JP2010149517A - ダイプレートおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な設計および可能な限りコスト効率性をよくすることにより、最適の断熱特性とともに高い耐摩耗特性を有するダイプレート、およびその製造を可能とする方法を提供する。
【解決手段】ダイオリフィス開口部２を有し、熱可塑性材料のためのペレタイザの押出機のダイプレート１の製造方法であって、ダイプレートベース材料からなるブランクのダイプレートを準備する工程、前記ブランクのダイプレートの少なくとも１つの面の少なくとも１つの領域に、強化材料４により機能性層３を形成する工程であって、前記強化材料をレーザー分散によりダイプレートベース材料の機能性層の領域に付与する工程、前記ダイプレートに前記ダイオリフィス開口部を付与する工程、を含む。
【選択図】図３

Description

本発明は、請求項１の前文に記載した、ダイオリフィス開口部を有し、熱可塑性材料のためのペレタイザの押出機のダイプレートの製造方法、および請求項５の前文に記載した、対応するダイプレートに関する。

一般に、ポリエチレンやポリプロピレンのような熱可塑性材料のペッレト化（造粒）は、溶融したプラスチック材料がダイプレートのダイオリフィス開口部を通り、水のような冷却溶媒に押し出される押出機を有するペレタイザ（造粒機）を用いて、しばしば行われる。ここでは、プラスチック材料は配置された切断刃により切断され、配置された切断刃の少なくとも１つの切断刃はダイプレートのダイオリフィス開口部を擦って通過し、これによりペレットの形状となる。これに対応する水中でペッレト化する方法を実行するためのペレタイザとしては、たとえば、水中ペレタイザの形態が知れられており、オートマティック・プラスティックス・マシナリ社（Automatik Plastics Machinery GmbH）により製造されるSPHEROのようなものがある。このようなペレタイザにおいて、配置された切断刃がダイプレートに接する強い力は、特にダイオリフィス開口部の領域において、比較的高い度合いで、ダイプレートを摩耗させることとなる。さらに、ダイプレートの領域において、ダイプレートと高温溶融したプラスチック材料、並びに、冷却媒およびペレタイザの他の成分との直接の接触による、高い熱負荷がある。そのため、押出機を有するこのようなペレタイザのダイプレートの場合、一方で、対応するペレタイザの作動安定性を保証するとともに、他方で、できるだけ長い耐用年数を可能とするために、高い断熱性を有するとともに、高い耐摩耗性を有することが望まれる。

特許文献１には、プラスチック材料のペッレト化のための押出機のペレタイザヘッドの末端面における配置のためのペレタイザダイプレートについて記載されており、ここで、断熱性と耐摩耗性の目的で、ペレタイザダイプレートは、一体化したセラミックプレート体の形態にある。このセラミックプレート体のダイプレートは、この場合ペレタイザヘッドに一体化することができ、すなわち、対応するプラスチック溶融物の供給により、収縮適合（shrink-fitting）によりペレタイザヘッドに接着し、またはペレタイザヘッドにねじ込むことができる。

一般に、製造中にカーバイドコーティングのような方法により、比較的精巧な表面硬化処理を受ける必要のあるダイプレートの使用も近年行われる。しかし、この場合、このようなダイプレートは、しばしば断熱特性において特別な有利な点はない。あるいは、製造するのに比較的複雑な、層状に積層したダイプレートの使用も行われ、ここでは、金属材料の完全な層およびセラミック材料の他の層が、たとえば、ソルダリングにより互いに結合される必要がある。

ＷＯ０３／０３１１３２Ａ１

したがって、本発明の目的は、ダイプレートおよびこれに対応するダイプレートの製造方法であって、簡単な設計および可能な限りコスト効率性をよくすることにより、最適の断熱特性とともに高い耐摩耗特性を有するダイプレート、およびその製造を可能とする方法を提供することにある。本発明のさらなる目的は、耐用年数を最大にし、それに応じてできるだけ簡単な方法でダイプレートの修復を可能にすることである。

