JP2022063789A - 押出成形機及び成形体の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
また、本発明は、外周部の寸法精度が高い成形体の製造方法を提供することを目的とする。
前記成形部は、周方向に分割された複数の第1ゾーンを含む第1温度調節部材を前記スクリーンと前記口金との間に有し、複数の前記第1ゾーンは個別に温度調整が可能である押出成形機である。
前記成形体の押出方向に直交する断面の温度分布を測定する温度分布測定工程と、
前記成形体を所定の長さに切断する切断工程と、
切断された前記成形体の寸法を計測する寸法計測工程と
を備える成形体の製造方法であって、
前記押出成形機における前記第1温度調節部材の前記第1ゾーンの温度と、前記温度分布測定工程における前記成形体の温度分布及び前記寸法計測工程における前記成形体の寸法との関係を予め求めておき、前記温度分布測定工程において測定された前記成形体の温度分布及び前記寸法計測工程において計測された前記成形体の寸法から前記関係に基づいて前記第1ゾーンの適正温度を算出し、前記成形工程において前記第1ゾーンを前記適正温度に制御する、成形体の製造方法である。
また、本発明によれば、外周部の寸法精度が高い成形体の製造方法を提供することができる。
図1は、本発明の実施形態1に係る押出成形機の概略構成を示す模式図である。
図1に示されるように、本発明の実施形態1に係る押出成形機1は、押出部10と、押出部10に接続された成形部20とを備えている。
押出部10は、成形部20に成形材料を押出すことが可能な構造であれば特に限定されない。
成形部20は、一端に口金21を有し、他端が押出部10の押出口13に接続されるとともに、内部にスクリーン22が配置される。また、成形部20は、第1温度調節部材23をスクリーン22と口金21との間に有する。
図2に示されるように、第1温度調節部材23は、周方向に分割された複数の第1ゾーン23aを含む。複数の第1ゾーン23aは個別に温度調整が可能なように構成されている。そのため、複数の第1ゾーン23aのそれぞれを異なる温度に制御することができる。なお、図2では、一例として、12個の第1ゾーン23aを有する形態を示している。
押出部10は、スクリュー11と、スクリュー11を収容可能なバレル12とを有していれば特に限定されず、当該技術分野において公知のものを用いることができる。
スクリュー11は、スクリュー軸14と、スクリュー軸14に沿って螺旋状に形成された羽根部15とを有することが好ましい。
また、スクリュー11は、成形材料、特にセラミックス成形材料の混練性の観点から、同方向に回転する2軸スクリューであることが好ましく、かみ合い型の2軸スクリューであることがより好ましい。この場合、一対のスクリュー11は、バレル12の内部に平行に併設される。
押出部10の上流側には、押出部10内に成形材料を供給するための材料投入部17が設けられる。材料投入部17から供給された成形材料は、スクリュー11によって混練され、成形部20に供給される。
成形部20は、内部に空間を有するドラム24を含み、一端に口金21を有し、他端が押出部10の押出口13に接続されている。
ドラム24の形状は、特に限定されず、縮径部や拡径部を一部に有していてもよい。例えば、図1に示されるように、ドラム24は、押出口13側に拡径部25を有する。このような構造を有するドラム24は、1つの部材から構成されていてもよいが、複数の部材から構成されていてもよい。複数の部材からドラム24を構成する場合、拡径ドラムとストレートドラムとを組み合わせることによってドラム24を得ることができる。
口金保持部材26aとしては、特に限定されず、当該技術分野において公知のものを用いることができる。
断熱部材としては、特に限定されないが、熱伝導率が0.5W/m・K以下であることが好ましい。このような熱伝導率を有する断熱部材であれば、各第1温度調節部材23の間の断熱効果を十分に確保することができる。なお、断熱部材の熱伝導率は、小さいほど断熱効果が高いため好ましいが、その下限は、入手可能な材料を考慮すると、0.02W/m・Kである。また、本明細書において「熱伝導率」とは、25℃で測定された熱伝導率を意味する。
