(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
異形押出ダイの設計方法であって、
ポリマー樹脂材料から作成されダイで成形される製品の、樹脂のダイスエリングと、ダイを通過する樹脂の剪断速度と、ダイのダイランド長さ対ダイのダイ開口部厚さの比との関係（図４）を表示する工程と、
前記関係から、樹脂のダイスエリングが最小となるダイのダイランド長さ対ダイのダイ開口部厚さの比を求める工程と、
実験ダイによって成形された製品および樹脂の、樹脂の剪断速度、ドロースピードおよびダイスエリングに関する実験データを得る工程と、
前記関係および実験データを配列して、剪断速度とドロースピードと厚さファクターｔf（ｔf＝ｎt  ／ｔ、ただし、ｎtは製品の厚さであり、ｔはダイ厚さである。）との関係を表示するダイ開口部厚さに関するデザインチャート（図６）、および剪断速度とドロースピードと幅ファクターｗf（ｗf＝ｎw ／ｗ、ただし、ｎwは製品の幅であり、ｗはダイ幅ｗである。）の関係を表示するダイ開口部幅に関するデザインチャート（図７）を作成する工程と、
前記ダイ開口部厚さ及びダイ開口部幅に関するダイデザインチャートを用いて所望の異形押出ダイの寸法を決定する工程と
からなる方法。
【請求項２】
ダイのダイランド長さ対ダイ開口部厚さの比の増大に伴って、ダイランド長さ対ダイ開口部厚さの比に対する樹脂のダイスエリング曲線（図４）の傾きが水平になる、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記ダイスエリング曲線の傾きが水平となるダイランド長さ対ダイ開口部厚さの比が２０である、請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記ダイデザインチャートが、各剪断速度での厚さファクター又は幅ファクターとドロースピードとの関係を示す複数の剪断速度曲線からなる、請求項１記載の方法。
【請求項５】
所望のプロフィルを得るためにダイデザインチャートを用いて押出ダイプレートの寸法を決定する工程が、
所望のプロフィルを複数の断面部分に分割する工程（６８）、
最初のダイ厚さｔおよび幅ｗをプロフィルの最終寸法に設定する工程（７０）、
このプロフィルのドロースピードを設定する工程（７２）、および
このプロフィルの剪断速度を決定する工程（７４）
からなる、請求項１記載の方法。
【請求項６】
さらに、
デザインチャートを読み取って対応するドロースピードおよび剪断速度に関する厚さファクターｔfおよび幅ファクターｗfを得る工程（７６）、
この厚さファクターｔfおよび幅ファクターｗfから最終製品の厚さｎtおよび幅ｎwを決定する工程（７８）、
ダイの厚さおよび幅を設定する工程（７０）、ドロースピードを設定する工程（７２）、剪断速度を決定する工程（７４）、デザインチャートを読み取る工程（７６）、最終製品の厚さおよび幅を決定する工程（７８）を、製品の厚さｎtおよび幅ｎw値が設計した製品の寸法に収束するまで繰り返す
ことを含む、請求項５記載の方法。
【請求項７】
さらに、ダイデザインチャートをプロセッサーのメモリーに保存することを含む、請求項１記載の方法。
【請求項８】
或るプロフィルに対する異形押出ダイを設計するためのプログラム指示を収容するコンピューターで読み取り可能な媒体であって、
所望のプロフィルを複数の断面部分に分割する工程（６８）、
最初のダイ厚さｔおよび幅ｗをプロフィルの最終寸法に設定する工程（７０）、
このプロフィルのドロースピードを設定する工程（７２）、
このプロフィルの剪断速度を決定する工程（７４）、
メモリーに保存されたデザインチャートを読み取って対応するドロースピードおよび剪断速度に関する厚さファクターｔf（ｔf ＝ｎt ／ｔ、ただし、ｎtは製品の厚さであり、ｔはダイ厚さである。）および幅ファクターｗf（ｗf ＝ｎw ／ｗ、ただし、ｎwは製品の幅であり、ｗはダイ幅である。）を得る工程（７６）、
この厚さファクターｔfおよび幅ファクターｗfから最終製品の厚さｎtおよび幅ｎwを決定する工程（７８）、および
