熱成形 - 活力あふれる成熟したプラスチック加工技術

熱成形は確立されたプラスチック製造プロセスであるにもかかわらず、過小評価されたり誤解されたりすることが多い。この点をさらに掘り下げ、その可能性を明らかにしていこう。

ドーダン、SBグリーンロブスター・スニーカーの熱成形シューズボックスでナイキとコラボレーション

概要

熱成形金型はより複雑になっているが、そのコストは射出成形金型の4分の1程度である。
樹脂、シート材料、金型の進歩により、熱成形は新たな用途へと拡大した。
ドーダンは、自動組立に使用される国産熱成形プラスチックトレーの需要が高まっていると指摘する。

材料、金型、技術の進歩は、特定の用途に最適なプロセスの境界線を曖昧にし続けている。熱成形は、軽量の薄肉パッケージから厚みのある大型パネルや部品まで、幅広い製品の製造に使用され、自動車、農業、建設、医療、航空宇宙などの産業に貢献しています。

熱成形の基本

熱成形には真空成形と圧力成形がある。真空成形では、加熱された柔軟なプラスチックシートが真空圧によって金型形状に引き寄せられる。プラスチックシートの片面だけに圧力がかかるため、真空成形は通常、比較的シンプルなデザインでテクスチャーが最小限の部品に使用されます」とFormed Plastics Inc.は説明する。

これとは対照的に、加圧成形は、ブロー成形と同様に、プラスチックシートを金型に押し込むためにさらなる空気圧を使用する。「シートの両面にかかる圧力が組み合わさることで、真空成形では再現できない複雑な形状が可能になります。「アンダーカット、タイトなR、シャープなテクスチャーが必要な部品には、加圧成形が適していることが多い。

熱成形の主な利点は、金型コストが比較的低く、少量生産を経済的に行えることである。ABS、アクリル、ポリカーボネート、カイデックス（アクリル/PVC）、グリコール変性PET（PETG）など、さまざまな素材が熱成形に適している。

圧力成形を再考する

ジェイ・ワッデルは40年以上の経験を持つ業界のベテランで、同社を設立した。 1999年 Plastic Concepts & Innovations LLC設立.彼のコンサルティング会社は、ヘビーデューティ／トリムシート熱成形を専門としている。ワッデル氏は、特に、従来射出成形が支配的であった市場に参入しつつある加圧成形は、過小評価されがちであると考えている。「加圧成形は高度な設計の柔軟性を提供します」と彼は説明し、加圧成形を採用している企業がわずかだった15～20年前に比べ、現在ではより多くの企業が加圧成形を採用していると指摘する。

ヘビーデューティー熱成形では通常、大型の部品が生産されるため、輸送コストが高くつく。そのため、このような市場にサービスを提供する企業は、生産数が500～10,000個の地域的な企業であることが多い。このプロセスは、回転成形、構造発泡、金属成形などの他の製造方法と競合する。

熱成形金型の進歩

熱成形用金型もまた、より洗練されたものとなっている。ワッデルによれば、金型コストは射出成形金型の約25%であり、特に短納期の仕事には大きな経済的メリットがある。「医療用プラスチックは、ヘビーデューティー熱成形の主要市場になっています」と、ディスプレイの筐体や機器パネルなどの製品を例に挙げて、ワッデルは言う。レクリエーショナル・ビークル、ボート、農業・建設機械のメーカーは、耐久性と軽量の点で、金属製よりもプラスチック製パネルを好む。

触媒アディティブ・ツーリングオハイオ州ウェスタービルに本社を置くダレル・スタッフォードとリック・シブコは、厚板金型製造において画期的な進歩を遂げた。ホンダの元自動車エンジニアであるダレル・スタッフォードとリック・シブコが設立した同社は、3Dプリントした金型パーツを何千サイクルも使用できる独自の素材を開発した。

3Dプリンティング：敵か味方か？

重厚長大な熱成形メーカーの中には、3Dプリンティングが小ロット生産を脅かすのではないかと懐疑的な見方をするところもある。しかし、ワッデルは両者を補完する技術だと考えている。「ヘビーデューティ熱成形メーカーは、プロトタイプを素早く作成し、本生産前に全工程をやり直すことなく調整を行うために、3Dプリンターに投資したいと考えるかもしれません」と同氏は述べる。

ドイツの機械メーカーIllig North Americaのマネージング・ディレクターConor Carlin氏は、樹脂、シート材料、金型の進歩により、熱成形が優れたバリア特性を持つ超軽量部品の需要に対応できるようになり、経済的・環境的なメリットが得られるようになったことを強調した。カーリンはまた、機械制御がスマート化し、インダストリー4.0のプロトコルに適応していることにも言及している。

