JP2000508982A - 熱可塑性材料の熱成形性ウインドウの決定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 熱可塑性材料の長方形シートの熱成形性ウインドウは、加熱の間にそのたるみ数を計算することによって決定される。このたるみ数は、シート長さ、幅及びたるみの中心での頂点深さの関数である。たるみ数が、10〜40、好ましくは15〜35、更に好ましくは19〜28で、シートは最終製品に成形できる状態にある。

Description

【発明の詳細な説明】 熱可塑性材料の熱成形性ウインドウの決定方法技術分野 本発明は、熱可塑性材料の熱成形、更に詳しくは、任意の熱可塑性材料のため の熱成形性ウインドウ（thermoforming window）の簡単な決定方法に関する。発明の背景 熱成形は、熱可塑性材料のシートを、看板、陳列品、ブリスター包装、食品及 び消費者包装及び医学装置包装のような有用な物質に転換する一般的な方法であ る。大規模で行うか又は小規模で行うかに拘わらず、熱成形には、シートが熱成 形のための適当な温度に到達した時を決定するための試行錯誤が含まれる。 典型的なカットシート(cut-sheet)操作に於いて、それから製造される物品よ りも大きく作られた熱可塑性シートを、その側面でクランプ固定する。典型的に は、シートが長方形である場合には、４つの全ての側面でクランプ固定する。連 続シート操作に於いて、熱可塑性シートはその２つの長い方の側面でクランプ固 定する。次いで、クランプ固定されたシートは、シートが柔軟になり、成形でき る状態の温度に、しばらくの間加熱する。成形の間、シートは金型表面に合致し 、真空がかけられて、この工程が完結する。特に、それらが多数の輪郭を有する か又は深い場合には、物品を成形するために、プラグアシスト又は圧力のような 追加の補助が必要である。 カットシート操作に於いて、シートの柔軟性を試験するために、このシートは 加熱の間に突かれる。シートが十分に柔軟であると見 える場合に、熱成形のための温度下限に達したと思れる。明らかに、このポーキ ング（poking）技術は、練習及び経験を必要とし、かなりの量の誤差を生ずるの で、本来的に有効ではない。 他の問題点は、シートが熱成形のための温度上限に到達した時を決定する際に ある。この温度上限を越えると、熱成形を一層困難にする過剰のたるみが起こる 。過剰のたるみはまた、ウェビングが部分の成形の間に起こるような広すぎる表 面積を作る。ウェビングは、過剰の熱可塑性材料のオーバーラッピングである。 軟化したポリマーは、また、底部ヒーターの上に落ちるか又は当たり、火災を起 こすおそれがある。曇り、泡、ウェビング及び特別の薄肉化の発生を観るのに、 成形された部分の目視検査が典型的に使用される。これはまた、しばしば実際に 起きた後であり、誤差が増加し、主観的な決定である。 残念ながら、看板店のようなカットシート操作について、温度下限及び温度上 限についての上記の決定は、熱可塑性材料が成形できる状態になったかを決定す るのに利用できる唯一の手段である。連続シート操作について、熱成形性ウイン ドウを決定するために試行錯誤が必要であり、環境的及び季節的変化のために調 節しなくてはならない。誤差が生じると、材料及び時間が無駄になることは明白 である。 従って、熱可塑性材料のシートが熱成形できる状態になったかを決定するため の、簡単、正確で且つ失敗のない方法について、当該技術分野に於けるニーズが 存在する。従って、本発明が主として指向するものは、このようなことに対する 対策である。発明の開示 熱可塑性材料の長方形シートの熱成形性ウインドウは、下記の方 法によって決定される。このシートはその長さ及び幅について測定する。このシ ートはその４つの側面でそれぞれクランプ固定し、次いで加熱する。熱への曝露 からのシートのたるみを観察しながら、たるみの中心でのその頂点深さを測定す る。