本発明の目的は、請求項１に記載した特徴を有するペレタイザの押出機のダイプレートの製造方法、および、請求項５に記載した特徴を有するダイプレートにより達成される。好ましい態様は、それぞれの従属項に規定される。

本発明の熱可塑性材料のためのペレタイザの押出機のダイプレートの製造方法は、ダイプレートがダイオリフィス開口部を有し、ダイプレートベース材料からなるブランクのダイプレートを準備する工程、ブランクのダイプレートの少なくとも１つの面の少なくとも１つの領域に、強化材料により機能性層を形成する工程であって、前記強化材料をレーザー分散によりダイプレートベース材料の機能性層の領域に付与する工程、前記ダイプレートにダイオリフィス開口部を、たとえばドリルで穴をあけることまたは侵食することにより付与する工程、を含むことを特徴とする製造方法である。好ましくは、上述の工程は、上記に記載した順序で実行される。あるいは、前記ダイプレートにダイオリフィス開口部を付与する工程は、所望により機能性層を形成する工程よりも前に行うことができ、たとえば、長さ方向全体に渡って断面方向の多様性を有する一定の断面特徴を有するダイオリフィス開口部を付与することが望ましい。

本発明のレーザー分散による機能性層の形成に関しては、レーザービームにより少なくともダイプレートベース材料の加熱により（強化材料もともに加熱することも可能である）、強化材料をダイプレートベース材料に付与する。すなわち、強化材料は、レーザービームのエネルギーにより加熱され部分的に溶融したダイプレートベース材料にしみ込んでその中で分散し、これにより強化材料がダイプレートベース材料に均一に埋め込まれる。この結果、本発明の方法により、ダイプレートベース材料の両方の特性、たとえば、ペレタイザの近接する成分と同一の熱膨張係数を備える金属材料およびさらなる強化材料、並びにそれに応じて、強化材料（または、より一般的には機能性材料）、たとえば、耐摩耗性を向上させ、断熱性を改善するセラミック材料、の断熱材料の特性、を均質に提供する均一な機能性層が得られる。本発明のこの目的のために、実行するのに簡単なレーザー分散の工程が提供される。したがって、本発明の方法により、比較的簡単でコスト効率性のよい方法で、高い断熱性のみならず、高い耐摩耗性をも有するダイプレートを製造することが可能となる。さらに、レーザー分散を用いることにより、本発明の方法は、このように製造されたダイプレートに付与される熱量を局所的に限定し、それゆえ、熱量を最小化することができる。特に、好ましい断面方向のレーザー分散の場合、特に好ましい態様として、ダイプレート材料は、一定の領域（特に好ましい態様として、ブランクのダイプレートの少なくとも１つの面において）のみに機能性層が断面方向に提供され、これにより、本発明の特に信頼性の高い方法で、製造さるダイプレートの熱により誘発される歪みを避けることが可能となる。

さらに、本発明の方法によるダイプレート材料における強化材料の埋め込み、より特には均一な埋め込みが、このような方法により製造されたダイプレートの修復を容易にする。なぜならば、機能性層の一部分が研磨された後においても、機能性層の組み合わされた材料特性（上述したダイプレートベース材料の材料特性および強化材料の材料特性の組み合わせ）が、未だ残っているからである。さらに、レーザー分散のパラメータを調整することにより、たとえば、ベース材料中へのレーザーの浸透する深さを変えることにより、温度範囲の適切な選択により、強化材料等の量および／または種類を選択することにより、本発明の方法は、このように形成されたダイプレートの機能性層に要求されるパラメータ（特に、たとえば、断熱性および耐摩耗性について要求される特性）を柔軟に選択および調整する簡単な方法を提供する。

