押出プロセスの理解：用途、材料、技術

押出プロセスとは

押出プロセスは、現代の生産現場で最も一般的なプロセスの一つです。金属、プラスチック、セラミックなど多様な材料を使用します。より良い特性が求められる場合、ホットまたはコールドで実施可能です。金属の押出プロセスでは材料の強度を向上させることができます。

本記事では、押出プロセスの定義、用途、機能、プロセス、材料、設備、種類、作動原理について解説します。また、押出プロセスの利点と欠点についても説明します。

押出プロセスの定義

押出とは、ベース材料を予め形状が決められたダイスを通して押し出し、特定の形状とプロファイルを持つ物体を作る製造成形プロセスです。このプロセスは、固定断面プロファイルを持つ物体の作成に使用されます。作動時、材料は所望の断面形状を持つダイスを通して押し出され、その形状がダイスの形状を反映して変化します。押出製品は一般的に「押出材（エクストルーデート）」と呼ばれます。

押出比は、初期断面積を最終押出断面積で割ったものと定義されます。押出プロセスの利点の一つは、この比を非常に大きくしても高品質な部品を生産できることです。このプロセスは非常に複雑な断面形状の作成が可能で、脆性材料の加工にも適しています。これは材料が圧縮応力とせん断応力のみを受けるためです。押出プロセスは部品に優れた表面仕上げを与え、設計プロセスにおいて相当な自由度を提供します。

押出プロセスは、材料の引張強度を利用してダイスを通して引き抜く引抜き（ドローイング）と似ています。引抜きプロセスはワイヤー、金属棒、チューブの製造に使用されます。しかし、よりシンプルな形状に限定され、通常複数段階が必要ですが、押出は全工程を一歩で行えます。

押出は連続的（理論上無限に長い材料を生産）または半連続的（多数のピースを生産）です。押出プロセスで使用される一般的材料には、金属、ポリマー、セラミック、コンクリート、粘土、食品があります。

押出プロセスの用途

押出の用途は私たちの身近にあり、家庭、オフィス、職場で使用されるほとんどの材料は押出材です。歯磨き粉を絞り出したときにペーストが形成する形状は、押出成形の良い例です。絞り袋でアイシングを押し出すのも良い例です。

プラスチックの押出成形は、一定の断面を持つあらゆる長尺形状の製造に使用されます。このプロセスでパイプ、雨樋、窓枠、装飾トリムなどを製造できます。PVC（ポリ塩化ビニル）、LDPE（低密度ポリエチレン）、HDPE（高密度ポリエチレン）、PP（ポリプロピレン）などの熱可塑性材料は全て押出可能です。以下に熱可塑性押出材の一般的用途を示します：

• 電線・ケーブルの絶縁被覆
• 看板、ガラス、冷蔵庫内装用の平らなプラスチックシート
• 照明用途
• ロープ、ブラシ、合成繊維用のモノフィラメント
• ホース、水道、ガス、下水、排水用のパイプとチューブ

押出プロセスの産業用途には：

• チューブと中空パイプの製造
• アルミニウム押出材は多くの産業で構造用として使用
• 自動車部品はこのプロセスで広く製造

注：押出の主な機能は、固定断面とプロファイルを持つ物体の製造です。

押出プロセスの手順

ホットまたはウォーム押出プロセスは、材料を加熱することから始まり、その後プレスの容器に装填されます。ダミーブロックがその後ろに置かれ、ラムが材料を押してダイスから押し出します。押出材はその後伸ばされて真直にされます。特定またはより良い特性が要求される場合、コールドワークや熱処理が施されます。

ホット押出プロセス

これは熱間加工プロセスで、材料の再結晶温度以上で行われます。これにより材料の加工硬化を防ぎ、ダイスを通して材料を押し出しやすくします。ホット押出プロセスは主に水平油圧プレスで行われ、230〜11,000メトリックトン（250〜12,130ショートトン）の範囲です。圧力範囲は30〜700 MPa（4,400〜101,500 psi）です。したがって潤滑が必要で、低温押出ではオイルやグラファイト、高温押出ではガラス粉末が使用されます。

