プラスチック加工の基礎知識(3)~押出成形の原理、特徴、用途について解説

さまざまな用途に用いられるプラスチック。ここでは、プラスチック加工の中でも押出成形に注目し、その原理や種類、用途について解説します。

以下の記事でも、プラスチック加工についての解説をしています。合わせて参照下さい。


▽プラスチック加工の基礎知識シリーズ

押出成形とは?基本原理について解説

シリンダ内のスクリューで可塑化した樹脂を押出口(ダイ/ダイス)から押し出して、そのまま空気中や水中で冷却して固化させる方法で、断面形状が変化しない成形物を連続的に成形するのに適しています。
設備は、押出機、ダイ(サイジングダイ)、冷却装置、引取装置、切断装置からなります。
成形法としては樹脂の可塑化と圧力のかけ方によりさまざまなものがありますが、加熱可塑化でスクリューによる押出法が一般的です。加熱は通常、電熱により行います(摩擦熱も考慮して加熱温度を調整)。

スクリューの形式としては、単軸スクリュー押出機(一般用)、多軸スクリュー押出機(硬質塩ビ管用)、特殊押出機(ペレット化用)等があります。スクリューによって樹脂を押し出す点では射出成形と同じですが、射出成形は金型内に射出して賦形する(形を与える)のに対し、押出成形では押出口(ダイ/ダイス)の形状で賦形する点で異なります。

また、押出成形では可塑化した樹脂が固化する過程で圧力をかけることができるので、肉厚製品でも、樹脂が固化する際の体積収縮による表面の収縮の痕や凹みである「ヒケ」の発生を防止することができます(射出成形の場合、肉厚製品では「ヒケ」が発生しやすい)。
以下に、一般的な押出機 (単軸スクリュー押出機) の簡略図を示します。

<図1>押出成形機
<図1>押出成形機

ホッパーから投入した材料(樹脂)は、スクリューの回転により可塑化・混練されて押出口から押し出されて製品となります。この押出口をさまざまな形状・構造とすることにより、フィルムやシート、あるいはチューブやパイプ、丸棒、ラミネート製品等を作ることができます。

押出成形の種類、特徴、用途

押出機を用いた成形方法の種類を<表1>に、また、一例として「シート押出法」、「ラミネーション法」、「インフレーション法」の簡略図を示します。

<表1>押出成形の種類

種類 概要 製品例
シート押出 ダイから押し出された樹脂をロールで冷却させながら成形します。 食品容器、建材等、各種シート類
Tダイによるフィルム押出
  • シート押出において、ダイ部分を樹脂が扇形に広がるハンガー形状にして薄いシート(フィルム)を成形します。
  • 異種材料のラミネーションにも利用しています。
各種フィルム、ラミネート品、等
インフレーション法によるフィルム
  • 溶融樹脂を環状ダイから円筒状に押し出し、この中に空気を吹込み膨らませてフィルムを成形します。
  • 空気を吹き込むことで直径方向に延伸し、巻き取る方向に引き伸ばすことで、2軸に延伸されて強いフィルムが得られます。
ラップフィルム、ポリ袋、等
パイプ、チューブ、異形品 溶融樹脂をダイからパイプ状に押し出し、サイジングダイ(冷却等により外径や内径を規制する工程)で冷却固化して成形します。 各種パイプやチューブ、窓枠用サッシ
丸棒
  • パイプ状の成形では二重円筒状のダイを用いますが、丸棒の場合は中実の円筒状ダイを用います。
  • 丸棒押出では、固化収縮による丸棒中心にボイド(冷却過程では、外側から冷却され、外側から徐々に固化するため、外側に引っ張られるため)が発生もあるので、サイジングダイの設計が重要となります。
各種丸棒材
モノフィラメント クロスヘッドダイ(押出機に対して一定の角度で方向転換させる)から押し出された溶融樹脂を冷却槽で冷却し、これを延伸槽で延伸し、歪み除去ためにアニーリング槽を通して巻き取る。 ロープ、釣り糸、魚網、テニスラケットのガット、等
ワイヤ等の被覆 クロスヘッドダイの中心に通されているワイヤ等に溶融樹脂をコーティングする方法。 電線、金属製の撚り線
押出発泡成形 シリンダ内の溶融樹脂に加圧状態で揮発性発泡剤を注入混合後、ダイから押し出して発泡体とします。 土木建築分野、食品包装容器

 

<図2>シート押出成形
<図2>シート押出成形
<図3>Tダイを用いたラミネーション
<図3>Tダイを用いたラミネーション
<図4>Tダイを用いたラミネーション
<図4>Tダイを用いたラミネーション

押出成形の際に押さえておくべき注意点

ダイから押し出された樹脂は冷却固化によって収縮しますが、均一に収縮しないこともあるので、製品と相似形状のダイとすると、変形等を生じて設計どおりの製品が得られない場合があります。
とくにゴムの押出成形の場合、ダイ形状と押し出されたゴムの形状は一致しません。したがって、ダイの設計時では、実際に押出実験をしながら微調整してダイの形状を決定しています。

変形の原因としては、樹脂がダイに付着する場合があり、ダイ設計が重要となります。

厚肉成形品成形の場合、成形品内部にボイド(空隙)を発生させず、かつ、内部歪みを極力小さくすることが要求されます。樹脂を過度に充填すればボイドの発生を防止できますが、過度に充填すると「内部歪み」が発生することになります。したがって、樹脂の溶融温度や冷却速度、押出圧力や引取速度の最適条件の設定が必要となります。

まとめ

ここではプラスチック加工の中でも押出成形についてご紹介しました。他の記事では、プラスチック材料の基礎知識や、物性測定についても分かりやすくまとめていますので、そちらもあわせてご参考ください。


▽プラスチック加工の基礎知識シリーズ

▽おすすめ関連記事

こちらの記事もおすすめ(PR)