JP2006103316A - 成形加工性評価システム及びその方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 人の経験の違いによるバラツキを無くすことができると共に、小型の押出試験機からも生産機へ直接スケールアップ予測を行うことができる成形加工性評価システム及びその方法を提供する。
【解決手段】 樹脂材料の混練性、押出加工特性を試験する押出試験機１と、該押出試験機１で測定した測定データを使用してスケールアップした押出機における前記樹脂材料の流動解析を行う樹脂流動解析装置２とから構成してある。
【選択図】 図１

Description

本発明は、押出機のスケールアップ予測を行う成形加工性評価システム及びその方法に関する。

今日に於いて、樹脂製品は、１種の素材の材料物性の向上のみならず、２種又はそれ以上の材料をブレンドして双方の中間的な物性を持たせるポリマーブレンドが行われており、更にゴムとプラスチックのブレンドや重合により結合して、常温ではゴム弾性を持ち、高温ではプラスチックの可塑性の性質を持たせる熱可塑性エラストマーの開発が盛んに行われている。これら新材料の開発に当たっては、材料性能と併せて混練加工性や押出加工性がどうであるかも重要な開発要素となっている。
これらの加工性評価は、小サイズの押出試験機を用いて行われ、目標とする材料性能、混練加工性や押出加工性を達成した場合に、大サイズの生産機でその品質を実現することができるように設計仕様や運転条件等の予測をする。この予測をするための機械、材料の挙動及び品質の解析をスケールアップ技術と呼び、種々のスケールアップ法則が知られている（例えば、特許文献１、非特許文献１参照）。

特開平１１−２４５２８０号公報 田上秀一他著，「ポリマー混練・分散技術および具体的な不良要因とその対策」，株式会社技術情報協会，２００３年１２月，Ｐ１９７−２０９

しかし、従来のスケールアップ技術では、どのスケールアップ法則を用いて予測を行うかは個々の経験によっていたために、予測を行う人によって生産機の設計仕様や運転条件等の予測結果にバラツキを生じていた。
また、近年は、少量の樹脂材料で樹脂材料の混練性、押出加工特性を試験することができるように押出試験機のスクリュー径が小さくなっているために、スケールアップ法則を用いて生産機の設計仕様や運転条件等の予測を直接行うことが困難になっている。特に、スクリュー直径が２５ｍｍより小さい押出試験機では、中間サイズの試験機による再予測が必要になり、煩雑でコスト高になるという課題があった。

そこで、本発明は、人の経験の違いによるバラツキを無くすことができると共に、小型の押出試験機からも生産機へ直接スケールアップ予測を行うことができる成形加工性評価システム及びその方法を提供するものである。

本発明は、上記課題を解決するために、樹脂材料の混練性、押出加工特性を試験する押出試験機と、該押出試験機で測定した測定データを使用してスケールアップした押出機における前記樹脂材料の流動解析を行う樹脂流動解析装置とからなる成形加工性評価システムを提供するものである。

また、本発明は、前記樹脂流動解析装置が、前記測定データから樹脂材料の熱流動・混合特性を算出する第一流動解析手段と、スケールアップした押出機における樹脂材料の混練性、押出加工特性を推測する第二流動解析手段を有する請求項１に記載の成形加工性評価システムを提供するものである。

また、本発明は、前記第一流動解析手段が前記測定データから最適な解析パラメータを算出する手段を備えた請求項２に記載の成形加工性評価システムを提供するものである。

また、本発明は、前記第二流動解析手段がスケールアップした押出機の最適な設計仕様及び運転条件を算出する手段を備えた請求項２又は３に記載の成形加工性評価システムを提供するものである。

また、本発明は、前記押出試験機のスクリュー直径が２５ｍｍ以下である請求項１乃至４のいずれかに記載の成形加工性評価システムを提供するものである。

また、本発明は、前記押出試験機がスクリューの回転トルク及び樹脂材料の温度・圧力・吐出量及び比エネルギーを測定するようにした請求項１乃至５のいずれかに記載の成形加工性評価システムを提供するものである。