金属材料によってホット押出で異なる温度が必要です。マグネシウム、アルミニウム、銅、鋼、チタン、ニッケル、難融合金など、これら全てがホット押出プロセスで異なる温度を必要とします。

コールド押出プロセス

コールド押出プロセスは室温またはそれに近い温度で行われます。ホットプロセスに対する利点には、酸化のないこと、加工硬化による高強度、より厳しい公差、より良い表面仕上げ、高速押出速度があります。コールド押出プロセスで一般的に使用される材料には、鉛、スズ、アルミニウム、銅、ジルコニウム、チタン、モリブデン、ベリリウム、バナジウム、ニオブ、鋼があります。コールド押出プロセスの用途には、チューブ容器、消火器ケース、ショックアブソーバーシリンダー、ギヤブランクがあります。

ウォーム押出プロセス

ウォーム押出プロセスは鉄系・非鉄系金属と合金の両方に有益です。室温以上、しかし材料の再結晶温度以下で行われます。温度範囲は800〜1800°F（424〜975°C）です。このプロセスは通常、必要な力、延性、最終押出特性の適切なバランスを達成するために使用されます。

摩擦押出

このプロセスは、金属マトリックス複合材料における均質な微細構造と粒子分布の生産を意図して導入されました。このプロセスは、材料（チャージ）が押出ダイスに対して回転する点で従来の押出とは大きく異なります。押出力がチャージをダイスに押し付けます。ダイスまたはチャージのいずれか、または両方が回転し、場合によっては逆回転します。このチャージとダイス間の相対回転運動にはいくつかの重要な効果があります：

• 回転面での相対運動による大きなせん断応力
• ダイスと接触またはその近くのチャージ層での塑性変形
• 塑性変形が回復と再結晶化プロセスによって散逸し、変形チャージの大幅な加熱をもたらす
• 補助手段によるチャージの予熱を必要とせず、潜在的によりエネルギー効率の良いプロセスとなる

次に、

• 相対回転運動領域での大幅な塑性変形は、粉末の固相溶接を促進し、フレークやチップなどの他の微細前駆体を効果的に凝集させ、押出前のチャージを固着（摩擦凝集）させる

マイクロ押出プロセス

このプロセスはサブミリメートル範囲で実行される微細成形押出プロセスです。従来は金属をダイスオリフィスを通して押し出しますが、結果として得られる製品の断面は1mm四方を通過できる大きさです。前進押出ではラムとビレットが同方向に動き、後退押出では逆方向に動きます。

押出プロセスで使用される材料

前述の通り、押出材料には金属、木材、プラスチック、セラミックがあります。以下にそれらを説明します。

金属

金属は押出プロセスで最も一般的な材料の一つです。金属の種類によって作業温度と要求される特性が決まります。以下に押出プロセスで使用されるさまざまな金属の種類を示します。

アルミニウム - 最も一般的に押出される材料で、操作方法によりホットまたはコールド押出が可能です。300〜600°C（575〜1100°F）に加熱されます。アルミニウムの押出製品には、トラック、フレーム、レール、マリオン、ヒートシンク用プロファイルがあります。

真鍮 - エンジニアリング部品、自動車部品、管継手、耐食性ロッドの押出によく使用されます。

銅 - パイプ、ワイヤー、ロッド、バー、チューブ、溶接電極の押出に使用されます。作業温度は600〜1000°C（1100〜1825°F）です。

鉛とスズ - パイプ、チューブ、ワイヤー、ケーブルシースの押出に使用され、最大温度は300°C（575°F）です。溶融鉛は垂直押出プロセスでビレットの代わりに使用されることもあります。

マグネシウム - 原子力産業部品と航空機部品の押出に広く使用され、作業温度は300〜600°C（575〜1100°F）です。この材料の押出レベルはアルミニウムとほぼ同等です。