本発明の好ましい態様では、レーザー分散による機能性層形成工程において、強化材料は、粒子粉末としてダイプレートベース材料に少なくとも断面方向に付与でき、レーザービームにより、少なくともダイプレートベース材料が、少なくとも機能性層の領域において加熱され、強化材料の粒子粉末からの粒子が、加熱された機能性層の領域において、ダイプレートベース材料中に埋め込まれることとなる。強化材料を加熱することも可能である。適切かつ特別に選択された粒子粉末の付与により、特に簡単な方法により要求される材料特性に、高い柔軟性を持って、影響を与えることが可能となる。さらに、少なくとも断面方向のみではく、ダイプレートベース材料の全面にわたって粒子粉末を付与することが可能である。これにより、ダイプレートベース材料および強化材料の粒子粉末を、レーザービームにより断面方向に加熱できる。

本発明の好ましい態様では、機能性層を形成する工程は、ダイプレートベース材料の１つの面の少なくとも１つの領域に断面方向にレーザー分散を行い、それぞれの場合において、直径５ｍｍまでの領域のみレーザービームにより加熱される。上述した５ｍｍまでの領域は、レーザービームの焦点を調整することによりさらに小さなものにもできる。特に、レーザービームの適切な調整（焦点および／または強度）により、ダイプレートベース材料中へのレーザービームの浸透深さを調整でき、これにより、機能性層の層厚を選択し、調整することが可能となる。

特に、ダイプレートの修復を容易にするために、本発明の方法において、機能性層を形成する工程を複数回繰り返すことができる。たとえば、本発明の方法により製造したダイプレートが一定の時間使用された後、最初のレーザー分散後の最初の機能性層が使用により摩耗した後に、この工程を行うことができる。このような場合、レーザー分散による再生の実行、または、機能性層を形成することに対応する工程による再生の実行により、ダイプレートベース材料中に（新たな）機能性層を形成することができる。さらに、機能性層を形成する工程の少なくとも断面方向への繰り返しにより、少なくとも断面方向に、たとえば、層厚および／または層幅および／または機能性層の成分に、さらなる影響を与えることができる。

一般に、レーザー分散、好ましくは断面方向のレーザー分散により、ダイプレートベース材料の一定の領域が、機能性層を形成する工程を複数回受けることが可能である。すなわち、直接的な連続性を持って複数回行われる領域で形成する工程は、このように直接的な連続性を持って複数回処理された部位のダイプレートベース材料中において、必要に応じ、強化材料、好ましくは強化材料の粒子のさらなる積層を可能にし、その領域における材料特性が、適用されるより広い範囲にわたって調整され、影響を受けることが可能となる。

本発明の方法は、一般的に、ダイプレートベース材料、およびこのように製造されたダイプレートの機能性層領域における強化材料との組み合わせにより、選択的に調整され製造される材料パラメータの可能性、並びにその柔軟性に関し、大きな利点を提供する。これにより、一定の層領域が常に均一の材料により形成され、ダイプレートベース材料と機能性層領域における均一な強化材料の材料特性との組み合わせを直接的かつ簡単に達成できない従来の方法に対して顕著な利点が提供され、本発明の方法におけるレーザー分散を用いることにより可能となる。

本発明によれば、熱可塑性材料のためのペレタイザの押出機のダイプレートは、ダイオリフィス開口部を有する。さらに、本発明によれば、少なくとも１つの領域、たとえば、ペレタイザが作動する時に切断刃により擦られるダイオリフィス開口部の少なくとも１つの領域において、ダイプレートの少なくとも１つの面が強化材料の機能性層を有し、この強化材料はダイプレートベース材料中に埋め込まれる。強化材料は、断熱特性を有しても良い。本発明のダイプレートは、少なくも1つの面全体にわたって、あるいは両面全体にわたって、機能性層を有するものを提供できる。

したがって、本発明によれば、ダイプレートベース材料の特性と強化材料の特性の組み合わせによる際立った利点が、このように提供された本発明のダイプレートの機能性層の領域において得られる。特に、このようなダイプレートは、機能性層の領域において耐摩耗性と組み合わせて均一な断熱性を提供できる一方、このように製造された本発明のダイプレートとペレタイザの他の成分との熱膨張係数の潜在的な差異を避けることができる。