また、本発明は、前記樹脂流動解析装置が押出機内の樹脂熱流動状況を３次元数値解析する３次元数値解析手段を備えた請求項１乃至６のいずれかに記載の成形加工性評価システムを提供するものである。

また、本発明は、樹脂材料の混練性、押出加工特性を試験する樹脂流動試験工程と、該樹脂流動試験工程で測定した測定データを使用してスケールアップした押出機における前記樹脂材料の流動解析を行う樹脂流動解析工程とからなる成形加工性評価方法を提供するものである。

また、本発明は、前記樹脂流動解析工程が、前記測定データから樹脂材料の熱流動・混合特性を算出する第一流動解析工程と、スケールアップした押出機における樹脂材料の混練性、押出加工特性を推測する第二流動解析工程とからなる請求項８に記載の成形加工性評価方法を提供するものである。

また、本発明は、前記第一流動解析工程が前記測定データから最適な解析パラメータを算出する手段を備えた請求項９に記載の成形加工性評価方法を提供するものである。

また、本発明は、前記第二流動解析工程がスケールアップした押出機の最適な設計仕様及び運転条件を算出する手段を備えた請求項９又は１０に記載の成形加工性評価方法を提供するものである。

本発明に係る成形加工性評価システムによれば、樹脂材料の混練性、押出加工特性を試験する押出試験機と、該押出試験機で測定した測定データを使用してスケールアップした押出機における前記樹脂材料の流動解析を行う樹脂流動解析装置とからなる構成を有することにより、押出試験機による試験で得られた樹脂材料の性能、混練加工性や押出加工性をスケールアップした押出機（生産機）で達成することができるように、樹脂流動解析装置が生産機における樹脂材料の流動解析を行って生産機の設計仕様や運転条件等を予測するから、人の経験の違いによるバラツキを無くすことができると共に、小型の押出試験機からも生産機へ直接スケールアップ予測を行うことができる効果がある。

また、本発明は、前記樹脂流動解析装置が、前記測定データから樹脂材料の熱流動・混合特性を算出する第一流動解析手段と、スケールアップした押出機における樹脂材料の混練性、押出加工特性を推測する第二流動解析手段を有することにより、第一流動解析手段で算出した樹脂材料の熱流動・混合特性に基づいて、スケールアップした押出機における樹脂材料の混練性、押出加工特性を推測することができ、新材料のように特性が未知の樹脂材料であっても確実にスケールアップ予測を行うことができる効果がある。

また、本発明は、前記第一流動解析手段が前記測定データから最適な解析パラメータを算出する手段を備えたことにより、該解析パラメータを使用して樹脂流動解析装置で押出機内の樹脂熱流動状況を正確に再現して流動解析を行うことができる効果がある。

また、本発明は、前記第二流動解析手段がスケールアップした押出機の最適な設計仕様及び運転条件を算出する手段を備えたことにより、試験段階で得られた樹脂材料の性能、混練加工性や押出加工性を生産段階で達成することが可能な押出機の最適な設計仕様を選択することができると共に、運転条件を予測することができる効果がある。

また、本発明は、前記押出試験機のスクリュー直径が２５ｍｍ以下であることにより、少量の樹脂材料で混練性、押出加工特性を試験することができると共に、中間サイズの試験機による再予測が不要になり、樹脂流動解析装置で生産機へ直接スケールアップ予測を行うことができる効果がある。

また、本発明は、前記押出試験機がスクリューの回転トルク及び樹脂材料の温度・圧力・吐出量及び比エネルギーを測定するようにしたことにより、樹脂材料の熱流動・混合特性を算出することができると共に、異なる設計仕様や運転条件毎のエネルギー効率も算出することができる効果がある。

また、本発明は、前記樹脂流動解析装置が押出機内の樹脂熱流動状況を３次元数値解析する３次元数値解析手段を備えたことにより、装置全体の流速、圧力、温度、剪断粘度、剪断応力、剪断発熱、混合効率、トルクを定量化することができる効果がある。