断熱性樹脂としては、特に限定されず、当該技術分野において公知のものを用いることができる。断熱性樹脂の例としては、ポリアセタール樹脂、ポリアミド樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂などの合成樹脂が挙げられる。
押出部10と成形部20との間には、必要に応じて整流板30が配置される。整流板30は、貫通孔を有し、成形材料の挙動を整える機能を有する。
貫通孔の数、位置及び形状については、特に限定されず、適宜設定することができる。
整流板30の材質は、特に限定されないが、鉄系、ステンレス系の材料などを用いることができる。
具体的には、本発明の実施形態1に係る成形体の製造方法は、押出成形機1を用いて成形材料を押出成形して成形体を得る成形工程と、成形体の押出方向に直交する断面の温度分布を測定する温度分布測定工程と、成形体を所定の長さに切断する切断工程と、切断された成形体の寸法を計測する寸法計測工程とを備える。
成形工程は、押出成形機1を用いて成形材料を押出成形して成形体を得る工程である。この成形工程では、第1温度調節部材23の各第1ゾーン23aの温度が、温度分布測定工程において測定される成形体の温度分布及び寸法計測工程において計測される寸法の結果を基に決定される。具体的には、押出成形機1における第1温度調節部材23の第1ゾーン23aの温度と、温度分布測定工程における成形体の温度分布及び寸法計測工程における成形体の寸法との関係を予め求めておき、温度分布測定工程において測定された成形体の温度分布及び寸法計測工程において計測された成形体の寸法から当該関係に基づいて第1ゾーン23aの適正温度を算出し、成形工程において第1ゾーン23aを当該適正温度に制御する。
当該関係を求めるために用いられる成形体の温度分布としては、特に限定されないが、成形工程で得られる直後の成形体の押出方向に直交する断面の温度分布を用いることが好ましい。この温度分布は、赤外線サーモグラフィカメラ(日本アビオニクス株式会社製Thermo GEAR G120EX)を用いて測定することができる。
また、当該関係を求めるために用いられる成形体の寸法としては、特に限定されないが、押出方向に直交する方向に切断された成形体の切断面の径(例えば、成形体が円柱状である場合は、切断面の半径又は直径)を用いることが好ましく、測定された成形体の切断面の径の実測値から、予め規定された基準成形体の切断面の径の基準値を引いた値(ΔR)を用いることがより好ましい。これらを用いることにより、当該関係の相関性が得られ易くなる。
なお、本明細書において「基準成形体」とは、理想的な(目標とする)寸法を有する成形体のことを意味する。
セラミックス成形材料は、セラミックス原料に加えて、必要に応じて分散媒、有機バインダ、無機バインダ、造孔材、界面活性剤などを含む。これらの成分は、特に限定されず、当該技術分野において公知のものを用いることができる。
温度分布測定工程は、成形体の押出方向に直交する断面の温度分布を測定する。
温度分布測定工程は、成形工程で得られる直後の成形体の押出方向に直交する断面の温度分布を用いることが好ましい。この温度分布は、赤外線サーモグラフィカメラ(日本アビオニクス株式会社製Thermo GEAR G120EX)を用いて測定することができる。
切断工程は、押出成形によって得られた成形体を所定の長さに切断する工程である。
切断方法としては、特に限定されず、当該技術分野において公知の方法を用いることができる。例えば、一対のボビン間に掛けられた線材を用いることによって成形体の切断を行うことができる。
切断される成形体の長さは、特に限定されず、用途に応じて適切な長さに切断すればよい。
また、ハニカム成形体のセル形状(セルが延びる方向に直交する断面におけるセル形状)としては、特に限定されないが、三角形、四角形、六角形、八角形、円形又はこれらの組合せにすることができる。
寸法計測工程は、切断された成形体の寸法を計測する工程である。