ダイの厚さおよび幅を設定する工程（７０）、ドロースピードを設定する工程（７２）、剪断速度を決定する工程（７４）、デザインチャートを読み取る工程（７６）、最終製品の厚さおよび幅を決定する工程（７８）を、製品の厚さｎtおよび幅ｎw値が設計した製品の寸法に収束するまで繰り返す
プログラム指示を収容するコンピューターで読み取り可能な媒体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、一般に異形押出ダイに係り、特にポリマー樹脂を押出すための異形押出ダイプレートを設計する方法に係る。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、異形押出ダイプレートを設計するには、設計者が多くの切断試験から引き出した経験に基づく規則を実験的に繰り返す。特に設計者は、ダイプレートデザインを導くためにその経験を通じてすでに引き出されている規則を使用する。その後、この導かれたダイプレートデザインを押出プロセスで実行し評価して、ダイランド長さ、ダイ開口部厚さおよびダイ開口部幅のカットが所望のプロフィル寸法に合致するかどうか決定する。この寸法が合致してなければ、所望の寸法に合致できるようにダイプレートを再び切削しなければならない。所望のプロフィル寸法をもつダイデザインが導かれるまでには、通常切削とそれに次ぐダイプレートの変更を多数回繰り返す。この設計手法には多くの手間と時間がかかり、したがって工具設計から上市までの総サイクル時間が長くなり、そのため多額の費用がかかることになる。また、寸法を変えたり押出プロセスで新しいプラスチック樹脂を使用したりする度にダイプレートを再度設計しなければならず、すると時間、手間および金が余計にかかる。その結果、異形押出市場への導入を妨げる新しいプラスチック樹脂での操業に対しては設計者はひどくためらうことになる。したがって、さまざまな寸法をもちさまざまなタイプの樹脂から作成された製品を成形するためのダイプレートを設計者が容易に設計することができる方法に関するニーズがある。
【０００３】
【発明の目的】
したがって、本発明の主たる目的は、設計者が、いろいろな寸法を有する製品を成形し、各種タイプの樹脂から作成される製品を成形するためのダイプレートを容易に設計できる方法を提供することである。
本発明の別の目的は、手間、費用、および工具設計から上市までの総サイクル時間を低減する異形押出ダイを設計するための方法論を提供することである。
【０００４】
【発明の概要】
すなわち、本発明に従って異形押出ダイを設計する方法が提供される。本発明の方法では、ポリマー樹脂から作成されダイで成形される製品の表示をモデル化する。このモデル化された表示は、樹脂のダイスエリングと、ダイを通過する樹脂の剪断速度と、ダイのダイランド長さ対ダイのダイ開口部厚さの比との関係を表わしている。この表示を解析して、樹脂製品のダイスエリングが最小になるダイランド長さ対ダイ開口部厚さの比を決定する。次に、実験ダイによって成形された樹脂製品の実験データを得る。この実験データにはドロースピード、剪断速度およびダイスエリングが包含される。その後、前記モデル化された表示と実験データを配列して、ダイ開口部厚さ、ダイ開口部幅およびダイランド長さを選択するのに使用するダイデザインチャートを作成する。ダイ開口部厚さを選択するためのデザインチャートはドロースピード、厚さファクターおよび剪断速度の表示を含んでいる。ダイ開口部幅を選択するためのデザインチャートはドロースピード、幅ファクターおよび剪断速度の表示を含む。次に、ダイデザインチャートを用いて所望の異形押出ダイの寸法を決定する。
【０００５】
【発明の詳細な開示】
以下、特定の具体例およびその使用法に関して本発明を説明するが、本発明はこの具体例に限定されるものではないと理解されたい。逆に、特許請求の範囲に記載された本発明の思想と範囲内に入る限り、あらゆる変更、修正および等価物はすべて本発明に包含されると考えられたい。
【０００６】
