JP2017019126A - 成形用金型、押出成形装置、押出成形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】成形用金型から均一に成形品を押し出すことができる成形用金型、押出成形装置、押出成形方法を提供する。【解決手段】熱で粘度が変化する材料を練り上げた材料を押出成形して成形品１ｃを製造するために使用する成形用金型４は、成形用金型４は、成形品１ｃの搬送方向Ｂに複数の金型４Ａ、４Ｂに分割され、複数の金型４Ａ、４Ｂの間に、搬送方向に延在する断熱部材Ｄ２、Ｄ３を備え、少なくとも一個の金型は、金型の温度を調整する温度調整器４２Ａ、４２Ｂを備える。【選択図】図３

Description

この発明は、成形用金型、押出成形装置、押出成形方法に関するものである。

成形形状が複雑な物を製造する押出成形においては、成形物の形状を安定させるため、押出用金型と成形用金型の２つの金型を利用している。まず、押出器により押し出された材料は、押出用金型により概ねの形状を成形され、さらに、下流にある成形用金型により所望の形状に成形される。

押出成形において利用する材料としては、材料の温度が高い場合に軟化し、材料の温度が低い場合に硬化する性質があるものを利用する。押出成形装置として、例えば、特許文献１に示すような押出成形装置が提案されている。当該押出成形装置では、ダイの流路内に、成形品の押し出し方向に金型温度を制御する機構を備えている。

特開２００４−２１６７０２号公報

特許文献１に記載の押出成形装置では、成形用金型の温度が低いことにより材料が成形用金型内で硬化し、成形用金型内部において成形品が詰まることにより、成形品が所望の形状とならない、押出成形装置が停止する、もしくは押出成形装置が故障もしくは破損するといった問題があった。
さらに、成形品の詰まりを防止するため成形用金型と押出用金型とを一体とした場合、金型内側面の表面状態や金型の形状及び押出器から押し出される材料圧力の不均一性などに起因し、金型から成形品が均一に流出せず、成形品の一部が早く流出することで、成形品の形状が所望の形状とならないという課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、成形品を成形用金型の内部の成形品通過穴から均一に押し出すことができ、成形品を所望の形状に保つことができる成形用金型、押出成形装置、押出成形方法を提供することを目的とする。

この発明に係る成形用金型は、
熱で粘度が変化する材料を練り上げた材料を押出成形して成形品を製造するために使用する成形用金型であって、
前記成形用金型は、前記成形品の搬送方向に平行に複数の金型に分割され、
複数の前記金型の間に、前記搬送方向に延在する断熱部材を備え、
少なくとも一個の前記金型は、前記金型の温度を調整する温度調整器を備えたものである。

この発明に係る押出成形装置は、
前記成形用金型と、
前記材料を練り上げて前記成形用金型側に押し出す押出器と、
前記成形用金型によって成形された前記成形品を冷却する冷却器と、
前記冷却器の下流側に備えられ、前記成形品を冷却して引き取る引き取り器とを備えたものである。

この発明に係る、押出成形方法は、
前記押出成形装置を用いた押出成形方法において、
前記成形用金型を構成する少なくとも一個の前記金型の温度を他の前記金型の温度と異なる温度に調整するものである。

この発明に係る成形用金型、押出成形装置、押出成形方法によれば、成形用金型を構成する複数の金型の間に搬送方向に断熱材を配置し、各金型の温度を個別に調整できる。これにより、成形用金型の形状や表面状態、押出器から材料が押し出される時の圧力差などにより、成形用金型の各金型とその内側の成形品通過穴を通過する中間成形品との間に発生する摩擦力、粘着力の差を部分的に調整できるので、成形品を均一に成形用金型から押し出すことができる。