本発明の特に好ましい態様において、粒子の形状の強化材料は、機能性層の領域のダイプレートベース材料中に埋め込まれる。その結果、一定の強化材料が特に効率的に使用でき、ダイプレートベース材料の構造が、機能性層の領域の強化材料の分子包接とは対照的に、対応する粒子による化学的な影響をあまり受けない。

たとえば、本発明のダイプレートの熱膨張係数の可能な限り最大の均質性および適合性の目的において、ダイプレートベース材料は、好ましくは金属、合金、特に好ましくは鋼または、合金鋼でもよい。

強化材料は、好ましくはセラミック材料、特に好ましくはＺｎＯ_２でもよい。このようなセラミック材料は、特に優れた断熱特性を提供する。

強化材料は、好ましくは、サーメット（陶製合金）のようなカーバイド合金材料でもよい。このようなカーバイド合金は、ダイプレートベース材料および／またはペレタイザの他の成分の材料に対する熱伝導性および熱膨張特性に、特に優れた適合を有する。

本発明のダイプレートの機能性層は、好ましくは３ｍｍ以下、より好ましくは１ｍｍ以下、さらにより好ましくは０．５ｍｍ以下の平均層厚（ｄ）を有しても良い。このような層厚は、本発明のこのようなダイプレートの比較的長い耐用年数を可能にする。さらに、必要な場合には、これによりダイプレートを再研磨することができ、このような場合には、再研磨の後においても、機能性層の充分な層厚がある。

好ましくは、機能性層の強化材料の粒子は、０．５μｍ〜２．０μｍの範囲の平均直径を有する。このような粒子径により、ダイプレートベース材料中によく埋め込まれる。強化材料の強化特性および／または断熱特性が、特に効果的に利用される場合がある。なぜならば、このような粒子により、ダイプレートベース材料中への強化材料の充分で深い浸透が可能となるからである。

この点において、機能性層中の強化材料の粒子の体積分率は、好ましくは５体積％〜５０体積％の範囲でよい。

好ましくは、機能性層は、１０００ＨＶ〜１５００ＨＶ（ビッカース硬度）の範囲の硬度を有しても良い。

機能性層の熱膨張係数は、１Ｗ／ｍＫ〜２Ｗ／ｍＫの範囲でもよい。

その他の点に関しては、機能性層は、純粋なダイプレートベース材料と同一の熱膨張係数か、または、純粋なダイプレートベース材料の熱膨張係数と±１０％の範囲しか異ならない熱膨張係数を有しても良い。これにより、本発明のダイプレートの熱膨張特性をさらに改善することとなる。なぜならば、機能性層を含むダイプレート全体にわたって最大限可能な均一な熱膨張係数となるからである。

特に好ましい態様において、本発明のダイプレートは、レーザー分散により、特に好ましくは前述したダイプレートの製造方法によって製造しても良い。

一般的に、ダイプレートの製造に関する本発明の方法について記載したすべての利点／特徴は、適用可能な場合は、本発明のダイプレートそのものについても適用でき、その逆もまた同様である。

以下、添付の図面に示された例示的な対応を参照して、本発明をより詳細に記述する。

本発明の方法の好ましい態様のレーザー分散による機能性層の形成工程を模式的に示す図である。 本発明の好ましい態様である、機能性層を有するダイプレートの模式的な断面図である。 ダイプレートのダイオリフィス開口部領域における、本発明の好ましい態様である、機能性層を有するダイプレートの模式的な断面図である。 取り付けられた状態の本発明のダイプレートの模式図である。