また、本発明に係る成形加工性評価方法によれば、樹脂材料の混練性、押出加工特性を試験する樹脂流動試験工程と、該樹脂流動試験工程で測定した測定データを使用してスケールアップした押出機における前記樹脂材料の流動解析を行う樹脂流動解析工程とからなる構成を有することにより、樹脂流動試験工程による試験で得られた樹脂材料の性能、混練加工性や押出加工性をスケールアップした押出機（生産機）で達成することができるように、樹脂流動解析工程で生産機における樹脂材料の流動解析を行って生産機の設計仕様や運転条件等を予測するから、人の経験の違いによるバラツキを無くすことができると共に、小型の押出試験機からも生産機へ直接スケールアップ予測を行うことができる効果がある。

また、本発明は、前記樹脂流動解析工程が、前記測定データから樹脂材料の熱流動・混合特性を算出する第一流動解析工程と、スケールアップした押出機における樹脂材料の混練性、押出加工特性を推測する第二流動解析工程とからなる構成を有することにより、第一流動解析工程で算出した樹脂材料の熱流動・混合特性に基づいて、スケールアップした押出機における樹脂材料の混練性、押出加工特性を推測することができ、新材料のように特性が未知の樹脂材料であっても確実にスケールアップ予測を行うことができる効果がある。

また、本発明は、前記第一流動解析工程が前記測定データから最適な解析パラメータを算出する手段を備えたことにより、該解析パラメータを使用して樹脂流動解析工程で押出機内の樹脂熱流動状況を正確に再現して流動解析を行うことができる効果がある。

また、本発明は、前記第二流動解析工程がスケールアップした押出機の最適な設計仕様及び運転条件を算出する手段を備えたことにより、試験段階で得られた樹脂材料の性能、混練加工性や押出加工性を生産段階で達成することが可能な押出機の最適な設計仕様を選択することができると共に、運転条件を予測することができる効果がある。

本発明の実施の形態を図示する実施例に基づいて説明する。
本発明に係る成形加工性評価システムは、樹脂材料の混練性、押出加工特性を試験する押出試験機１と、該押出試験機１で測定した測定データを使用してスケールアップした押出機における前記樹脂材料の流動解析を行う樹脂流動解析装置２とから構成してある。

図１に示す実施例において、押出試験機１は、小型の押出機１ａと、押出機１ａに設けたダイ３と、測定装置４と、制御装置５とから構成してある。
押出機１ａは一軸押出機であり、バレル１１内に回転可能に設けたスクリュー１２と、バレル１１の先端に設けたブレーカプレート１３と、バレル１１の後端部に設けたホッパー１４とからなる。ブレーカプレート１３は、バレル１１の先端から押出される溶融樹脂の整流及び圧力調整を行うためのものであり、金網等のスクリーンと組み合わせて設けることも可能である。

図１に示す実施例において、ダイ３は、樹脂フィルムを成形するためのＴダイであり、ダイ３から押出され延伸された樹脂フィルムを冷却する冷却ロール３１と、ピンチロール３２と、巻取ロール３３を設けて、樹脂フィルムを成形することができるようにしてある。また、押出機１ａには、Ｔダイに限られず、チューブダイやインフレーションダイ等の成形用ダイを設けて各種成形品を成形することができる他、スリットダイやキャピラリダイ等の測定用ダイを設けて樹脂材料の物性を測定することもできる。

測定装置４は、スクリューの回転トルク及び樹脂材料の温度・圧力・吐出量及び比エネルギーを測定して制御装置５に出力することができるようにしてある。
図１に示す実施例において、測定装置４には、モータ１５及びトルクセンサ２５を一体的に設けてあり、駆動伝達装置１６を介して押出機１ａを測定装置４に取り付けることにより、モータ１５によって押出機１ａのスクリュー１２を回転させて押出試験を行うことができるように構成してある。この構成により、押出機１ａにモータを設ける必要が無く、一軸押出機や二軸押出機等のようにスクリューやバレルの形状の異なる押出機のみを選択して測定装置４に取り付けることができ、低コストで様々な仕様の押出試験を行うことができる。