この発明の実施の形態１に係る押出成形装置の全体概念図である。 この発明の実施の形態１に係る成形品の断面図と側面図である。 この発明の実施の形態１に係る押出成形装置の押出用金型、成形用金型の近傍の詳細を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る成形用金型を構成する各金型の温度の変化例を示すグラフである。 この発明の実施の形態２に係る押出成形装置の押出用金型、成形用金型の近傍の詳細を示す図である。 この発明の実施の形態３に係る押出成形装置の押出用金型、成形用金型の近傍の詳細を示す図である。 この発明の実施の形態４に係る押出成形装置の押出用金型、成形用金型の近傍の詳細を示す図である。 この発明の実施の形態５に係る押出成形装置の押出用金型、成形用金型の近傍の詳細を示す図である。 この発明の実施の形態５に係る押出成形装置の押出用金型、成形用金型の近傍の詳細を示す図である。

実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１に係る成形用金型、押出成形装置、押出成形方法を図を用いて説明する。なお、本明細書中で「上流側」というときは、成形品が流れる方向（搬送方向）の上手側をいう。また、「下流側」とは成形品が流れる方向の下手側をいう。
図１（ａ）は、この発明の実施の形態１に係る押出成形装置１００の全体概念図であり、押出成形装置１００の上面図である。
図１（ｂ）は、図１（ａ）の押出成形装置１００の側面図である。
押出成形装置１００は、材料投入器６と、材料投入器６に接続された押出器２と、押出器２の下流側に接続された押出用金型３と、押出用金型３の下流側に断熱材Ｄ１を介して接続された成形用金型４（サイジングダイとも言う）と、成形用金型４の下流側に配置された冷却器８１と、さらに冷却器８１の下流側に配置された引き取り器８２とからなる。

図２（ａ）は、成形品１ｃの長手方向に垂直な断面を示す断面図である。
図２（ｂ）は、成形品１ｃ（成形用金型４を通過後の成形品）の側面図である。図２に示す成形品１ｃは、成形品の一例である。
成形品１ｃを押出成形する場合を例とし、本発明を説明する。成形品１ｃは、長手方向に垂直な断面が、Ｌ字形状の多角柱である。

次に、押出成形装置１００の押出用金型３と成形用金型４の詳細を説明する。
図３（ａ）は、図１（ｂ）の押出用金型３を上流側から見た図である。
図３（ｂ）は、図１（ｂ）の押出用金型３、断熱材Ｄ１、成形用金型４の側面拡大図である。
図３（ｃ）は、図１（ｂ）の成形用金型４を下流側から見た図である。
図１（ｂ）、図３（ｂ）に示すように、断熱材Ｄ１は、押出用金型３と成形用金型４との間に挟まれ、押出用金型３と、断熱材Ｄ１と、成形用金型４とは、一体として押出器２の下流側に設置されている。

押出用金型３は、口金と呼ばれこともある。押出用金型３は、完成品である成形品１ｃの概略形状を有する中間成形品を仮成形するためのものである。押出用金型３の中間成形品通過穴３Ｈの大きさは、所望の成形品１ｃの外形形状よりも大きなものとする。成形用金型４は、中間成形品に対して、さらに形状を安定化させて成形品１ｃを形成するためのものである。成形用金型４の成形品通過穴４Ｈは、所望の成形品１ｃの外形形状と同等とする。断熱材Ｄ１は、押出用金型３と成形用金型４とを熱的に絶縁し、かつ中間成形品が押出用金型３と成形用金型４の間で外部空間に流出しないことを目的として設置する。なお、各金型及び断熱材Ｄ１の内部形状は、搬送方向Ｂに向かって変化しても良い。

押出用金型３、断熱材Ｄ１、成形用金型４は、押出用金型３、断熱材Ｄ１、成形用金型４の内側を中間成形品が通過する時に、中間成形品と、押出用金型３、断熱材Ｄ１、成形用金型４との間に発生する摩擦力や粘着力、もしくはその両方によって各部材が分離しないような構成とする。各部材が分離しないための構成例として、お互いをボルト及びナットで締結する方法、クランプで締結する方法、接着剤で接着する方法があるが、これらに限定しない。また、図では押出用金型３は一個の金型で構成しているが、押出用金型３を複数の金型の集合体で構成しても良い。