切断された成形体の寸法を計測する方法としては、特に限定されず、当該技術分野において公知の方法を用いることができる。例えば、切断された成形体の寸法は、端面検査機やレーザ式外径寸法測定器などを用いて計測することができる。
ただし、寸法計測工程で用いられる計測方法は、第1温度調節部材23の第1ゾーン23aの温度と、切断された成形体の寸法との関係を得るために用いられた成形体の寸法の計測方法と同じであることが好ましい。また、寸法計測工程で計測される切断された成形体の寸法としては、第1温度調節部材23の第1ゾーン23aの温度と、切断された成形体の寸法との関係を得るために用いられた成形体の寸法と同じであることが好ましい。
寸法計測工程で計測される切断された成形体の寸法としては、特に限定されないが、切断された成形体の切断面の径(例えば、成形体が円柱状である場合は、切断面の半径又は直径)を用いることが好ましく、測定された成形体の切断面の径の実測値から、予め規定された基準成形体の切断面の径の基準値を引いた値(ΔR)を用いることがより好ましい。
また、切断された成形体の寸法の計測は、切断された成形体の端面又は側面の全体で行ってもよいが、切断された成形体の端面又は側面の一部で行うことが好ましい。
切断された成形体の端面又は側面の全体で寸法の計測を行う場合、切断された成形体の軸方向(押出成形方向)を鉛直方向にあわせて行う必要があることから、切断された成形体を90°回転させて寸法の計測を行わなければならず、計測に時間がかかってしまう。そのため、切断された成形体の軸方向(押出成形方向)を水平方向のままとし、上方から切断された成形体の端面又は側面の一部(例えば、上半分)で寸法の計測を行うことが好ましい。このような計測を行うことにより、計測の時間を短縮化することができる。この場合、基準となる形状との誤差が最小となるように、計測された形状の中心位置を補正する処理を行うことが好ましい。
切断された成形体の側面で寸法を計測する場合、レーザ式外径寸法測定器を構成するレーザ変位計から切断された成形体の側面にレーザを照射する。レーザ変位計から発振されたレーザは、切断された成形体の側面に到達して跳ね返る。この跳ね返ったレーザを受光素子で検出し、三角測距法の原理に基づいて切断された成形体の寸法を算出すればよい。
本発明の実施形態2に係る押出成形機は、口金保持部材が温度調節機能を有していることを除けば本発明の実施形態1に係る押出成形機1と同一である。よって、ここでは、この押出成形機1と共通する構成については説明を省略し、異なる構成のみについて説明する。
図3に示されるように、本発明の実施形態2に係る押出成形機2は、口金21を保持し且つ温度調節が可能な口金保持部材26bを有する。
本発明の実施形態1に係る押出成形機1では、第1温度調節部材23の複数の第1ゾーン23aを個別に温度制御することにより、成形材料の流速を場所に応じて制御し、外周部の寸法精度を高めている。しかしながら、第1温度調節部材23のみでは、成形体の外周部の寸法精度を十分に高めることができない場合がある。
そこで、本発明の実施形態2に係る押出成形機2では、第1温度調節部材23の下流に位置する口金保持部材26bにおいても温度制御を行うことで、成形体の外周部の寸法精度を安定して向上させることが可能となる。
また、口金保持部材26bの第2ゾーンの数は、第1温度調節部材23の第1ゾーン23aの数と同一であっても異なっていてもよいが、同一であることが好ましい。
具体的には、本発明の実施形態2に係る成形体の製造方法では、成形工程において、第1温度調節部材23の各第1ゾーン23a及び口金保持部材26bの各第2ゾーンの温度が、温度分布測定工程において測定される成形体の温度分布及び寸法計測工程において計測される寸法の結果を基に決定される。具体的には、押出成形機2における第1温度調節部材23の第1ゾーン23a及び口金保持部材26bの第2ゾーンの温度と、温度分布測定工程における成形体の温度分布及び寸法計測工程における成形体の寸法との関係を予め求めておき、温度分布測定工程において測定された成形体の温度分布及び寸法計測工程において計測された成形体の寸法から当該関係に基づいて第1ゾーン23a及び第2ゾーンの適正温度を算出し、成形工程において第1ゾーン23a及び第2ゾーンを当該適正温度に制御する。