たるみ数（Sag Number）は、式： Ｓ＝100×ｈ／ｄ 〔式中、Ｓはたるみ数であり、ｈはたるみの中心での頂点深さであり、ｄは式： ｄ＝（ｌ＋ｗ）／２ （式中、ｌはシートの長さであり、ｗはシートの幅である） によって決定される特性長さである〕 によって定期的に決定される。Ｓが10と40との間で、シートは最終製品に成形さ れる。シートが、その４つの側面ではなく、その対向する２つの側面でクランプ 固定される方法について、たるみ数は、式： Ｓ＝100×ｈ／ｗ によって決定される。図面の簡単な説明 図１は、本発明で使用するたるみ数を決定するのに必要な寸法を示す熱可塑性 材料のシートの透視図である。 図２は、たるみ数と温度との間の関係を示すグラフである。 図３は、成形性と温度との間の関係を示すグラフである。 図４は、スペクター(Spectar)（商標）の成形された物品の厚さと温度との間 の関係を示すグラフである。 図５は、プレキシグラス(Plexiglas)（商標）の成形された物品の厚さと温度 との間の関係を示すグラフである。 図６は、たるみとヤング率との間の式（７）及び（８）の関係を示すグラフで ある。 図７は、例２〜４からのデータの結果として、温度とヤング率との間の関係を 示すグラフである。 図８は、アレニウスの式に適用したときの、例２〜４の非線形回帰データを使 用した、温度とヤング率との間の関係を示すグラフである。発明の説明 本発明は、熱可塑性材料のシートを有用な物品に熱成形する簡単な制御概念を 開示する。熱成形性ウインドウは、たるみ数、Ｓとして定義される無次元比を使 用することによって簡単に決定される。熱成形性ウインドウの上限は、たるみ数 が約40に等しいとき生じる。これの下限は、たるみ数が約10に等しいとき生じる 。好ましくは、熱成形性ウインドウは、たるみ数が15〜35、更に好ましくは19〜 28であるとき生じる。たるみ数が10〜約18の下端で、シートを物品に成形するの に、真空化の間のプラグアシスト及び／又は追加の圧力が必要である。上端のた るみ数を有するシートは典型的には、シートが極めて柔軟であり、取り扱いに際 して特別の注意を必要とするので、複雑なシート及びエンボス化のような特別の 応用にのみ使用される。簡単な真空操作で熱成形する最適条件は、たるみ数が約 21に等しいとき存在する。 ４つの側面でクランプ固定された長方形シートのたるみ数は、シートの特性長 さが既知である場合に、定義することができる。４つの側面でクランプ固定され た長方形シートについての特性長さ、ｄは、式： ｄ＝（ｌ＋ｗ）／２ （１） （式中、ｌはシートの長さであり、ｗはシートの幅である） のように定義される。無次元たるみ数、Ｓは、式： Ｓ＝100×ｈ／ｄ （２） （式中、ｈはたるみの中心での頂点深さである） のように定義される。たるみは、熱可塑性シートを、枠内にクランプ固定し、オ ーブン内で加熱したとき、その重量から垂れるとき起こる。たるみ及びｈは、本 明細書に於いて互換的に使用される。 シートを２つの側面でのみクランプ固定する応用のために、Ｓは、クランプの 間の距離に亘る頂点たるみ深さの比として定義される。即ち、 Ｓ＝ｈ／ｗ （３） この式は、４つの側面ではなく２つの端部(end)でクランプで固定したシート について、より多くのたるみが生じるので、異なっている。この決定は、連続シ ート操作のために使用される。 図１は、変数、ｌ，ｗ及びｈを示す。図１から容易に分かるように、変数ｌ及 びｗは、シートを加熱し、クランプ固定する前に容易に測定される。変数ｈは、 加熱の間に物差しで手動で測定される。10〜40の範囲内であるとき、このシート は、物品を製造するための成形装置の方に移送される。これは低生産速度設備に 十分である。 より大きい操作について、シートたるみの閉ループフィードバック制御を与え るのに、マイクロプロセッサが有用である。このマイクロプロセッサは、ｈを測 定するのに設置されている電子アイに接続されている。マイクロプロセッサに入 力される唯一の変数は、シートの長さ及び幅である。マイクロプロセッサは、本 発明に於いて開発された理論に基づいてたるみ数を計算し、表示する。