図１に、ポリマー樹脂を加工するのに使用する異形押出機１０の概略図を示す。この異形押出プロセスは３つの主要な要素、すなわちエクストルーダー１２、ダイ１４およびキャリブレーター１６を含んでいる。エクストルーダー１２は樹脂を受容し、これを混合し、そして樹脂を溶融させて混和性のブレンドとし、さらにそのブレンド中に難燃剤を混入する。ダイ１４はダイボディ１８を含んでいる。このダイボディ１８により、樹脂ブレンドがそこを流れて通過する際に製品の基本的な断面形状が与えられる。ダイボディに続くスパイダープレート２０はダイ１４内に位置するマンドレル２２を保持している。プレランド２４により樹脂ブレンドの追加の賦形が生起し、ランド２６（すなわち、フェースプレートまたはダイプレート）によってブレンドの最終形状が与えられる。このランド２６の設計については後に詳しく説明する。成形された樹脂はこのランドを去り、ギャップ２８を通過するが、そのとき樹脂は膨脹して表面積がいくらか増大し得る。このギャップ２８を通過した後、成形された樹脂はキャリブレーター１６に入る。このキャリブレーター１６は、成形された樹脂を冷却し、製品の最終寸法を微調整する。特に、樹脂はウォーターライン３０から発射された冷却水によって冷却され、一方寸法の微調整は真空３２によって行なう。次に引取装置（図には示してない）がキャリブレーターから製品を引き出す。異形押出プロセスのより詳しい解説については、１９９２年グリフ(A. Griff)著「プラスチック押出操作マニュアル。押出入門および手引き(Plastics Extrusion Operating Manual, An Introduction and Guide to Extrusion) 」の第１〜５８頁（引用により本明細書に含まれているものとする）を参照されたい。
【０００７】
異形押出ダイプレートの設計はその押出プロセスで使用する材料のダイスエリングと流れのバランスに依存する。具体的な材料は、粘弾性を示すポリマー樹脂、たとえば、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリフェニレンエーテル、ポリイミド、オレフィン、ポリエーテルイミド、ポリアミド、ポリアリーレンスルフィド、ポリスルホン、ポリエーテルケトン、アクリロニトリルブタジエンスチレンコポリマー、ポリスチレンの直鎖もしくは分枝鎖ポリマー、またはこれらから調製されるブレンド、組成物もしくはコポリマーである。また、ガラスや木を充填したポリマーから作成される材料も本発明の範囲内である。これらの粘弾性を示す材料はダイスエリング（すなわち、ダイプレートによって賦形された後の材料の膨脹）を起こす。このダイスエリングの原因は、デボラ効果すなわちメモリ効果とワイセンバーグ効果すなわち流量効果のふたつの効果である。メモリ効果が現れるのは、粘弾性材料が大きい断面積のダイボディ１８から流れて、スパイダー２０を通り、さらに非常に小さい断面積のプレランド２４とランド２６を通過するときである。ダイランド２６の入口領域でポリマー分子は整列しているので、これらの分子はダイ１４から離れていくにつれてランダムな状態に戻ろうとする。このメモリ効果を打ち消すには、通常、材料がそのよりランダムな状態のメモリを最終的に失うように、より長い滞留時間の間樹脂をダイランド２６内にとどめる。流量効果は、粘弾性材料が非常に速くダイ１４を通過して流れ、材料に剪断力がかかるときに生じる。一般にこの剪断力は、厚さが薄めの粘弾性材料で押出速度が高めの場合は大きく、材料の厚さが厚めで押出速度が低めの場合は小さい。本発明においては、コンピューターによるモデル化技術とダイスエリング実験とによって主としてランド２６の長さとそのランドのダイリップ開口部の長さとに焦点を絞ってダイスエリング効果を定量化し、一方流量のバランスは、ダイの設計者の経験に基づく半経験的なアプローチを用いて達成する。
【０００８】
コンピューターによるモデル化を利用することによって、当業者は、異形押出プロセスにおける粘弾性材料に関するダイスエリングを基本的に理解することができる。本発明においては、粘弾性オフザシェルフ・コンピューターソフトウェアパッケージを使用して、流量とダイランド長さ／ダイ開口部厚さ比とが樹脂のダイスエリング挙動に対して示す効果に関するパラメーター的関係を引き出す。本発明の粘弾性モデルは当業者にはよく知られている示差ファン‐チェン・タナー(Phan-Tien Tanner)モデルを基礎としている。特にこのモデルでは、実際の押出プロセス条件に対応するダイスエリングとダイランド長さ／ダイ開口部厚さ比に対する範囲の剪断速度を見出すためのパラメーターとして粘度、緩和時間、貯蔵弾性率、損失弾性率、一次と二次の法線応力の差、および伸び粘度のような材料特性を使用する。