また、成形用金型４は、成形用金型４Ａと成形用金型４Ｂとに分割されていて、分割方向は、成形品１ｃの搬送方向Ｂである。なお、図では成形用金型４は搬送方向Ｂと平行に二分割されているが、搬送方向Ｂに複数に分割されていれば、必ずしも平行に分割されている必要は無い。そして、成形用金型４Ａと成形用金型４Ｂとの間には、断熱材Ｄ２と断熱材Ｄ３とが挟まれている。断熱材Ｄ２、Ｄ３は、成形用金型４より熱伝達率が低く、かつ、断熱材Ｄ２、Ｄ３の耐熱温度は、中間成形品が成形用金型４の内側を通過する時の温度よりも高い。断熱材Ｄ２、Ｄ３は、成形用金型４Ａと成形用金型４Ｂとを熱的に絶縁し、かつ中間成形品が、成形用金型４Ａと成形用金型４Ｂの間で外部空間に流出しないことを目的とする。断熱材Ｄ２、Ｄ３に用いる素材の例としてセラミックがあるが、これに限定しない。

成形用金型４Ａ、断熱材Ｄ２、Ｄ３、成形用金型４Ｂは、互いに分離しないように固定できる構成とする。各部材が分離しないための構成例として、お互いをボルト及びナットで締結する方法やクランプで締結する方法、接着剤で接着する方法などがある。

成形用金型４Ａ及び成形用金型４Ｂは、それぞれの金型の内部に液体もしくは気体を通過させることで、金型の温度を変更したり一定に保持したりする機能を提供するそれぞれ独立した配管４１Ａ、４１Ｂを内蔵する。そして、それぞれの配管４１Ａ、４１Ｂは、成形用金型４Ａ、４Ｂの内部を通過する液体もしくは気体の温度を独立して調整する温度調整器４２Ａ、４２Ｂ（第一温度調整器）を備える。温度調整器４２Ａ、４２Ｂは、それぞれ、温度調整コントローラ４２Ａ１、４２Ｂ１を備える。

温度調整器４２Ａ、４２Ｂは、配管４１Ａ、４１Ｂの内部に液体もしくは気体を通過させ、当該液体もしくは気体の温度を変化させたり一定に保つ機構を有する装置であればその原理を限定しない。例としては送風器やポンプがある。温度調節機構としては、電熱線ヒーター、ヒートポンプ式空調器、ペルチェ式空調器、空冷チラー等がある。

成形用金型４は、搬送方向Ｂに分割された三個以上の金型で構成しても良い。成形用金型４を三個以上の金型で構成する場合は、すべての接合箇所に断熱材を設置しなくても良い。また、この場合は、配管４１Ａ、４１Ｂは、断熱材Ｄ２、Ｄ３に隣接する成形用金型４を構成する一部の金型内のみに配置する構成とする。配管４１Ａ、４１Ｂの中を通過させる物質の代表例は、水やエチレングリコール、空気、冷媒（例えばフロン）などであるが、これら以外の液体もしくは気体でも良い。

次に、成形品１ｃが製造されるまでの工程を説明する。
材料投入器６より投入された材料１ａは、押出器２へと導かれる。材料１ａは、加熱することによって柔らかくなる性質を持つものであれば、その素材や材質を問わない。代表的な物に、ポリエチレンやポリプロピレンなどの樹脂材料や、アルミニウムなどの金属材料等がある。

材料１ａは、押出器２内で加熱しながら練り上げられることで、材質が均一化される。その後、材料１ａは、押出器２から押出用金型３に導かれる。

次に、押出用金型３で成形された中間成形品は、断熱材Ｄ１を介して押出用金型３に接続された成形用金型４に導かれる。

図４は、成形用金型４Ａ及び成形用金型４Ｂの温度の変化例を示すグラフである。
図４において、横軸は時間、縦軸は成形用金型４Ａ及び成形用金型４Ｂの温度を示している。なお、図４における縦軸及び横軸の数値は一例である。温度や時間は材料の種類や成形品の形状、押出成形器の仕様によって変化させる必要がある。