また、測定装置４には、バレル１１内及びダイ３内に設けた温度センサ２１，２２と、バレル１１内及びダイ３内の樹脂材料に接する様に配置した温度・圧力センサ２３，２４と、トルクセンサ２５を接続してある。測定装置４は、温度・圧力センサ２３，２４により、バレル１１内及びダイ３内の樹脂圧力と樹脂温度を連続的に測定することができ、又、トルクセンサ２５により、スクリュー１２を回転するのに必要なトルクを連続的に測定することができるように構成してある。
また、図示しないが、測定装置４は、樹脂の吐出量を測定することにより、吐出量に対する投入エネルギーの比である比エネルギー（ｋＷ・ｈ／ｋｇ）を演算することも可能である。

制御装置５は、測定装置４に接続して設けたパーソナルコンピュータからなり、モータ１５の回転数、温度センサ２１，２２を設けたバレル１１内及びダイ３内の温度、冷却ロール３１の温度や回転数、巻取ロール３３の巻取速度を制御することができるように構成してある。また、制御装置５は、測定装置４で測定した測定データをモニタに表示したり、プリントアウトしたりすることができるようにしてある。

押出試験機１は、従来のスケールアップ法則を用いたスケールアップ予測では中間サイズの試験機による再予測が必要になるスクリュー直径が２５ｍｍより小さい押出機１ａを使用した場合に、中間サイズの試験機による再予測が不要になることから大きな効果が得られ、更に、少量の樹脂材料で樹脂材料の混練性、押出加工特性を試験することができることから押出機１ａのスクリュー直径は２０ｍｍ以下であることがより好ましい。

図１に示す実施例において、樹脂流動解析装置２は、押出試験機１の測定データから樹脂材料の熱流動・混合特性を算出する第一流動解析手段と、スケールアップした押出機における樹脂材料の混練性、押出加工特性を推測する第二流動解析手段を有するＣＡＥ（Computer Aided Engineering）からなり、制御装置５内に組み込んである。
また、樹脂流動解析装置２は、押出機内の樹脂熱流動状況を３次元数値解析する３次元数値解析手段を備えてあり、装置全体における樹脂の流速、圧力、温度、剪断粘度、剪断応力、剪断発熱、混合効率、トルクを定量化することができるようにしてある。３次元数値解析手段は、試験機で測定することができない押出機内の樹脂熱流動状況を定量化することができるから、生産機の押出加工における不具合等を事前に把握して最適な設計仕様及び運転条件を導くことができる。

第一流動解析手段は、測定装置４で測定されたトルク、圧力、温度、吐出量や比エネルギー等の測定データをＣＡＥで再現することができるように、最適な解析パラメータを算出する手段を備え、図３に示すように、各樹脂温度において剪断速度（１／ｓｅｃ）に対する樹脂粘度（ｐｏｉｓｅ）の関係式を算出することができるように構成してある。また、押出機１ａに、スリットダイやキャピラリダイ等の測定用ダイを取り付けて樹脂材料の物性を測定することにより、最適な解析パラメータを算出することも可能である。

第二流動解析手段は、第一流動解析手段で算出した解析パラメータに基づいてスケールアップした押出機（生産機）での樹脂流動シミュレーションを行い、スケールアップ時の目標指標や各種制約範囲の中で、生産機での最適な設計仕様及び運転条件を算出する最適化計算手法（ＲＳＭ：応答局面法）を備えてある。
また、樹脂流動解析装置２には、バレル１１やダイ３等の形状を作成する形状作成ツールを備えてあり、様々な種類の押出試験機や生産機に対応することができるようにしてある。