【０００９】
図２に、ドローダウンがある場合とない場合のダイスエリングを示すコンピューターによる二次元出力を示す。ドローダウン（引抜き）の間ダイを通過する樹脂の流量はバランスが崩れており（すなわち、樹脂はダイから引き出される）、一方ドローダウンがゼロとは、流量のバランスがとれている（すなわち、樹脂はダイから引き出されない）ことを意味している。図２に示されているように、ダイスエリング効果はドローダウンがゼロの場合の方がドローダウンがある場合よりも顕著である。ドローダウンがある場合樹脂はダイランドを通って引っ張られて樹脂がその通常の状態に戻るのを妨げるためダイスエリングは少ないが、ドローダウンがゼロの場合は引っ張りがないので樹脂はその自然な効果に戻ることができる。ドローダウンがゼロの条件下のポリマーに対して測定したダイスエリングと計算したダイスエリングとを図３に示す。図２と３に示したパラメーター関係から、ダイスエリングと、ダイランドの長さ対ダイ開口部の厚さの比との関係がモデル化される。図４に、ポリマーに対するダイスエリングとダイランド長さ／ダイ開口部比との関係を示す。図４に示してあるように、ダイランド長さ／ダイ開口部厚さ比が増大するにつれてダイスエリングが減衰する。このポリマー樹脂の場合、ダイランド長さ／ダイ開口部厚さ比が約２０でダイスエリングはほぼ一定になる。異なる厚さの断面を有するプロフィルの場合、最大の厚さを用いてランドの長さを計算するべきである。ダイスエリングが水平になると剪断効果も水平になる。その後、この低減したダイスエリングと剪断効果に対応するダイランド長さ／ダイ開口部厚さ比は、ダイプレートの設計値として使用することができる。
【００１０】
ダイスエリングおよびダイランド長さ／ダイ開口部厚さ比ならびに対応する剪断速度の表示がモデル化された後、押出プロセスにおける実験ダイの場合のダイスエリングに対する流量効果を、図５に示したような計測・データ収集系３４を用いてオンラインで検討する。この計測・データ収集系では、センサー３６を用いて、エクストルーダーで樹脂材料を混合・混和するのに使用するスクリュー３８のスクリュー速度を測定する。次にこのスクリュー速度の測定値を用いて、エクストルーダー内での樹脂の容積流量と剪断速度を決定する。樹脂熱電対４０により、ホッパー４２を介してエクストルーダー内に入る樹脂の温度を測定する。熱電対４４は、エクストルーダー内のスクリュー３８の各部の温度を測定する。ブレーカープレート熱電対４６でダイボディの温度を測定し、圧力変換器４８と熱電対５０はプレランドにおける樹脂の圧力と温度を測定する。ランドすなわちダイプレートを出た溶融樹脂表面の温度は熱電対５２で測定する。この熱い樹脂の幅方向のダイスエリングはビデオカメラ５４で測定し、ダイ端における厚さ方向のダイスエリングはレーザーゲージ５６で測定する。コンベヤ５８と引取装置６０によってダイから引出される樹脂の速度（すなわち、引取速度）は基準マーカー６２で測定する。樹脂を切断する前に、冷却された後の樹脂のスエリングを厚さ方向と幅方向の両方についてＬＶＤＴ６４で再び測定する。通常、樹脂の高温部分と低温部分の間では熱膨脹のために多少寸法の変化がある。上で測定したパラメーターは次いでコンピューター端末６６に送られ、そこでデータが記録され、後に使用される。
【００１１】
次に、実験データとモデル化された表示とを配列してダイデザインチャートにする。図６にダイ開口部の厚さを設計するために使用したデザインチャートを示し、図７にはダイ開口部の幅を設計するために使用したデザインチャートを示す。図６と７のデザインチャートは、それぞれ対応する厚さファクターと幅ファクターと共にいろいろなドロースピードにおける剪断速度を示す複数の曲線を含んでいる。図６に示されているように、剪断速度一定曲線は、ダイスエリングと剪断速度との間の非直線関係のため均一には分配されていない。ドロースピードが凹下方線を越えると、樹脂流はバランスの崩れた質量流量（すなわち負のドローダウン）のため極めて不安定になる。デザインチャートが得られたら、そのチャートをＲＯＭやディスケットのようなメモリーに入れ、コンピューターで使用することができる。