本発明の実施形態3に係る押出成形機は、成形部20の拡径部25に第2温度調節部材が配置されることを除けば本発明の実施形態1に係る押出成形機1と同一である。よって、ここでは、この押出成形機1と共通する構成については説明を省略し、異なる構成のみについて説明する。
図4に示されるように、本発明の実施形態3に係る押出成形機3は、成形部20の他端とスクリーン22との間に拡径部25を有し、拡径部25に第2温度調節部材27が配置される。
本発明の実施形態1に係る押出成形機1では、第1温度調節部材23の複数の第1ゾーン23aを個別に温度制御することにより、成形材料の流速を場所に応じて制御し、外周部の寸法精度を高めている。しかしながら、第1温度調節部材23に到達する前の成形材料の温度分布の状態によっては、第1温度調節部材23のみでは所定の温度に制御できず、成形体の外周部の寸法精度を十分に高めることができない場合がある。
そこで、本発明の実施形態3に係る押出成形機3では、第1温度調節部材23の上流に位置する拡径部25の第2温度調節部材27によって予め温度制御を行うことで、第1温度調節部材23における温度制御を安定化させ、成形体の寸法精度を安定して向上させることが可能となる。
また、第2温度調節部材27の第3ゾーンの数は、第1温度調節部材23の第1ゾーン23aの数と同一であっても異なっていてもよいが、同一であることが好ましい。
具体的には、本発明の実施形態3に係る成形体の製造方法では、成形工程において、第1温度調節部材23の各第1ゾーン23a及び第2温度調節部材27の各第3ゾーンの温度が、温度分布測定工程において測定される成形体の温度分布及び寸法計測工程において計測される寸法の結果を基に決定される。具体的には、押出成形機3における第1温度調節部材23の第1ゾーン23a及び第2温度調節部材27の第3ゾーンの温度と、温度分布測定工程における成形体の温度分布及び寸法計測工程における成形体の寸法との関係を予め求めておき、温度分布測定工程において測定された成形体の温度分布及び寸法計測工程において計測された成形体の寸法から当該関係に基づいて第1ゾーン23a及び第3ゾーンの適正温度を算出し、成形工程において第1ゾーン23a及び第3ゾーンを当該適正温度に制御する。
この場合、本発明の実施形態3に係る成形体の製造方法では、成形工程において、第1温度調節部材23の各第1ゾーン23a、口金保持部材26bの各第2ゾーンの温度及び第2温度調節部材27の各第3ゾーンの温度が、温度分布測定工程において測定される成形体の温度分布及び寸法計測工程において計測される寸法の結果を基に決定される。具体的には、押出成形機における第1温度調節部材23の第1ゾーン23a、口金保持部材26bの第2ゾーンの温度及び第2温度調節部材27の第3ゾーンの温度と、温度分布測定工程における成形体の温度分布及び寸法計測工程における成形体の寸法との関係を予め求めておき、温度分布測定工程において測定された成形体の温度分布及び寸法計測工程において計測された成形体の寸法から当該関係に基づいて第1ゾーン23a、第2ゾーン及び第3ゾーンの適正温度を算出し、成形工程において第1ゾーン23a、第2ゾーン及び第3ゾーンを当該適正温度に制御する。
図1に示される押出成形機を作製した。第1温度調節部材には、図5に示されるような周方向に分割された12個の第1ゾーンを形成し、各第1ゾーンに加熱素子を設けることによって個別に温度制御を可能とした。なお、図5において、X及びZ方向は、押出方向に直交する方向であり、特にZ方向は鉛直方向である。また、押出方向に直交する断面が、短径150mm、長径200mmの楕円状となるセラミックスハニカム成形体を成形可能な口金を成形部の一端に設けた。
次に、この押出成形機において、第1温度調節部材の第1ゾーンのNo.2~5及び8~11を30℃、No.1、6~7及び12を35℃にそれぞれ設定した。そして、セラミックス原料としてコージェライトを含むセラミックス成形材料を用い、成形材料の供給量を300kg/h、スクリュー11の回転数を55rpmとして、セラミックスハニカム成形体の押出成形を行い、下記の評価を行った。