図１は、本発明の方法を実行するための模式的な代表例を示し、より具体的には、本発明の方法による機能性層の形成工程を示し、機能性層はレーザー分散により形成される。

図１に模式的に示したように、Ｎｄ：ＹＡＧレーザービーム源からのレーザービームのようなレーザービーム７が、模式的に示したレンズ系８を通ってダイプレート１のダイプレートベース材料の一定の領域に焦点があてられる。レーザービーム７により加熱された領域の直径は、５ｍｍまでである。図１に模式的に示した粒子粉末供給装置９により、強化材料の粒子粉末が、ダイプレート１のブランクのダイプレートの少なくとも１面の少なくとも１つの領域に断面方向に付与できる。好ましくは、レーザービーム７により加熱されたダイプレートベース材料の領域に付与される。したがって、強化材料は、要求される機能性層３の領域でダイプレートベース材料に付与することができ、強化材料はダイプレートベース材料中に浸透し、ダイプレートベース材料はレーザービーム７のエネルギーにより加熱され、部分的に溶融する。強化材料はダイプレートベース材料中に分散され、これにより、ダイプレートベース材料中に強化材料が均一に埋め込まれ、その結果、機能性層３が形成される。この工程は、ここではダイプレートベース材料中の強化材料のレーザー分散を指す。

機能性層３を、より大きな領域、あるいは本発明により製造されるダイプレート１のブランクのダイプレートの１面の表面全体の領域に付与する場合には、これに対応する大きな領域は、前述したように細長方向のレーザー分散により断面方向に形成できる。これに対応するダイプレート１の送り運動の例が、図１の左側の矢印により示される。

図２は、熱可塑性材料のためのペレタイザの押出機のダイプレート１の模式的な断面図を示す。ここで、機能性層３は、強化材料の粒子４を備えており、粒子４は、機能性層３の領域のダイプレートベース材料中に埋め込まれている。この埋め込みは、前述したように、本発明のレーザー分散により達成される。

機能性層３は、３ｍｍ以下、好ましくは０．５ｍｍ以下の平均層厚（ｄ）を有し、たとえば、層厚（ｄ）は、０．３ｍｍ〜１ｍｍの範囲である。強化材料は、層厚（ｄ）の全体にわたって均一に分散して埋め込まれており、好ましくは、機能性層３の領域の粒子４の形態で埋め込まれている。これにより、その材料特性に関してできるだけ均一な機能性層３が得られる。

図３は、ダイオリフィス開口部２の領域における本発明のダイプレート１の模式的な断面図を示す。ダイオリフィス開口部２は、本発明の方法によりダイプレートに付与され、たとえば、ダイオリフィス開口部は、好ましくは機能性層の形成後のみに、ダイプレートにドリルで穴をあけ、または侵食により付与される。

図４は、本発明の好ましい態様における取り付けられた状態のダイプレートの模式的代表図である。ここでは、機能性層３とそこに埋め込まれた強化材料の粒子４を有するダイプレート１が、ペレタイザの押出機の出口領域５に付与されている。このような付与は、たとえば、ねじ込みあるいはそれに似た方法により（図４では図示せず）、なされても良い。しかし、あるいは、出口領域５とダイプレート１は、たとえば一体化した形態で、１つの部品として製造されても良い。溶融した熱可塑性材料は、溶融チャネル６を通って、本発明のダイプレート１のダイオリフィス開口部２に供給され、そこから排出される。排出にあたって、熱可塑材料は、切断装置（図４には示さず）により切り取られ、これにより熱可塑材料からペレットが製造される。本発明の機能性層３は、ダイプレート１の領域、たとえば、ダイオリフィス開口部２の領域のみに形成される。なぜならば、ここは、摩耗に対する保護が特に有効である主領域であり、切断装置の切断刃が回転するところであるという理由により望ましいとこである。逆に、図４は、ダイプレート１の完全な面が機能性層３とともに供給されるという、好ましい態様を示しており、これにより、適切な均一性の最適化、特に、本発明により製造されたダイプレート１の面全体にわたって熱伝導性をもたらすこととなる。