混合食品容器へのrPETの使用

Illig Maschinenbau GmbH & Co.KG社は、インモールド・ラベリング・サーモフォーミング（IML-T）技術の開発に長年取り組んできました。過去2年間、同社はPFFグループと協力し、新しい食品グレードのパッケージングコンセプトの生産を可能にする加工機械を提供してきました。IMPAC-Tとして知られるこのシステムは、1つの工程でカード包装を施したRPET（再生PET）混合容器の製造を可能にする。

PFFは、rPETを使用することで、乳製品のような業界が従来のポリプロピレンから循環型経済パッケージングに移行する機会を提供できると指摘している。Alston Dairy社は、ヨーグルト製品の一部に新しいIMPAC-Tパッケージを採用した最初の企業です。PFFは、インライン製造工程はエネルギー消費量が少なく、消費者使用後の再生PETをより多く使用でき、少なくとも50%の再生PETを達成し、100%の可能性もあるとしている。カード包装は、最大100%の消費者使用後廃棄物を使用し、原材料はすべて持続可能な森林認証製品から作られています。消費者は、さらにリサイクルするためにプラスチックとカードを簡単に分別することができ、これらの材料は新しいパッケージに再利用することができる。IMPAC-Tプロセスは、現在の組み立てシステムと比較して、カーボンフットプリントを46%削減すると報告されている。

熱成形用インモールドラベリング（IML-T）は、食品容器の用途で再生PETとポリプロピレンの使用を増やすのに役立っている。画像提供：Illig Maschinenbau GmbH & Co.KG。

薄肉包装における熱成形の利点

カーリンの同僚であるスヴェン・エンゲルマン（Sven Engelmann）氏は、熱成形は硬質薄肉包装の高いトップロード強度で最も薄い肉厚を実現するための最良のプロセスのひとつであると指摘する。Illig Maschinenbau社のパッケージング技術部長であり、SPEヨーロッパ熱成形部門の理事でもあるエンゲルマン氏は、こう付け加える：

肉厚が薄いと、経済的にも環境的にもメリットがある。
迅速な処理は高い生産性をもたらす。
熱成形の金型コストは射出成形よりも低い。
ほとんどの熱成形用途では、ハーフモールドしか必要としない。

ニューヨーク州ロングアイランドに本社を置き、77年の歴史を持つFormed Plastics社のスティーブ・ザンプレッリ副社長は、熱成形の利点について詳しく説明する：

一般的に、反りや歪みの心配が少なく、より強度の高い部品を製造する低ストレスプロセスである。
市場投入までの時間が短縮され、多くの場合、金型費用が削減されるため、二次加工中の調整が容易になる。
材料の肉厚を調整し、同じ金型で複数の材料を使用することができる。
メーカーは、より大きな部品をより低コストで少量生産することができる。

ドーダン金型コストの削減と生産性の向上

イリノイ州ウッドストックで61年の歴史を持つ家族経営のドーダン・マニュファクチャリング社は、飲料用カップ、蓋、食品容器などの製品の薄肉熱成形のリーダーとしての地位を確立している。ドーダンのチーフ・マーケティング・オフィサーであるチャンドラー・スラヴィン・ボンドは、射出成形と比べた熱成形の大きな利点、特に金型コストの削減と生産速度の向上を強調している。「射出成形に比べ、熱成形は金型コストを大幅に削減し、生産性を向上させます。

さらに、ツインシート熱成形は、二重または多層の中空プラスチック部品を製造するプロセスであり、産業用ブロー成形市場で人気を集めていると彼女は指摘する。「射出成形のように、ツインシート熱成形の金型はブロー成形の金型よりも安く、より複雑な形状を作ることができます。

スラビン・ボンドはさらに、マクロ経済的要因がもう一つの製品分野である、自動部品組立に使用される熱成形プラスチックトレーの成長を後押ししていると付け加えている。これらの硬質薄肉トレイは、組立ライン上で部品を正確に位置決めするために使用される。

ナイキSBグリーンロブスターのスニーカーボックスの熱成形におけるドーダンの役割は、生産上の制約を克服した顕著な例である。 ナイキはこのスニーカーをスケートボード愛好家に売り込み、ロブスターをテーマに、業務用ボートで使われるフィッシングバッグを模した熱成形ボックスをデザインした。箱には、凍った湖をイメージした厚さ1/8インチのアクリルパネルがあしらわれていた。

高まる熱成形の認知度

このような技術革新や進歩にもかかわらず、ワッデルは、多くの人々がまだ熱成形の能力を十分に理解していないと指摘する。「ツインシートや圧空成形について、あるいはこれらの工程で何ができるかを知らないのです。何でも射出成形しなければならないと思っているのです」。しかし、Waddell、Carlin、Engelmann、Slavin-Bondのような業界のリーダーたちが熱成形とその多様な能力を宣伝し続けることで、この技術に対する認知度は高まるだろう。

革新的な熱成形部品の例については、PlasticsTodayのスライドショーをご覧ください。 SPEサーモフォーミング事業部 10月23日から26日までクリーブランドで開催された協会の会合期間中に行われた2年に一度の部品コンクール。