ここで、材料１ａが柔らかくなる温度が１２０度、成形品１ｃを安定して成形するために必要な温度を３０度と仮定し、例えば、成形用金型４全体の温度を３０度に設定するとする。成形品の材料１ａや成形品１ｃの形状、押出器２の特性や成形用金型４の形状、各金型の内面積の差などにより、成形品１ｃが成形用金型４から射出される際、成形用金型４Ｂ部分から射出される成形品１ｃの部分の方が、成形用金型４Ａから射出される部分より射出速度が遅くなる。

このような場合は、まず、配管４１Ａ、４１Ｂの内部を通過する液体もしくは気体の温度を、温度調整器４２Ａ、４２Ｂによりそれぞれ１２０度に設定して押出成形を開始する。このとき、成形用金型４Ａ及び成形用金型４Ｂの温度が高いため、成形品１ｃの形状は安定しないが、成形用金型４Ａ及び成形用金型４Ｂで詰まることなく成形が可能となる。

この状態で、成形品１ｃの先端を冷却器８１と引き取り器８２内を通過させる。形状が安定しない成形品１ｃの先端が引き取り器８２を通過した後、成形用金型４Ａ内を通過する液体もしくは気体の温度を３０度に、成形用金型４Ｂ内を通過する気体もしくは気体の温度を４０度まで低下させる。

この結果、成形品１ｃの、成形用金型４Ａから排出される部分と、成形用金型４Ｂから排出される部分の排出スピードが同等となり成形品１ｃの形状が安定する。

成形用金型４から出た成形品１ｃは、冷却器８１により冷却される。冷却器８１は、材料１ａや成形品１ｃの形状に応じて、水冷や空冷などの方法により成形品１ｃを冷却する。冷却器８１を通った成形品１ｃは、引き取り器８２にて引き取られ完成品となる。

なお、本実施の形態では、１種類の材料のみを使用する場合について説明したが、２種類以上の材料を混合して成形する多色成形においても、本発明は適用可能である。また、図１は、押出成形の主要な装置のみを記載したものであり、この他の装置、例えば材料乾燥器や材料搬送器、成形品切断器、成形品梱包器などがあっても、本発明は適用可能である。

本発明の実施の形態１に係る成形用金型、押出成形装置、押出成形方法によれば、成形用金型４を構成する複数の金型の間に搬送方向Ｂに断熱材を配置し、各金型に設けた配管４１Ａ、４１Ｂ内を巡回する液体もしくは気体の温度を個別に調整できる。これにより、成形用金型４の形状や表面状態、押出器２から材料１ａが押し出される時の圧力差などにより、成形用金型４の各金型とその内側を通過する成形品との間に発生する摩擦力、粘着力の差を部分的に調整できるので、成形品１ｃを均一に成形用金型４から押し出すことができる。また、成形工程開始直後における成形品１ｃの成形用金型４内での詰まりを防止することが可能となる。

実施の形態２．
以下、本発明の実施の形態２に係る成形用金型、押出成形装置、押出成形方法を図を用いて実施の形態１と異なる部分を中心に説明する。
図５（ａ）は、押出用金型３を上流側から見た図である。
図５（ｂ）は、押出用金型３、断熱材Ｄ１、成形用金型２０４の側面拡大図である。
図５（ｃ）は、図５（ｂ）の成形用金型２０４を下流側から見た図である。

実施の形態１では、成形用金型４Ａ、４Ｂの温度を個別に変更するために、成形用金型４Ａ、４Ｂの内部に配管４１Ａ、４１Ｂを設け、配管４１Ａ、４１Ｂ内を通過させる液体もしくは気体の温度を温度調整器４２Ａ、４２Ｂを用いて調整した。
本実施の形態では、成形用金型２０４Ａ、２０４Ｂの外周面に温度調整器２４２Ａ、２４２Ｂ（第二温度調整器）を設けている。温度調整器２４２Ａ、２４２Ｂは、通電することにより発熱する金属等を用いる（実施の形態１と同様に液体もしくは気体を用いても良い）。温度調整器２４２Ａ、２４２Ｂは、それぞれ温度調整コントローラ２４２Ａ１、２４２Ｂ１を備える。その他の構成については実施の形態１と同様である。

