押出スクリューの圧縮率はどのように計算すればよいですか?

確立された押出スクリューのサプライヤーとして、私は押出スクリューの圧縮率の計算方法に興味を持っているお客様によく遭遇します。圧縮率を理解することは、製品品質、生産量、エネルギー効率など、望ましい押出性能を達成するために重要です。このブログでは、押出加工における圧縮率の計算方法とその重要性について分かりやすく解説していきます。

押出スクリューの圧縮比とは何ですか?

押出スクリューの圧縮率は、スクリューの供給セクションの材料の体積と計量セクションの材料の体積の比として定義されます。これは、押出プロセス中のプラスチックまたはその他の材料の絞りと圧縮の程度を反映します。適切な圧縮比により、材料が適切に溶解、混合され、押出機内を搬送されることが保証されます。

圧縮率が重要なのはなぜですか?

計算方法を詳しく説明する前に、圧縮率がなぜ重要なのかを理解することが重要です。適切な圧縮率は、押出プロセスのいくつかの重要な側面に影響します。

• 溶解と均質化: 適切な圧縮により、原料を溶かすのに必要な熱と圧力が発生します。また、添加剤、着色剤、その他の成分の混合が促進され、より均一な製品が得られます。
• 生産量と効率: 適切な圧縮比により、押出機を通る材料の流量を最適化できます。圧縮率が低すぎると、材料が適切に圧縮されず、出力が低下する可能性があります。逆に、圧縮比が高すぎると、過熱、エネルギー消費の増加、さらには押出機の損傷を引き起こす可能性があります。
• 製品の品質: 圧縮率は、押出製品の物理的および機械的特性に影響を与えます。たとえば、プラスチックの押出成形では、最終部品の密度、強度、表面仕上げに影響を与える可能性があります。

圧縮率の計算方法

押出スクリューの圧縮率を計算するには、チャネルの深さに基づく方法と体積に基づく方法の 2 つの一般的な方法があります。

チャネル深さに基づく計算

圧縮比を計算する最も簡単な方法は、スクリューの供給セクションと計量セクションの溝の深さを使用することです。式は次のとおりです。

[CR=\frac{H_{f}}{H_{m}}]

ここで、(CR) は圧縮率、(H_{f}) は供給セクションのチャネル深さ、(H_{m}) は計量セクションのチャネル深さです。

例を挙げてみましょう。押出スクリューの供給部の溝深さを10mm、計量部の溝深さを2mmとします。式を使用すると、圧縮率は次のようになります。

[CR = \frac{10}{2}=5]

これは、材料がスクリューの供給セクションから計量セクションに移動するときに、材料が 5 倍圧縮されることを意味します。

体積に基づく計算

圧縮率はスクリューチャンネルの容積を考慮して計算することもできます。スクリューチャンネルの体積を計算する式は次のとおりです。

[V = \pi(D - \frac{H}{2})H]

ここで、(V) は単位長さあたりのスクリュー チャネルの体積、(D) はスクリューの直径、(H) はチャネルの深さです。

ボリュームに基づく圧縮率は次のように計算されます。

[CR=\frac{V_{f}}{V_{m}}]

ここで、(V_{f})は供給部における単位長さあたりのスクリュー流路の体積、(V_{m})は計量部における単位長さあたりのスクリュー流路の体積である。

例えば、スクリュー径(D=50)mm、供給部の流路深さ(H_{f}=10)mm、計量部の流路深さ(H_{m}=2)mmとすると、

まず、フィードセクションの体積を計算します。

[V_{f}=\pi(50-\frac{10}{2})\times10=\pi\times45\times10 = 450\pi]

次に、メーターセクションの音量を計算します。

[V_{m}=\pi(50-\frac{2}{2})\times2=\pi\times49\times2=98\pi]

圧縮率は次のとおりです。

[CR=\frac{450\pi}{98\pi}\およそ4.6]

2 つの方法で計算された圧縮率のこのわずかな違いは、計算における仮定と簡略化によるものです。実際には、チャネル深さに基づく方法がより単純で合理的な近似が得られるため、より一般的に使用されます。

圧縮率の選択に影響する要素

押出スクリューの適切な圧縮比を選択するときは、いくつかの要素を考慮する必要があります。

• 材料特性: 材料が異なれば、溶融特性や流動特性も異なります。たとえば、ポリエチレンなどの低粘度のポリマーには、通常、低い圧縮比 (約 2 ～ 3) が必要ですが、ポリカーボネートなどの高粘度のポリマーには、より高い圧縮比 (約 3 ～ 4) が必要な場合があります。
• 押出成形プロセスの要件: フィルム押出、パイプ押出、異形押出などの押出プロセスの種類も圧縮率に影響を与える可能性があります。たとえば、精密押出プロセスでは、製品の品質を確保するために、より正確で適切に制御された圧縮率が必要になることがよくあります。
• ネジの設計: フライト ピッチ、ねじれ角度、フライト数などのスクリューの全体的な設計は、圧縮比と相互作用する可能性があります。たとえば、同じ材料の流れと圧縮を達成するために、より細かいピッチのスクリューは、より粗いピッチのスクリューと比較して異なる圧縮比を必要とする場合があります。

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参考文献

• Tadmor、Z.、Gogos、CG (2006)。ポリマー加工の原理。ワイリー - インターサイエンス。
• ラウウェンダール、C. (2014)。ポリマー押出: 原則と実践。ハンザー出版社。