図3に示される押出成形機を作製した。第1温度調節部材及び口金は、実施例1-1と同様の構造のものを用いた。また、口金保持部材には、第1温度調節部材の第1ゾーンと同様の周方向に分割された12個の第2ゾーンを形成し、各第2ゾーンに加熱素子を設けることによって個別に温度制御を可能とした。
次に、この押出成形機において、第1温度調節部材の第1ゾーン及び口金保持部材の第2ゾーンの各温度は、第1温度調節部材の第1ゾーンと同じに設定し、実施例1-1と同様の条件でセラミックスハニカム成形体の押出成形を行い、下記の評価を行った。
第1温度調節部材を備えていない押出成形機を用い、実施例1-1と同様の条件でセラミックスハニカム成形体の押出成形を行い、下記の評価を行った。
口金から排出されたセラミックスハニカム成形体を所定の長さに切断し、その切断面(端面)の形状について端面検査機(株式会社キーエンス製LJ-V7300)を用いて測定した。具体的には、端面検査機を構成する撮像カメラでセラミックスハニカム成形体の端面画像を撮像した後、この端面画像を画像解析してセラミックスハニカム成形体の輪郭(断面形状)を得た。また、得られた断面形状について半径を測定し、基準半径からのずれ(差)を1°ごとに算出し、当該ずれの最大値を最大偏差として求めた。ここで、「基準半径」とは、基準となる所望の断面形状を有するセラミックスハニカム成形体の半径のことをいう。
口金から排出された直後のセラミックスハニカム成形体の押出方向に直交する断面の温度分布を赤外線サーモグラフィカメラ(日本アビオニクス株式会社製Thermo GEAR G120EX)を用いて測定した。
上記の各評価結果を表1に示す。なお、表1の断面形状において、点線は基準となる所望の断面形状を有するセラミックスハニカム成形体の断面形状を表し、実線は作製されたセラミックスハニカム成形体の断面形状を表す。
図1に示される押出成形機を作製した。第1温度調節部材には、図5に示されるような周方向に分割された12個の第1ゾーンを形成し、各第1ゾーンに加熱素子を設けることによって個別に温度制御を可能とした。また、押出方向に直交する断面が、短径170mm、長径220mmの角丸長方形となるセラミックスハニカム成形体を成形可能な口金を成形部の一端に設けた。
次に、この押出成形機において、第1温度調節部材の第1ゾーンのNo.3、4、9及び10を30℃、No.1、2、5~8、11及び12を35℃にそれぞれ設定した。そして、セラミックス原料としてコージェライトを含むセラミックス成形材料を用い、成形材料の供給量を300kg/h、スクリュー11の回転数を55rpmとして、セラミックスハニカム成形体の押出成形を行い、評価を行った。
第1温度調節部材を備えていない押出成形機を用い、実施例2と同様の条件でセラミックスハニカム成形体の押出成形を行い、評価を行った。
各評価結果を表2に示す。
図1に示される押出成形機を作製した。第1温度調節部材には、図5に示されるような周方向に分割された12個の第1ゾーンを形成し、各第1ゾーンに加熱素子を設けることによって個別に温度制御を可能とした。また、押出方向に直交する断面が、短径150mm、長径200mmの左寄りの楕円状となるセラミックスハニカム成形体を成形可能な口金を成形部の一端に設けた。
次に、この押出成形機において、第1温度調節部材の第1ゾーンのNo.1及び12を35℃、No.2~11を温度制御なしに設定した。そして、セラミックス原料としてコージェライトを含むセラミックス成形材料を用い、成形材料の供給量を300kg/h、スクリュー11の回転数を55rpmとして、セラミックスハニカム成形体の押出成形を行い、評価を行った。
第1温度調節部材を備えていない押出成形機を用い、実施例3と同様の条件でセラミックスハニカム成形体の押出成形を行い、評価を行った。
各評価結果を表3に示す。
10 押出部
11 スクリュー
12 バレル
13 押出口
14 スクリュー軸
15 羽根部
