プロファイル押出とインフレーションフィルム成形

3Dプリンタのノズルは押出ダイであり、それと同じように膨張します。これは作業台の上で行える最も分かりやすい実演です。 ノズルがベッドから離れた状態でホットエンドを印刷温度まで加熱し、空中にゆっくり押し出します。ストランドを受け止め、冷えるのを待ってからマイクロメーターで測定します。 それは**ノズルより太くなります**。0.4 mmのノズルでは、ポリマーや温度によって異なりますが、通常0.45～0.55 mmの自由ストランドになります。PLA、PETG、ABSについてこれを行い、それぞれの膨張率を表にまとめてください。 次に条件を変えて、膨張率の変化を観察します: - **押し出し速度を上げる。** ダイ内でポリマー鎖がより強く引き伸ばされ、その分だけ反発が大きくなるため、膨張は増加します。 - **押し出し温度を上げる。** 鎖が固化する前に緩和する時間を持てるため、膨張は減少します。 次に、この膨張を打ち消します。空中に押し出し、ピンセットでストランドを、出てくる速度より速く引き離します。再び測定すると、ストランドはノズルより細くなっています。これが**ドローダウン**であり、実際のラインでは引き取り装置が制御された速度で同じことを行っています。 この二つの効果は互いに逆向きに働き、それがプロファイル押出制御のすべてです。ステップ4では、この組み合わせに数値を当てはめます。

今度は丸ではなく成形断面を作ります。必要なのは小さなダイです。ストランドが出てくる位置に取り付けた、スリットまたは十字の切れ込みを持つプレートです。 最も安価な実用版は**プリンターノズル用のダイプレート**です。薄い真鍮またはアルミニウムの板に穴をあけ、2 mmのスリットをヤスリで仕上げ、押し出し物が強制的に通過するよう、ノズルの1 mm下にクランプで保持します。粗雑で熱く扱いにくいものですが、重要な2つのポイントを示すことができます。 **ランド。** テーパーの後にある、ダイの平行部分です。ランドが短いと膨張が大きくなり表面が粗くなります。ランドが長いと鎖がダイ内で緩和され、より安定して正確な断面になります。1 mmのランドのプレートと4 mmのランドのプレートを2枚作り、押し出し物を比較してください。 **不均一な流れ。** 片端が広いスリットから押し出します。ダイが開いている部分で溶融体はより速く流れ出るため、プロファイルは出口で遅い側へ曲がります。非対称なプロファイルはすべてこのようになります。実際のダイでは、流れのバランスを取るために意図的に不均一なランド長さを切削し、そのため押出ダイはCADの段階で完成させず、機械上で手作業により調整されます。 実際のラインと同様に押し出し物を冷却します。ダイから数センチメートル離れた浅いトレイの水に通します。冷却が速すぎると、内部がまだ収縮している間に外側が固まり、断面が反ることに注意してください。 溶融ポリマーは200〜260 °C、熱い真鍮プレートと水が近接しています。顔面シールド、手袋、安定したクランプを使用し、落下する高温のストランドを手で追いかけないでください。

インフレーション成形のフィルムは、引き伸ばしを強めた押出しです。溶融樹脂は環状ダイから細い管として出てきて、空気で直径の何倍もの大きさに膨らまされ、同時にニップロールが、押し出された速度の何倍もの速さで管を上方に引き上げます。フィルムは空中で固まり、両方向に同時に引き伸ばされた状態になります。 フィルムを実験台の上で吹き広げることはできませんが、その性質を再現し、それが重要であることを確かめることはできます。これこそが知る価値のある部分です。 レジ袋か包装用フィルムを一枚用意してください。ロール方向に一本、それと直角方向に一本、二本の短冊を切り出します。ロール方向は通常、折り目や印刷から容易に判別できます。 両方とも手で引き裂いてみてください。一方はきれいに、容易に直線状に裂けます。もう一方は抵抗し、まっすぐ裂けません。次に、両方をばね秤で破断するまで引っ張り、そのときの力を記録してください。 この違いが**配向**です。分子鎖は一方向により多く並んでいるため、フィルムはその方向に強く、鎖の間で裂けやすくなります。縦方向にはきれいに裂けるのに横方向には裂けない袋は、吹き広げ比と引き取り比のバランスが取れていなかった袋なのです。 次に、ラップフィルム、または真空成形の段階で使われた材料から切り出したシートで同じ試験を行ってください。これは両方向にずっと均一に振る舞いますが、同時に強度は弱くなります。これが trade-off です。配向は配向させた方向の強度を得る代わりに、もう一方の方向の強度を失わせます。 この結果を覚えておいてください。次の段階では、これをさらに押し進めてボトルを作ります。

**帰属について、正直に述べると。** この段階に対して単一の特許を主張するものではありません。プラスチックのスクリュー押出成形は19世紀を通じてゴム工業から発展し、1930年代までには十分に確立していました。また、本カタログでは金属加工の祖先としての鉛管押出の段階をすでに扱っています。特定のダイ、スクリュー、ダイスウェル補正を扱う出願は数十件ありますが、そのどれもが「決定版の押出特許」ではありません。一つを挙げてしまえば、歴史が持たない整然さを捏造することになります。 **経済的な意味。** 押出成形は、ポリマーを有用な形状に変える最も安価な方法です。工具は連続稼働し、そのコストは個々の部品ではなく長さ方向に分散されるためです。だからこそ、フィルム、袋、パイプ、型材といった世界で最も安価なプラスチック製品は押出成形され、小さな成形部品が、その10倍の重さを持つ1メートルの押出形材よりも高価になることがあるのです。 **配向こそが引き継ぐべき考え方です。** フィルムや繊維ラインでダイの下流にあるものはすべて、ポリマーが固化する間にそれを延伸するためにあります。延伸によって分子鎖が揃い、揃った分子鎖ははるかに強くなるからです。次の段階は、この同じ原理を二方向に意図的に行い、5バールに耐えるボトルを作ることです。 **正直な限界。** 押出成形で作れるのは一定断面の形状だけであり、それ以外はできません。長さ方向の変化は後から加える必要があります。公差は成形よりはるかにゆるく、ライン速度、溶融温度、冷却条件によって変動します。実用的な化合物についてダイスウェルを実用的な精度で計算することはできないため、ダイは切削、試運転、測定、再切削という工程で仕上げられます。ステップ2のベンチ作業は、まさにこのループの小さく正直な版です。さらに、このプロセスは湿った原料に対して容赦がありません。吸湿性ポリマーは乾燥させる必要があります。さもないと水分がダイ内で蒸気に変わり、押出物は発泡し、筋が入ってしまいます。