本発明の実施の形態１に係る成形用金型、押出成形装置、押出成形方法によれば、簡易な構成により実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

実施の形態３．
以下、本発明の実施の形態３に係る成形用金型、押出成形装置、押出成形方法を図を用いて実施の形態１と異なる部分を中心に説明する。
図６（ａ）は、押出用金型３を上流側から見た図である。
図６（ｂ）は、押出用金型３、断熱材Ｄ１、成形用金型４の側面拡大図である。
図６（ｃ）は、図６（ｂ）の成形用金型４を下流側から見た図である。

本実施の形態では、それぞれの成形用金型４Ａ、４Ｂに、実施の形態１で使用した温度調整器４２Ａ、４２Ｂと、実施の形態２で使用した温度調整器２４２Ａ、２４２Ｂの二種類の温度調整器を備えている。

本発明の実施の形態３に係る成形用金型、押出成形装置、押出成形方法によれば、成形用金型４Ａ、４Ｂの内部と、外周面に二種類の温度調整器を用いることにより、成形用金型４Ａ、４Ｂの温度を迅速に変更でき、押出成形装置を本稼働させるための準備時間を短縮することができる。

実施の形態４．
以下、本発明の実施の形態４に係る成形用金型、押出成形装置、押出成形方法を図を用いて実施の形態３と異なる部分を中心に説明する。
図７（ａ）は、押出用金型３を上流側から見た図である。
図７（ｂ）は、押出用金型３、断熱材Ｄ１、成形用金型４の側面拡大図である。
図７（ｃ）は、図７（ｂ）の成形用金型４を下流側から見た図である。

本実施の形態では、押出用金型３の外周面にも温度調整器３２を備える。また、温度調整器３２には、温度調整コントローラ３２１が接続されている。実施の形態１で説明したように、押出成形の開始時においては、成形品の温度を高温に設定し、その後、成形用金型４Ａ、４Ｂの温度を個別に設定した。そこで、押出用金型３にも温度調整器３２（第三温度調整器）を設けることにより、初期の加熱を押出用金型側３で行い、成形用金型４Ａ、４Ｂでは、主に定常運転時の温度調節を行うこととした。

本発明の実施の形態４に係る成形用金型、押出成形装置、押出成形方法によれば、押出成形装置の準備段階の加熱を押出用金型３で行い、定常運転時の加熱を成形用金型４Ａ、４Ｂで行うことにより、成形用金型４Ａ、４Ｂの温度は当初から定常運転時を想定した温度に設定できるので、例えば上述した準備工程における大幅な加熱状態から、定常運転時の温度に精度良く移行するために必要な時間を短縮できる利点がある。

実施の形態５．
以下、本発明の実施の形態５に係る成形用金型、押出成形装置、押出成形方法を図を用いて実施の形態４と異なる部分を中心に説明する。
図８（ａ）は、押出用金型３を上流側から見た図である。
図８（ｂ）は、押出用金型３、断熱材Ｄ１、成形用金型４の側面拡大図である。
図８（ｃ）は、図８（ｂ）の成形用金型４を下流側から見た図である。

図に示すように、成形用金型４は、力検出器４３ａを介して成形用金型台４４に取り付けられている。力検出器４３ａは、押出成形工程において、成形用金型４にかかる力の方向と大きさを測定する。力検出器４３ａは、成形品１ｃが、成形用金型４の成形品通過穴４Ｈを通過する際に、成形品１ｃと成形品通過穴４Ｈとの間に生じる摩擦もしくは粘着力もしくはそれらの両方により発生する力の方向と大きさを検出する機能を有する装置であれば、その測定原理は限定しない。力検出器４３ａの例として、ロードセル型検出器、ばね型検出器、静電容量変化による検出器等がある。