16 駆動装置
17 材料投入部
20 成形部
21 口金
22 スクリーン
23 第1温度調節部材
23a 第1ゾーン
24 ドラム
25 拡径部
26a,26b 口金保持部材
27 第2温度調節部材
Claims (13)
- 一端に口金を有し、他端が押出部の押出口に接続されるとともに、内部にスクリーンが配置される成形部を備える押出成形機であって、
前記成形部は、周方向に分割された複数の第1ゾーンを含む第1温度調節部材を前記スクリーンと前記口金との間に有し、複数の前記第1ゾーンは個別に温度調整が可能である押出成形機。 - 前記成形部は、前記スクリーンと前記口金との間に前記第1温度調節部材を2つ以上有し、2つ以上の前記第1温度調節部材の間に断熱部材が配置されている、請求項1に記載の押出成形機。
- 前記第1ゾーンの数が4~24個である、請求項1又は2に記載の押出成形機。
- 前記成形部は、前記口金を保持し且つ温度調節が可能な口金保持部材を更に有する、請求項1~3のいずれか一項に記載の押出成形機。
- 前記口金保持部材は、周方向に分割された複数の第2ゾーンを含み、複数の前記第2ゾーンは個別に温度調整が可能である、請求項4に記載の押出成形機。
- 前記第2ゾーンの数が4~24個である、請求項5に記載の押出成形機。
- 前記成形部は、前記他端と前記スクリーンとの間に拡径部を有し、前記拡径部に第2温度調節部材が配置される、請求項1~6のいずれか一項に記載の押出成形機。
- 前記第2温度調節部材は、周方向に分割された複数の第3ゾーンを含み、複数の前記第3ゾーンは個別に温度調整が可能である、請求項7に記載の押出成形機。
- 前記第3ゾーンの数が4~24個である、請求項8に記載の押出成形機。
- セラミックス成形体の製造に用いられる、請求項1~9のいずれか一項に記載の押出成形機。
- 請求項1~10のいずれか一項に記載の押出成形機を用いて成形材料を押出成形して成形体を得る成形工程と、
前記成形体の押出方向に直交する断面の温度分布を測定する温度分布測定工程と、
前記成形体を所定の長さに切断する切断工程と、
切断された前記成形体の寸法を計測する寸法計測工程と
を備える成形体の製造方法であって、
前記押出成形機における前記第1温度調節部材の前記第1ゾーンの温度と、前記温度分布測定工程における前記成形体の温度分布及び前記寸法計測工程における前記成形体の寸法との関係を予め求めておき、前記温度分布測定工程において測定された前記成形体の温度分布及び前記寸法計測工程において計測された前記成形体の寸法から前記関係に基づいて前記第1ゾーンの適正温度を算出し、前記成形工程において前記第1ゾーンを前記適正温度に制御する、成形体の製造方法。 - 前記押出成形機における前記第1温度調節部材の前記第1ゾーン及び前記口金保持部材の前記第2ゾーンの温度と、前記温度分布測定工程における前記成形体の温度分布及び前記寸法計測工程における前記成形体の寸法との関係を予め求めておき、前記温度分布測定工程において測定された前記成形体の温度分布及び前記寸法計測工程において計測された前記成形体の寸法から前記関係に基づいて前記第1ゾーン及び前記第2ゾーンの適正温度を算出し、前記成形工程において前記第1ゾーン及び前記第2ゾーンを前記適正温度に制御する、請求項11に記載の成形体の製造方法。
- 前記押出成形機における前記第1温度調節部材の前記第1ゾーン、前記口金保持部材の前記第2ゾーン及び前記第2温度調節部材の前記第3ゾーンの温度と、前記温度分布測定工程における前記成形体の温度分布及び前記寸法計測工程における前記成形体の寸法との関係を予め求めておき、前記温度分布測定工程において測定された前記成形体の温度分布及び前記寸法計測工程において計測された前記成形体の寸法から前記関係に基づいて前記第1ゾーン、前記第2ゾーン及び前記第3ゾーンの適正温度を算出し、前記成形工程において前記第1ゾーン、前記第2ゾーン及び前記第3ゾーンを前記適正温度に制御する、請求項11又は12に記載の成形体の製造方法。
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