図４乃至図１０には、第二流動解析手段により図３に示す解析パラメータに基づいて押出機内の樹脂熱流動状況を３次元数値解析した結果を示している。この３次元数値解析には、スクリュー口径２０ｍ，スクリュー溝深さ１．１３ｍｍ，ピッチ２０ｍｍ，山幅２．５ｍｍの一軸押出機を用い、スクリュー先端から９ピッチ分の樹脂熱流動状況の解析を行った。また、解析条件は、樹脂温度２００℃、スクリューの回転数８０ｒｐｍ、押出機の入口側と出口側の圧力差１０５．２ｋｇｆ／ｃｍ^２である。

図４は、押出機内の樹脂の流速分布を示している。図示の実施例において、第二流動解析手段は、スクリュー側を固定しバレル側を回転させて樹脂の流速分布を計算しているから、実際の樹脂流速分布は図４とは逆にバレル側が遅く、スクリュー側が速くなる。図５は、樹脂流速分布の一周期分をベクトル表示してあり、樹脂の流速と方向が一目で分かるようにしてある。
図６は押出機内の樹脂圧力分布を示し、図７は押出機内の樹脂温度分布を示している。図７より、入口から出口までの樹脂温度の変化が小さく、温度の違いによる樹脂の物性の変化が生じていないことが確認できる。

図８は、押出機内の樹脂剪断速度分布を示し、図９は押出機内の樹脂剪断応力分布を示している。樹脂の剪断応力が０．１ＭＰａを超えると生産機の押出加工において不具合を生じる恐れがあるため、第二流動解析手段は剪断応力が０．１ＭＰａを超えたときに警告表示をするように構成してあることが好ましい。このとき、第二流動解析手段は、生産機の設計仕様を変更したり、運転条件を変更したりすることにより未然に不具合を防ぐことができる。また、図１０は押出機内の樹脂粘度分布を示している。

図１１乃至図１３は、本発明に係る成形加工性評価システムのスケールアップ予測値（図中の四角マーク）と、試験機による実験値（図中の菱形マーク）を比較した比較図であり、押出機の入口側と出口側の圧力差（ｋｇｆ／ｃｍ^２）に対する樹脂吐出量の関係を示している。試験機による実験は、それぞれスクリューの回転数を２０ｒｐｍと４０ｒｐｍとし、押出機の圧力差を変えて測定した。スケールアップ予測は、試験機による実験と同条件で樹脂材料の流動解析を行った。
図１１及び図１２は、樹脂温度１６０℃及び２００℃における小型機（スクリュー口径２０ｍｍ）による比較検証結果であり、図１３は樹脂温度２００℃における中型機（スクリュー口径４０ｍｍ）による比較検証結果である。スケールアップ予測値は、スクリュー口径に関わりなく試験機による実験値に近い値を示していることから、本発明に係る成形加工性評価システムは様々なサイズの生産機へのスケールアップ予測を行うことができる。

次に、上記の成形加工性評価システムを使用した成形加工性評価方法を、図２に示す実施例に基づいて説明する。
ＳＴＥＰ１において、押出試験機１による樹脂流動試験を行い、制御装置５にトルク、圧力、温度、吐出量や比エネルギー等の測定データを記録する。
ＳＴＥＰ２において、ＳＴＥＰ１の樹脂流動試験で成形された成形品の各種試験を行い、目標の品質が得られた場合にはＳＴＥＰ３へ進み、目標の品質が得られなかった場合には樹脂材料の混合割合を変えたり押出試験機１の運転条件を変えたりして目標の品質が得られるまでＳＴＥＰ１の樹脂流動試験を繰り返し行う。

ＳＴＥＰ３において、樹脂流動解析装置２の第一流動解析手段は、ＣＡＥで押出試験機１における樹脂流動シミュレーションを行い、ＳＴＥＰ１で測定された測定データをＣＡＥで再現することができるように、最適な解析パラメータを算出する（ＳＴＥＰ４）。
ＳＴＥＰ５において、樹脂流動解析装置２の第二流動解析手段は、ＳＴＥＰ４で算出した解析パラメータに基づいて生産機における樹脂流動シミュレーションを行い、生産機での最適な設計仕様及び運転条件を算出する（ＳＴＥＰ６）。