亜鉛 - 継手、手すり、ハードウェア部品、チューブ、バー、ロッドなどに広く使用され、温度は200〜350°C（400〜650°F）です。

鋼 - ロッドとトラックに使用され、1000〜1300°C（1825〜2375°F）です。合金鋼とステンレス鋼も押出可能ですが、通常は普通炭素鋼が押出されます。

チタン - シートトラック、エンジンリング、その他構造部品など航空機部品に使用されます。作業温度は600〜1000°C（1100〜1825°F）です。

プラスチック

プラスチックは押出で使用されるもう一つの一般的材料です。一般的にプラスチックチップやペレットとして使用され、通常は水分を除去するために乾燥されます。押出装置では、材料がホッパーを通して供給され、加熱要素と押出スクリューからのせん断加熱の組み合わせによって溶融状態に加熱されます。スクリュー（ツインスクリュー押出の場合は複数）が樹脂をダイスを通して押し出し、樹脂に所望の形状を与えます。

押出材は、ダイスまたは水槽を通して引き抜かれる際に冷却・固化されます。押出材の全体的品質を向上させるため、キャタピラホールオフが押出ラインにテンションを与えるために使用されます。ペレタイザーも引き抜きテンションを作れますが、キャタピラホールオフは一貫した引き抜きを提供します。そうでないと、カット長の振動や製品の歪みが発生します。

プラスチック押出プロセスの図：

プラスチック押出プロセスの動画：

セラミック

セラミックも押出によって形状形成可能な材料です。多くの現代レンガもレンガ押出プロセスで製造されています。

押出設備

押出設備は以下の4つの特性によって様々なバリエーションがあります：

• ラムに対する押出材の動き（直接押出または間接押出）。直接押出はダイスが固定されラムがそれに向かって動く場合。間接押出はラムが固定されダイスがラムに向かって動く場合。詳細は後述。
• プレスの位置（垂直または水平）
• 駆動タイプ（油圧または機械）
• 適用荷重のタイプ（従来型（可変）または静水圧）

押出設備では、単一またはツインスクリューオーガーが電動モーターで駆動されるか、油圧、油圧で駆動されるラムが使用されます。最新の直接または間接押出プレスの多くは油圧駆動ですが、小型機械プレスもまだ一部で採用されています。これらの油圧プレスは2種類あります：ダイレクトドライブオイルプレスとアキュムレータウォータードライブです。

押出設備の図：

ダイレクトドライブオイルプレスは最も一般的なタイプの一つで、信頼性が高く堅牢です。35 MPa（5000 psi）以上を供給可能です。システム内のビレットは一定圧力を受けます。しかし、この押出設備は遅く、50〜200 mm/s（2〜8 ips）です。

アキュムレータウォータードライブは、ダイレクトドライブオイルプレスと比較してより高価で大型です。ストローク中に約10%の圧力損失がありますが、最大約380 mm/s（15 ips）というはるかに高速で動作します。これが鋼の押出に使用される理由です。アキュムレータウォータードライブは、安全上の理由から非常に高温を必要とする材料にも使用できます。

押出プロセスの種類

さまざまな種類の押出プロセスは以下によって分類できます：

材料の流れ方向による分類

直接押出

これらの押出プロセスでは、材料がパンチの送り方向に流れます。パンチはプロセス中にダイスに向かって動きます。直接押出はビレットと容器間の摩擦が大きいため、より高い力を必要とします。直接押出は前進押出とも呼ばれ、産業界で非常に一般的です。作動時、ビレットは厚肉容器に配置され、ラムまたはスクリューによってダイスを通して押し出されます。ラムとビレットの間の再利用可能なダミーブロックがそれらを分離した状態に保ちます。

このプロセスの主な制限は、ビレットを押出するために必要な力が大きいことです。これはビレットが容器の全長を移動する必要があることによって生じる摩擦力によるものです。プロセス開始時に最大の力が必要で、ビレットが消費されるにつれて徐々に減少します。ビレットの終わりに近づくと、ビレットが薄くなり材料が放射状に流れてダイスから出るため、力が大幅に増加します。

間接押出

間接押出プロセスでは、作業材料がプランジャーの動きと反対方向に流れます。ダイスはパンチの動きの反対側に取り付けられます。材料はパンチと容器の間の環状空間を通って流れます。これは後退押出として知られます。プロセスでは、ビレットと容器が一緒に動きながらダイスは固定されます。容器長より長い「ステム」がダイスを保持します。押出の最大長は最終的にステムの柱強度によって決まります。ビレットが容器と共に動くことで、摩擦力が排除されます。