表示され るたるみ数が10〜40であるか又は前もって設定した値に達したときに、加熱を完 結し、シートは成形できる状態になっている。マイク ロプロセッサ及び電子アイを使用することによって、手動計算の際に起こる、ヒ ーターのオン−オフサイクル並びにファン、空気コンディショニング、季節的変 化及び天候のような環境的条件の変動によって起こる加熱変化が実質的に除かれ る。 エンジニアリングプラスチック及びエラストマーを含む熱可塑性樹脂は、本発 明を使用して容易に熱成形される。若干の例には、ポリエステル、アクリル樹脂 、ポリカーボネート、ポリ（塩化ビニル）、ポリスチレン、アクリロニトリル− ブタジエン−スチレンコポリマー、ポリオレフィン、セルロース樹脂、ナイロン 、ポリウレタン、ポリスルホン、ポリアリーレート、アクリロニトリル樹脂、ア セタール樹脂、フルオロポリマー、ポリエーテルエーテルケトン等が含まれる。 厚手シート(HGS)又は薄手シート(TGS)及び雄金型又は雌金型を、本発明と共に使 用することができる。実施例 例１：たるみ数の測定 下記の３種の熱可塑性材料サンプルについて、真空成形方法を使用して、たる み数を決定した。 １）スペクター(Spectar)：テネシー州 Kingsport、イーストマン・ケミカル 社（Eastman Chemical Company）から入手可能の、１，４−シクロヘキサンジメ タノール変性ポリエチレンテレフタレート（PETG）。 ２）プレキシグラス(Plexiglas)：ペンシルベニア州フィラデルフィアのアト ハース社(AtoHaas)から入手可能なポリメチルメタクリレート（PMMA）。 ３）レキサン(Lexan)（商標）；インディアナ州Mt.Vernonのゼネラル・エレク トリック社（General Electric）から入手可能のポ リカーボネート（PC）。 各材料の熱可塑性シートを、それぞれ厚さ0.300cm（0.118インチ）の、長さ81 .28cm(32インチ)及び幅55.88cm(22インチ)を有する試験片に切断した。各シート を、４つの側面の全てにおいてクランプ固定し、218℃(425°Ｆ)のオーブン内に 入れた。シートの温度は、赤外高温計によって測定した。種々のシート温度で、 対応するｈを測定し、前記式（２）を使用して対応するたるみ数を計算した。真 空成形技術を使用して許容される物品を成形したシートについての結果のみを、 下記の表Ａに記載する。 表 Ａ スペクター プレキシグラス レキサン T,℃ h,cm T,℃ h,cm T,℃ h,cm ( °Ｆ) (in.) Ｓ ( °Ｆ) (in.) Ｓ ( °Ｆ) (in.) Ｓ 149 12.70 171 12.70 182 12.07 (300) (5.00) 19 (340) (5.00) 19 (360) (4.75) 18 154 14.61 177 13.97 188 13.97 (310) (5.75) 21 (350) (5.50) 20 (370) (5.50) 20 160 15.88 182 15.88 193 15.24 (320) (6.25) 24 (360) (6.25) 24 (380) (6.00) 22 166 19.05 186 19.05 (330) (7.50) 28 (366) (7.50) 28 この結果を、たるみ数対温度のグラフによって、図２に示す。例２〜４：確認 シートが熱成形できる状態になっているかを決定するのに、たるみ数の使用の 精度を確認するために、真空成形方法のための熱成形性ウインドウを、下限を確 立するための成形性についての例２〜４に設ける発見、上限を確立するための目 視観察及び最適温度を確立するための厚さ対温度プロフィールに基づいて各材料 について決定した。得られた熱成形性ウインドウを、下記の表Ｂに記載する。各 ウインドウは、McConnell，William K.,「熱成形技術（Thermoforming Technolo gy）」と題する論文、SPEの工業的熱成形シンポジウム及び研修会(SPE's Indust rial Thermoforming Symposium & Workshop)（1994年）、３−２頁から入手した 、括弧内の文献データに比較してより狭かった。