従って、従来のように押出試験機の試験結果を基にしてスケールアップ法則によって間接的に生産機での運転条件等を予測する場合と比べて、本発明に係る成形加工性評価方法は、樹脂流動解析装置２によって直接的に生産機における樹脂流動シミュレーションを行うことにより、人の経験の違いによるバラツキを無くすことができると共に、押出試験機１で測定された測定データを樹脂流動解析装置２で再現することができるように、最適な解析パラメータを算出するから、新材料のように樹脂材料の物性データが少ない場合でも正確なスケールアップ予測を行うことができる。

本発明に係る成形加工性評価システムの一実施例を示す構成図。 その一実施例を示すフローチャート。 第一流動解析手段の解析結果を示す図。 押出機内の樹脂流速分布を示す図。 押出機内の樹脂流速分布を示す図。 押出機内の樹脂圧力分布を示す図。 押出機内の樹脂温度分布を示す図。 押出機内の樹脂剪断速度分布を示す図。 押出機内の樹脂剪断応力分布を示す図。 押出機内の樹脂粘度分布を示す図。 スケールアップ予測と実験値の比較図。 スケールアップ予測と実験値の比較図。 スケールアップ予測と実験値の比較図。

符号の説明

１ 押出試験機
１ａ 押出機
２ 樹脂流動解析装置
３ ダイ
４ 測定装置
５ 制御装置
１１ バレル
１２ スクリュー
１３ ブレーカプレート
１４ ホッパー
１５ モータ
１６ 駆動伝達装置
２１，２２ 温度センサ
２３，２４ 温度・圧力センサ
２５ トルクセンサ
３１ 冷却ロール
３２ ピンチロール
３３ 巻取ロール

Claims (11)

1. 樹脂材料の混練性、押出加工特性を試験する押出試験機と、該押出試験機で測定した測定データを使用してスケールアップした押出機における前記樹脂材料の流動解析を行う樹脂流動解析装置とからなる成形加工性評価システム。
2. 前記樹脂流動解析装置が、前記測定データから樹脂材料の熱流動・混合特性を算出する第一流動解析手段と、スケールアップした押出機における樹脂材料の混練性、押出加工特性を推測する第二流動解析手段を有する請求項１に記載の成形加工性評価システム。
3. 前記第一流動解析手段が前記測定データから最適な解析パラメータを算出する手段を備えた請求項２に記載の成形加工性評価システム。
4. 前記第二流動解析手段がスケールアップした押出機の最適な設計仕様及び運転条件を算出する手段を備えた請求項２又は３に記載の成形加工性評価システム。
5. 前記押出試験機のスクリュー直径が２５ｍｍ以下である請求項１乃至４のいずれかに記載の成形加工性評価システム。
6. 前記押出試験機がスクリューの回転トルク及び樹脂材料の温度・圧力・吐出量及び比エネルギーを測定するようにした請求項１乃至５のいずれかに記載の成形加工性評価システム。
7. 前記樹脂流動解析装置が押出機内の樹脂熱流動状況を３次元数値解析する３次元数値解析手段を備えた請求項１乃至６のいずれかに記載の成形加工性評価システム。
8. 樹脂材料の混練性、押出加工特性を試験する樹脂流動試験工程と、該樹脂流動試験工程で測定した測定データを使用してスケールアップした押出機における前記樹脂材料の流動解析を行う樹脂流動解析工程とからなる成形加工性評価方法。
9. 前記樹脂流動解析工程が、前記測定データから樹脂材料の熱流動・混合特性を算出する第一流動解析工程と、スケールアップした押出機における樹脂材料の混練性、押出加工特性を推測する第二流動解析工程とからなる請求項８に記載の成形加工性評価方法。
10. 前記第一流動解析工程が前記測定データから最適な解析パラメータを算出する手段を備えた請求項９に記載の成形加工性評価方法。
11. 前記第二流動解析工程がスケールアップした押出機の最適な設計仕様及び運転条件を算出する手段を備えた請求項９又は１０に記載の成形加工性評価方法。