間接押出の利点：

• 摩擦が25〜30%削減され、より大きなビレットの押出が可能、速度向上、より小さな断面の押出が可能
• 摩擦による発熱がないため、押出材のクラック傾向が低い
• 容器ライナーの摩耗が少なく長寿命
• ビレットがより均一に使用され、欠陥と粗大粒が減少

間接押出の欠点：

• ビレット表面の欠陥と不純物が押出材の表面に影響
• 限定された断面積のため、直接押出ほど汎用性が高くない

静水圧押出

これらの押出タイプは流体を使用してビレットに圧力を加えます。ビレットがシリンダー壁やプランジャーと接触しないため、摩擦が排除されます。ビレットとプランジャーの間に流体があり、プランジャーが流体に力を加え、それがさらにビレットに加わります。植物油が通常、静水圧押出の流体として使用されます。このプロセスの一つの効果は、漏れの問題と押出速度の制御不能です。このプロセスはホット、ウォーム、コールドで実行可能ですが、温度は使用流体の安定性によって制限されます。静水圧媒体を含む密閉シリンダーを使用して実施する必要があります。

流体は2通りで加圧できます：第一に、定速押出（ラムまたはプランジャーで容器内の流体を加圧）。第二に、定圧押出（ポンプを使用、圧力増幅器を併用可能、流体を加圧して容器に送る）。

静水圧押出の利点：

• 容器とビレット間の摩擦がないため必要力が低減
• より高速、より高い押出比、より低いビレット温度
• 高圧印加により材料の延性が向上
• 容器壁にビレット残渣が残らない
• 大きなビレットと大きな断面の両方を押出可能

静水圧押出の欠点：

• ビレットの一端をテーパー加工してダイス進入角に合わせる必要がある（円の始まりにシールを形成）
• ビレット全体を機械加工して表面欠陥を除去する必要がある
• 高圧下での流体確保が困難
• 押出流体の突然の放出を防ぐため、ビレット残渣やより強靭な材料のプラグを押出末端に残す必要がある

作業温度による分類

ホット押出：

前述の通り、ホット押出プロセスは材料の再結晶温度以上で実行されます。通常、融点の50〜60%以上です。これらの押出タイプでは必要力が低く、加工が容易で、製品はひずみ硬化から自由です。ただし、高いメンテナンスが必要です。

コールド押出：

コールド押出は室温または材料の結晶化温度以下で行われます。高い機械的特性、高い表面仕上げ、金属表面の酸化なしを提供します。しかし、高い力が必要で、製品はひずみ硬化を伴います。

押出の作動原理

押出の作動は容易で理解しやすいです。さまざまな押出プロセスの種類についての説明により、押出プロセスのさまざまなバリエーションに触れています。従来の方法では、ピストンまたはプランジャーを使用してワークピースに圧縮力を加えます。ホット押出ではビレットを加熱し、コールド押出では室温に保ちます。その後押出プレスに配置され、これはピストンシリンダーデバイスのようなもので、金属がシリンダーに配置されピストンによって押されます。シリンダーの上部にはダイスが取り付けられています。

プレスに取り付けられたこのプランジャーが、所望の物体の形状を持つダイスに向かってビレットを押します。加えられた高い圧縮力により、作業材料がダイスを通って流れ、形状に変換されます。部品はプレスから取り出され、作業完了です。

押出プロセスの作動動画：

押出の利点と欠点

利点：

押出プロセスのさまざまな用途における利点：

• コールド押出で高い機械的特性を達成可能
• 複雑な断面形状を容易に作成可能
• 脆性材料と延性材料の両方に対応
• 高い押出比

欠点：

押出プロセスの優れた利点がある一方で、いくつかの制約も存在します：

• 高い初期/セットアップコスト
• 高い圧縮力が必要

結論

押出プロセスは、現代の生産現場で最も一般的なプロセスの一つです。金属、プラスチック、セラミックなど多様な材料を使用します。より良い特性が求められる場合、ホットまたはコールドで実施可能です。ベース材料を予め形状が決められたダイスを通して押し出し、特定の形状とプロファイルを持つ物体を作る製造成形プロセスです。本記事では、押出プロセスの定義、用途、機能、プロセス、材料、設備、種類、作動原理、利点と欠点について説明しました。

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