このより狭い範囲は、一体成形 性(unity formability)によって確認される遥かに高い下限のためであった。 表 Ｂ 成形範囲℃ 最適温度℃ 〔°Ｆ〕 〔°Ｆ〕 スペクター PETG 300〜330(250〜330) 310(300) 〔149〜166(121〜166)〕 〔154(149)〕 プレキシグラス PMMA 340〜365(290〜360) 353(350) 〔171〜185(143〜182)〕 〔178(177)〕 レキサン PC 365〜400(335〜400) 375(375) 〔185〜204(168〜204)〕 〔191(191)〕 例２〜４で決定された熱成形性ウインドウ温度は、図２に示されるように例１ で決定されたたるみ数と関連している。温度下限及び最適温度は、それぞれスペ クター及びプレキシグラスについてたるみ数が約19及び21で生じる。内挿法によ って決定された、それぞれ185℃及び191℃(365°Ｆ及び375°Ｆ)の温度下限及び 最適温度を有するレキサンについての場合も同様である。スペクター及びプレキ シグラスについての温度上限は、たるみ数が約28で生じる。文献に基づいて、レ キサンの温度上限は、28のたるみ数で得られる。例２：温度下限／成形性 成形性、Ｆを、熱成形性ウインドウの下限を確立するために使用した。成形性 は、熱成形した物品の実際の体積の、その最大理論体積に対する比、即ち、 Ｆ＝Ｖ／Ｖ₀ （４） （式中、Ｖは熱成形した部分の実際の体積であり、Ｖ₀は金型キャ ビティの寸法に基づく理論的体積である） として定義される。 成形性は、常に１に等しいか又は１より小さい。１より小さいＦでは、シート は冷たすぎて熱成形できない。Ｆが最初に１に等しいとき、シートを熱成形する ためのその温度下限に到達させた。Ｆはその後、一貫性を維持している。 それぞれが、それらの成形性の対応する値との解像度（resolution）を失い始 めた、スペクター、プレキシグラス及びレキサンの温度を、図３に示す。１に等 しい成形性で、スペクター及びプレキシグラスは、それぞれ149℃及び171℃(300 °Ｆ及び340°Ｆ)の温度下限を有すると確認された。レキサンについての温度下 限は、１88℃(370°Ｆ)での解像度が非常に良好で、182℃(360°Ｆ)での成形性 は良好でなかったので、188℃(370°Ｆ)よりも幾らか低いと決定された。例３：温度上限／目視検査 成形性によって成形温度下限を決定することはできるが、シート温度が温度下 限よりも高いと、成形性は常に１に等しいので、成形性によって上限を決定する ことはできない。温度上限は、ウェビング、曇り、泡、薄肉化及び分解のような 欠陥について、成形された部分を目視で検査することによって決定された。表Ｃ は、これらの目視観察を示す。 表 Ｃ スペクター プレキシグラス レキサン 目視検査 166℃(330°Ｆ) 泡及び186℃ 193℃(380°Ｆ) でウェビング (366°Ｆ)で でウェビング ウェビング スペクターの上限は約166℃(330°Ｆ)であり、この点でウェビングが発達し始 めた。ウェビングに加えて、プレキシグラス（商標 ）はまた、PMMAの解重合又は水分効果によって生じる望ましくない泡を有してい た。従って、プレキシグラスの上限は、185℃(365°Ｆ)で選択された。レキサン について、熱成形する前にシートを乾燥しなかったので、泡が予想された。レキ サンについての真の上限は、厳しい泡形成のために決定することができなかった 。それにもかかわらず、レキサンについて193℃(380°Ｆ)で泡は観察されず、こ れは、シートを乾燥した場合には、その上限が193℃(380°Ｆ)を越えるであろう ことを示した。予備乾燥したレキサンシートを使用して、続いて実験を行った。 温度上限は、204℃(400°Ｆ)であることが決定された。例４：最適温度／厚さ対温度 異なったシート温度の６個のキャビティの底中心での成形した物品の厚さを、 スペクター及びプレキシグラスについて測定した。