図４に示されたような配置は、たとえば、水中ペレタイザとして、利用可能である。

１ ダイプレート
２ ダイオリフィス開口部
３ 機能性層
４ 粒子
５ 出口領域
６ 溶融チャネル
７ レーザービーム
８ レンズ系
９ 粒子粉末供給装置
ｄ 層厚

Claims (16)

1. ダイオリフィス開口部を有し、熱可塑性材料のためのペレタイザの押出機のダイプレートの製造方法であって、
   ダイプレートベース材料からなるブランクのダイプレートを準備する工程、
   ブランクのダイプレートの少なくとも１つの面の少なくとも１つの領域に、強化材料により機能性層を形成する工程であって、前記強化材料をレーザー分散によりダイプレートベース材料の機能性層の領域に付与する工程、
   前記ダイプレートにダイオリフィス開口部を付与する工程、
   を含むことを特徴とする製造方法。
2. 前記レーザー分散により機能性層を形成する工程において、前記強化材料が粒子粉末として前記ダイプレートベース材料に少なくも断面方向に付与され、レーザービームにより少なくとも前記ダイプレートベース材料が少なくとも機能性層の領域において加熱され、強化材料の粒子粉末からの粒子が、加熱された機能性層の領域において前記ダイプレート材料中に埋め込まれることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記機能性層を形成する工程が、前記ダイプレートベース材料の面の少なくとも1つの領域に対する断面方向のレーザー分散により行われ、それぞれの場合において、直径５ｍｍ以下の領域がレーザービームにより加熱されることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記機能性層を形成する工程が、複数回繰り返されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
5. ダイオリフィス開口部２を有し、熱可塑性材料のためのペレタイザの押出機のダイプレート１であって、ダイプレート１の少なくとも１つの面の少なくとも1つの領域が、強化材料による機能性層３を有し、前記強化材料が前記ダイプレートベース材料中に埋め込まれていることを特徴とするダイプレート。
6. 前記強化材料が粒子４の形状で、前記機能性層３の領域の前記ダイプレートベース材料中に埋め込まれていることを特徴とする、請求項５に記載のダイプレート。
7. 前記ダイプレートベース材料が、金属、合金、好ましくは鋼または合金鋼であることを特徴とする、請求項５または６に記載のダイプレート。
8. 前記強化材料がセラミック材料、好ましくはＺｒＯ_２であることを特徴とする、請求項５〜７のいずれかに記載のダイプレート。
9. 前記強化材料がカーバイド合金であることを特徴とする、請求項５〜７のいずれかに記載のダイプレート。
10. 前記機能性層が、好ましくは３ｍｍ以下、より好ましくは１ｍｍ以下、さらに好ましくは０．５ｍｍ以下の平均厚さｄを有することを特徴とする、請求項５〜９のいずれかに記載のダイプレート。
11. 前記機能性層３における強化材料の粒子４が、０．５μｍ〜２．０μｍの範囲の平均直径を有することを特徴とする、請求項６〜１０のいずれかに記載のダイプレート。
12. 前記機能性層３における強化材料の粒子４が、５体積％〜５０体積％の範囲の体積分率を有することを特徴とする、請求項６〜１１のいずれかに記載のダイプレート。
13. 前記機能性層３が、１０００ＨＶ〜１５００ＨＶの範囲の硬度を有することを特徴とする、請求項５〜１２のいずれかに記載のダイプレート。
14. 前記機能性層３が、１Ｗ／ｍＫ〜２Ｗ／ｍＫの範囲の熱伝導係数を有することを特徴とする、請求項５〜１３のいずれかに記載のダイプレート。
15. 前記機能性層３が、純粋なダイプレートベース材料と同一の熱膨張係数か、または、純粋なダイプレートベース材料の熱膨張係数と±１０％の範囲しか異ならない熱膨張係数を有する、請求項５〜１４のいずれかに記載のダイプレート。
16. 前記ダイプレート１が、請求項１〜４に記載の少なくとも1つの方法によるレーザー分散により製造される、請求項５〜１５のいずれかに記載のダイプレート。