ペレット押出機：ダイレクトペレット・添加剤混合の基礎知識

ペレットプリントは、融解粒状造形（FGF：Fused Granulate Fabrication）とも呼ばれ、主に射出成形に関連付けられますが、プロフェッショナル・産業環境下ではFDM 3Dプリンティングでも広く使用されています。選択した基材ポリマーと添加剤をペレット形態で用い、カスタム配合を作成可能です。FGFは大型造形と試作、フィラメント自体の製造に最適な手法です。ペレットホッパーとペレット押出機（大流量Dyze Pulsarペレット押出機など）を搭載した3Dプリンターが必要で、ほとんどの大型3Dプリンターやロボットアームに搭載可能です。

ペレットによる3Dプリントには多くの利点があります。フィラメント3Dプリントと比較して製造コストが大幅に低い（60〜90%削減）です。ペレットはフィラメントより広く入手可能で加工度が低いため、製造コストと時間を削減できます。さらに、FGFではリサイクル材料の使用が可能で、建設工事など大型造形にも適しています。大規模AM装置に組み込まれたペレット押出機の好例が、CEAD Flexbot Systemの一部を構成するペレット押出機ロボットです。

画像1：CEAD AM Flexbotによる大型ペレット3Dプリント。出典：CEAD。

プラスチックコンパウンディング

プラスチック業界で一般的なプラスチックコンパウンディングは、溶融ポリマーに様々な添加剤を混合し、熱機械的特性を改善・向上させる手法です。混合物は押出ストランドに成形され、冷却され、ペレタイザーでチョップされてペレットになります。プラスチックコンパウンディングは、3Dプリント材料の特性向上に最適な方法です。

画像2：PETGマスターバッチ混合サンプル。出典：Dyze Design。

カラーマスターバッチでポリマーの色を変更したり、添加剤マスターバッチで熱機械的性能（プリント性向上、流動性向上、剛性向上）を改善したり、特殊な機能を付与したりします。ペレット混合で実現可能な特性には：

• 強度と柔軟性：炭素繊維やガラス繊維を混合し、熱機械的特性を向上。
• 耐UV性：UV保護化合物を添加し、プラスチック劣化を遅延。
• 食品安全性添加剤：食品接触用プラスチックの安全性を確保。
• 抗菌機能：プラスチック表面の細菌増殖を抑制するブレンド。医療分野で極めて重要。
• 難燃性：発火や延焼を防ぐ物質でポリマーを強化。自動車・航空宇宙産業で有用。
• 磁気検出性：磁気検出可能ペレットを混合し、磁気検出可能フィラメントを実現。
• ESD保護：ESD対策ペレットをポリマーベースに混合し、ESD対策材料を実現。
• 色：プラスチックコンパウンディングで実質的に無限の色混合が可能。

コンパウンディングは、コニーダー、二軸スクリュー（同方向・逆方向回転）、内部ミキサーなどの専門装置を用いて専門企業が行い、ポリマーと添加剤の適切なブレンドを確保します。このプロセスの結果は、ペレット押出機搭載3Dプリンターで即使用可能なペレットです。

ペレット混合

ペレットの混合は、前述の混合スクリューで行われます。混合スクリューには3つの異なるゾーンがあり、それぞれ混合プロセスで役割を果たします：

1. 供給ゾーン：ペレットを押出機内へ搬送。
2. 移行（圧縮）ゾーン：ペレット混合物から空気を除去しながら加熱・溶融。
3. 計量ゾーン：圧力を高め、出力流量を安定化。

上記モデルのバリエーションとして、計量部を変更したスクリュー（マドックスクリューなど）があり、溶融物の混合と均質化をさらに改善します。

画像3：混合スクリューのタイプ、（1）供給、（2）移行、（3）ベント、（4）計量セクション。出典：Dyze Design。

スクリュー計量部の追加混合セクションには欠点（トルク要件増大、追加せん断動作による発熱）があり、スクリュー性能や出力に影響を与える可能性があります。

プラスチックペレット混合に最適なスクリューは二軸スクリューです。プラスチックコンパウンディングで最も一般的なソリューションです。例として、閉鎖バレル内で2本の噛み合うスクリューが同方向回転し、溶融物の適切な混合と均質な出力を確保します。

動画1：二軸押出システムによるコンパウンディングシミュレーション。出典：EnginSoftSpa。

二軸押出機の単軸押出機に対する利点は、2本のスクリューを持つ押出システムでは、材料の流動特性に依存せず良好な材料流動が得られることです。2本のスクリューがポンピング効率を向上させるためです。さらに、二軸押出システムでは、バレルから材料への熱伝達が単軸システムより均一で高速です。

混合セクションを持たないスクリューもあり、スクリューの重量と長さを削減しています。混合セクションを持たないペレット押出機の例がDyze Pulsarペレット押出機です。Pulsarはノズル近くに特別なアンチウージング機構を備え、溶融物に混合経路と固定分離を直前に追加することで混合を大幅に改善します。アンチウージング機構に加え、Pulsarはスクリュー自体に良好なせん断性能を持っています。

動画2：Dyze Pulsarペレット押出機の動作。出典：Dyze Design。

これら2つの特徴が組み合わさり、スクリューの混合ステージ不在を補い、ポリマー混合物の適切な均質化を保証します。実験では、Dyze Pulsarペレット押出機、PETGペレットマスターバッチ、1.6%のカラーペレットを使用し、優れた色一貫性と材料均質性で満足のいく結果が得られました。

画像4：Dyze Pulsarペレット押出機、PETGペレットマスターバッチ、1.6%カラーペレットによる実験。出典：Dyze Design。

ペレット混合によるプラスチックコンパウンディングは、中・大規模メーカーが生産時間とコストを削減できるだけでなく、ベースとなるプラスチックペレットにカラーや添加剤マスターバッチを添加して特殊ペレットやフィラメントを作成できるため、特定用途向けのポリマー混合により多くの制御権を持たせる技術です。

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