厚さ対シート温度プロフィー ルを、それぞれ図４及び５に示す。スペクターについて、各キャビティの厚さプ ロフィールは、154℃(310°Ｆ)にピークを有する、149℃〜166℃(300°Ｆ〜330 °Ｆ)のこぶを示した。154℃(310°Ｆ)のシート温度は、それが最も厚い物品を 作ったので、最善又は最適の温度であると決定された。149℃(300°Ｆ)より低い 厚さプロフィールは、冷シートのために部分的に成形された部分から得られた。 プレキシグラスについて、厚さプロフィールは、182℃(360°Ｆ)にピークを有す る、171℃〜185℃(340°Ｆ〜365°Ｆ)のこぶを有していた。例５：Ｓのヤング率に対する比較 例１〜４で使用した熱可塑性材料のガラス転移温度を越えた温度でのヤング率 は入手できなかった。しかしながら、意外にも、ヤング率は、たるみ、ｈの二次 関数を使用して予想でき、ヤング率とたるみとの間の相互関係は全般的に適用可 能であることが見出された 。 文献、Roark，Raymond J.、応力及び歪についてのRoarkの式(Roark's Formula s for Stress and Strain)，McGraw-Hill（1989年）には、固定した４つの側面 を有する水平板の撓みでのデータが与えられている。この板は平らで、均一で、 厚さの約２倍より大きくない最大撓みを有し、その弾性限界を越えて決して応力 はかけられていない。下記の表Ｄに、１に等しい長さ／幅比を有する、即ち正方 形の板及び1.5より大きい長さ／幅比を有する、即ち長方形の板についてのデー タを示す。値ｘ及びｙは、 ｙ＝qw⁴／Et⁴＝ρgw⁴／Et³ （５） ｘ＝ｈ／ｔ （６） （式中、ｈはたるみ又は撓み（ｍ）であり、ｑは重量に起因する荷重（Ｎ／ｍ² ）であり、ρは密度（kg／ｍ³）であり、ｗはシートの幅（ｍ）であり、Ｅはヤ ング率（Ｎ／ｍ²）であり、ｔは厚さ（ｍ）である） のように定義される二つの無次元群である。表 Ｄ y 0 12.5 25 50 75 100 125 150 175 200 250 x l／w＝1 0 0.165 0.25 0.59 0.8 0.95 1.08 1.19 1.28 1.38 1.54 x l／w＞1.5 0 0.28 0.51 0.825 1.07 1.24 1.4 1.5 1.63 1.72 1.86 表Ｄに示されるデータについての二次回帰を使用して、ｌ／ｗ＞1.5を有する 長方形シートについてのｙとxとの間の関係は、下記の通りであると決定された 。 ｙ＝7.268−17.565ｘ＋76.175ｘ² （７） 同様に、正方形シート（表Ｄに於いて、ｌ／ｗ＝１）についての二次式は、下 記の通りであると決定された。 ｙ＝7.179−12.033ｘ＋92.823ｘ² （８） 図６は、ｘのより大きな値について非直線関係が保持されると仮定して、式（ ７）及び（８）の二次関数をグラフで示す。たるみが、前記のように目視により 又は電子的手段により経験的に決定できる場合には、当然、高温度でのポリマー のヤング率、Ｅは式（７）及び（８）から決定できることになる。これを例１の 材料のそれぞれについてそのように行い、図７にグラフで示す。 ヤング率はまた、アレニウスの式： Ｅ＝Ｅ_o exp(Ｅ_a／RT) （９） 又は 1nE＝Ａ＋Ｅ_a／RT （10） （式中、Ａは頻度因子、Ｅ_oであり、 Ｅ_aは活性化エネルギー、Ｊ／モルであり、 Ｒは気体定数、8.31Ｊ／モル°Ｋであり、 Ｔは絶対温度、°Ｋである。 に従う。 図７からのデータの非直線回帰は、表Ｅに表示されるようなアレニウスの式に ついてのヤング率についての係数になる。 表 Ｅ Ａ Ｅ_a／Ｒ，°Ｋ スペクター −8.188 8813.284 プレキシグラス −12.387 11163.925 レキサン −6.798 8910.243 図８は、表８のデータから構成した。 スペクターの熱成形性ウインドウ、149〜166℃(300〜330°Ｆ)を使用すること によって、図８で構成された対応するヤング率範囲は、0.15〜0.32MPaであると 確立された。