例えば、成形品１ｃの成形用金型４Ｂ内から押し出される部分のスピードの方が、成形用金型４Ａ内から押し出される部分のスピードより遅い場合、成形用金型４にかかる力は通常運転時より大きくなると同時に、成形用金型４に働く力の向きは、搬送方向Ｂに対してやや下方（図８の紙面下方向）向きとなる。このように、成形用金型４にかかる力の向きの変動から、成形用金型４のどの部分の抵抗が大きくなっているのかを知ることができるので、当該部分の金型の温度だけを上昇させて、成形品１ｃが均一に成形用金型４から押し出されるように調整できる。

力検出器と成形用金型４の位置関係は、図８で示す位置以外でも良い。図９は、力検出器の他の例を示す図である。例えば、図９に示すように、成形用金型台４４ｂと成形用金型４との間に力検出器４３ｂを挟む構成としても良い。このように、成形品１ｃが成形品通過穴４Ｈを通過する際に、成形品１ｃと成形品通過穴４Ｈとの間に生じる摩擦もしくは粘着力もしくはそれらの両方により発生する力の大きさと向きを検出できれば、測定位置は限定しない。

この発明の実施の形態５に係る成形用金型４、押出成形装置、押出成形方法によれば、力検出器４３ａ、４３ｂで測定した力の大きさと向きから、成形品１ｃの不均一な押出状態を検知し、温度調整コントローラ４２Ａ１、４２Ｂ１により配管４１Ａ、４１Ｂ内を通過する液体もしくは気体の温度を変更することにより不具合を解消できる。

尚、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１００ 押出成形装置、１ａ 材料、１ｃ 成形品、２ 押出器、３ 押出用金型、
３Ｈ 中間成形品通過穴、４，４Ａ，４Ｂ，２０４，２０４Ａ，２０４Ｂ 成形用金型、４Ｈ 成形品通過穴、４１Ａ，４１Ｂ 配管、
３２、４２Ａ，４２Ｂ，２４２Ａ，２４２Ｂ 温度調整器、
３２１，４２Ａ１，４２Ｂ１，２４２Ａ１，２４２Ｂ１ 温度調整コントローラ、
４３ａ，４３ｂ 力検出器、４４，４４ｂ 成形用金型台、８１ 冷却器、
８２ 引き取り器、Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３ 断熱材、６ 材料投入器、Ｂ 搬送方向。

Claims (8)

1. 熱で粘度が変化する材料を練り上げた材料を押出成形して成形品を製造するために使用する成形用金型であって、
   前記成形用金型は、前記成形品の搬送方向に複数の金型に分割され、
   複数の前記金型の間に、前記搬送方向に延在する断熱部材を備え、
   少なくとも一個の前記金型は、前記金型の温度を調整する温度調整器を備えた成形用金型。
2. 前記金型は、前記金型の内部に配設された配管を有し、
   前記温度調整器は、前記配管内を通過する液体もしくは気体の温度を調整する第一温度調整器である請求項１に記載の成形用金型。
3. 前記温度調整器は、前記金型の外周面に配設した第二温度調整器である請求項１に記載の成形用金型。
4. 前記金型は、前記金型の内部に配設された配管を有し、
   前記配管内を通過する液体もしくは気体の温度を調整する第一温度調整器と、
   前記金型の外周面に配設した第二温度調整器との二種類の前記温度調整器とを備えた請求項１に記載の成形用金型。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の成形用金型と、
   前記材料を練り上げて前記成形用金型側に押し出す押出器と、
   前記成形用金型によって成形された前記成形品を冷却する冷却器と、
   前記冷却器の下流側に備えられ、前記成形品を冷却して引き取る引き取り器とを備えた押出成形装置。
6. 前記成形用金型の上流側に、前記材料を仮成形して前記成形用金型に送る押出用金型を備え、
   前記押出用金型は、前記押出用金型の温度を調整する第三温度調整器を備えた請求項５に記載の押出成形装置。
7. 前記成形用金型にかかる力の大きさと向きを計測する力検出器を備えた請求項５又は請求項６に記載の押出成形装置。
8. 請求項５から請求項７のいずれか１項に記載の押出成形装置を用いた押出成形方法において、
   前記成形用金型を構成する少なくとも一個の前記金型の温度を他の前記金型の温度と異なる温度に調整する押出成形方法。

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