品は、製品に応じて、成形後に最終形状にトリミングしたり、追加の穴あけ、切断、仕上げを行うために手作業で加工されることがよくあります。厚手の製品は通常「永久的な」最終用途ですが、薄手の部品は使い捨てまたはリサイクルできるように設計されていることが多く、主に食品や製品を包装または収納するために使用されます。厚手の熱成形は、通常、年間 250 ～ 3000 個の生産量に使用され、射出成形などの競合するプラスチック技術よりもツール コストが低く、製品開発が迅速です。

Olimunllum CF/PEEK は、あらかじめ含浸させた繊維の薄層を厚手の熱成形で完全に固めたシートにすることで得られます。カスタムメイドの複合プレートとの主な違いは、強化繊維の配向、ポリマーの重量含有量、シートの厚さが標準化されていることです。これにより、アルミニウム、チタン、スチールなどの金属軽量材料を扱うときに一般的に使用されるのと同じまたは類似のツールを使用して、設計と後処理を簡単に行うことができます。

• 石膏型
• 木製の型
• プラスチック金型
• アルミ型

100億ドルを超える北米の市場は、伝統的に3 ⁄ 4の薄ゲージと1 ⁄ 4の厚ゲージでした。2003年には、北米には約150の薄ゲージ熱成形業者がありました。60パーセントが独自製品を成形していました。30パーセントはカスタム成形業者で、10パーセントは社内成形能力を持つOEMでした。年間売上高が少なくとも1億ドルの薄ゲージ成形業者は12社近くありました。最大手の企業は年間売上高が10億ドルを超えていました。北米には約250の厚ゲージ成形業者がありました。ほぼすべてがカスタム成形業者でした。年間売上高が1億ドルを超える厚ゲージ成形業者は2、3社だけでした。最大手の企業は年間売上高が約1億4千万ドルでした。ミシガン州ビーバートンは、ミシガン州ミッドランドのダウ・ケミカル社に近いことから、世界のプラスチック熱成形の中心地として知られています。

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