驚くべきことに、他の ２種の材料の熱成形性ウインドウは、スペクターのモジュラス範囲に対する反応 する温度を見出すことによって確立された。表Ｆは、表Ｂに比較したときの図８ の結果を示す。 表 Ｆ 成形範囲 表Ｂから 図８から スペクター 149〜166℃ 149〜166℃ （300〜330°Ｆ） （300〜330°Ｆ） プレキシグラス 171〜185℃ 172〜186℃ （340〜365°Ｆ） （342〜367°Ｆ） レキサン 185〜204℃ 184〜203℃ （365〜400°Ｆ） （364〜398°Ｆ） この比較は明らかに、熱成形性ウインドウが、異なった材料について高温度で のヤング率に直接依存していることを示した。異なった材料についての異なった 温度ウインドウが、同じヤング率範囲を包含するために必要である。 本発明を、その好ましい方法を特に参照して詳細に説明したが、変形及び修正 が本発明の精神及び範囲内で実施できることはいうまでもない。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．ａ）熱可塑性材料の長方形シートの長さ及び幅を測定する工程、 ｂ）シートをその４つの側面でそれぞれクランプ固定する工程、 ｃ）シートを加熱する工程、 ｄ）熱への曝露からのシートのたるみを観察しながら、たるみの中心での頂点 深さを測定する工程、 ｅ）式： Ｓ＝100×ｈ／ｄ 〔式中、Ｓはたるみ数であり、ｈはたるみの中心での頂点深さであり、ｄは式： ｄ＝（ｌ＋ｗ）／２ （式中、ｌはシートの長さであり、ｗはシートの幅である） によって決定される特性長さである〕 によりたるみ数を定期的に決定する工程並びに ｆ）Ｓが10と40との間で、シートを最終製品に成形する工程 を含んでなる長さ、幅及び厚さを有する熱可塑性材料の長方形シートの熱成形性 ウインドウの決定方法。 ２．Ｓが10と18との間で、真空下に、シートを追加の圧力、プラグアシスト又 はこれらの組合せで成形する、請求の範囲第１項に記載の方法。 ３．Ｓが15と35との間でシートを成形する請求の範囲第１項に記載の方法。 ４．Ｓが19と28との間でシートを真空下に成形する請求の範囲第２項に記載の 方法。 ５．Ｓが約21であるときにシートを成形する請求の範囲第４項に 記載の方法。 ６．熱可塑性材料が、ポリエステル、アクリル樹脂、ポリカーボネート、ポリ （塩化ビニル）、ポリスチレン、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレンコポ リマー、ポリオレフィン、セルロース樹脂、ナイロン、ポリウレタン、ポリスル ホン、ポリアリーレート、アクリロニトリル樹脂、アセタール樹脂、フルオロポ リマー及びポリエーテルエーテルケトンからなる群から選択される請求の範囲第 １項に記載の方法。 ７．工程ｂ）に於いて、シートをその相対する２つの側面でクランプ固定し、 工程ｅ）に於いて、Ｓ＝100×ｈ／ｗである請求の範囲第１項に記載の方法。 ８．ａ）熱可塑性材料の長方形シートの長さ及び幅を測定する工程、 ｂ）シートをその２つの相対する長さに沿ってそれぞれクランプ固定する工程 、 ｃ）シートを加熱する工程、 ｄ）熱への曝露からのシートのたるみを観察しながら、たるみの中心での頂点 深さを測定する工程、 ｅ）式： Ｓ＝100×ｈ／ｗ （式中、Ｓはたるみ数であり、ｈはたるみの中心での頂点深さであり、ｗはシー トの幅である） によりたるみ数を定期的に決定する工程並びに ｆ）Ｓが10と40との間で、シートを最終製品に成形する工程を含んでなる長さ 、幅及び厚さを有する熱可塑性材料の長方形シートの熱成形性ウインドウの決定 方法。 ９．熱可塑性材料が、ポリエステル、アクリル樹脂、ポリカーボ ネート、ポリ（塩化ビニル）、ポリスチレン、アクリロニトリル−ブタジエン− スチレンコポリマー、ポリオレフィン、セルロース樹脂、ナイロン、ポリウレタ ン、ポリスルホン、ポリアリーレート、アクリロニトリル樹脂、アセタール樹脂 、フルオロポリマー及びポリエーテルエーテルケトンからなる群から選択される 請求の範囲第８項に記載の方法。