【００１２】
異形ダイの場合は通常、厚さの異なる多くの断面部分がある。図６と７に示されているように、壁の厚さがいろいろであると剪断速度がいろいろになり、その結果ひとつのドロースピードでいろいろなダイスエリングが得られることになる。この後、剪断速度とドロースピードが分かったら、設計者はこれらのデザインチャートを使用して所望の製品の断面寸法を決定することができる。たとえば、剪断速度が１５０で、ドロースピードが９．０フィート／分である場合、キャリブレーターを使用すると、デザインチャートから厚さファクターが約１．０、幅ファクターが約０．９２となる。次いで、この厚さファクターと幅ファクターを使用して、以下でさらに詳細に述べるようにして、所望の異形押出ダイプレートに対する断面寸法を決定する。
【００１３】
ダイデザインチャートが得られた後このチャートを使用して所望の異形押出ダイの断面寸法を決定する。図８に、図６と７のデザインチャートを応用する手順を例示するフローチャートを示す。６８で、所望のプロフィルをさまざまな断面部分（各部分は長方形である）に分割することによって操作を開始する。プロフィルの最小寸法をダイ厚さｔ（インチ）とし、最大寸法をダイ幅ｗ（インチ）とする。次に７０で、厚さと幅の初期値を設定する。通常この値は最終製品の寸法に等しくする。次いで７２で、このプロフィルに対して、引取装置速度またはドロースピードといわれるスループット速度（通過量）Ｅ（フィート／分）を設定する。このドロースピードの大きさは経験に基づくのが一般的であり、通常このドロースピードはキャリブレーターの冷却能によって制限される。ドロースピードを設定した後、７４で、ダイ寸法がプロフィルの断面寸法と同じであると仮定して剪断速度Ｓrate（秒-1）を決定する。剪断速度Ｓrateは次式（１）に等しい。
【００１４】
Ｓrate＝（６・Ｑ）／（ｗ・ｔ2 ）                            （１）
ただし、Ｑは関連する樹脂の容積流量である。この容積流量Ｑは次式（２）に等しい。
Ｑ＝Ｅ・Ａ                                                （２）
ただし、Ａ（インチ2 ）はプロフィルの各部分の断面積である。この断面積Ａは次式（３）に等しい。
【００１５】
Ａ＝ｎt ・ｎw                                               （３）
ただし、ｎt とｎw は製品の厚さと幅である。
各部分を流れる材料は剪断速度に比例するダイスエリングを受けるので、このダイスエリングの大きさは厚さ方向と幅方向で異なる。そこで、剪断速度が決定された後、７６において、図６と７のデザインチャートを使用して、特定の寸法の製品を製造するのに必要とされるダイ寸法を決定する。特に、図６の厚さファクターｔf と図７の幅ファクターｗf を使用してダイ寸法を決定する。厚さファクターｔf と幅ファクターｗf は次式（４）と（５）で定義される。
【００１６】
ｔf ＝ｎt ／ｔ                                              （４）
ｗf ＝ｎw ／ｗ                                              （５）
各部分のドロースピードＥと剪断速度は分かっているのであるから、設計者がしなければならないことは、図６と７のいずれかのｘ軸上でドロースピードを見出し、そのスピードに沿って、その線が前記剪断速度に対する曲線と交わるまで図中を横切ることだけである。そして対応する厚さファクターと幅ファクターを読み取る。厚さファクターｔf と幅ファクターｗf を読み取ったら、７８において、これらの値と共にダイの厚さｔおよびダイの幅ｗを用いて最終製品の厚さｎt とその製品の幅ｎw を決定する。最終製品の厚さｎt とその製品の幅ｎw は次式（６）と（７）で決定される。
【００１７】
ｎt ＝ｔ・ｔf                                               （６）
ｎw ＝ｗ・ｗf                                               （７）
次に、８０と８２で、ｔ、ｗ、Ａ、Ｑ、Ｓrate、ｔf 、ｗf 、ｎt 、ｎw の値を検査してこれらの値が収束するかどうか確かめる。もし値が収束しないならば、８４において、新たな厚さファクターおよび幅ファクターと最終製品の厚さと幅に基づいて新たなダイの厚さと幅を計算する。その後、値が収束するまで工程７４〜８２を繰り返す。値が収束したら、８６において、まだ他の断面部分があればプロフィルの次の部分について、工程７０〜８４でした決定を繰り返す。最早断面部分がなくなれば操作は終了である。
【００１８】
特定の製品のプロフィルの寸法を決定するために図８のフローチャートをどのように使用するかその一例を、図９に示したプロフィル８８に関連して述べる。図８のフローチャートに従って、第一の工程は図９のプロフィルをさまざまな断面部分に分割することである。この例では、３つの部分１、２、３がある。次に、各部分について、最初のダイ厚さｔと最初のダイ幅ｗを、図９に示した最終製品の寸法に従って設定する。最初の厚さと幅を設定した後、ドロースピードＥを１２フィート／分に等しく設定する。その後式１、２、３を使用して断面積、容積流量および剪断速度を計算する。部分１では剪断速度が２１３．０秒-1である。ドロースピードが１２フィート／分で、剪断速度が２１３．０秒-1であるので、図６のデザインチャートから厚さファクターｔfは１．３６７となり、また図７のデザインチャートから幅ファクターｗf は０．８７６となる。同様に、部分２、３についても厚さファクターｔf と幅ファクターｗf を決定することができる。次に、製品の厚さｎt と製品の幅ｎw を式４と５を使用して計算する。たとえば、第１部分について、ダイ厚さを０．０５インチとすると製品の厚さは０．０６２インチとなる。次の二番目の繰り返しの間にダイの厚さは比例して０．０５１インチまで減少する（すなわち、デザイン寸法／ファクター）。また、部分１の場合、ダイの幅が２．０インチであると製品の幅は０．８７６インチとなる。二番目の繰り返しの間、ダイの幅は比例的に増大して１．０３５インチとなる。部分１に関して製品の厚さｎt と製品の幅ｎw の値が設計した製品の寸法に収束するまでこれらの工程を繰り返す。同様に、部分２、３についても同じ工程を繰り返す。図８に示した設計手順を繰り返した後、ダイの最終寸法を設定する。
【００１９】
以上のことから明らかなように、本発明により、前記目的と作用効果を充分に奏する異形押出ダイプレートを設計する方法が提供される。特定の具体例に関連して本発明を説明して来たが、本発明の範囲から逸脱しない限り当業者は変更や修正をすることができるものと理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】異形押出機の概略図である。
【図２】コンピューターで作成した二次元出力であり、ドローダウンのある場合とない場合のダイスエリングを示す略図である。
【図３】ドローダウンゼロの条件下のポリマーに対するダイスエリングの測定値と計算値を示すグラフである。
【図４】ポリマーに対するダイスエリングとダイランド長さ／ダイ開口部比との関係を示すグラフである。
【図５】本発明でダイスエリングに及ぼす流量の影響を検討するために使用した計測・データ収集装置の概略図である。
【図６】ダイ開口部厚さを設計するのに使用するデザインチャートを示すグラフである。
【図７】ダイ開口部幅を設計するのに使用するデザインチャートを示すグラフである。
【図８】デザインチャートを用いて異形ダイを設計する手順を示すフローチャートである。
【図９】本発明に従って作成された異形ダイから形成することができる製品の一例の略図である。
【符号の説明】
１０  異形押出機、
１２  エクストルーダー、
１４  ダイ、
１６  キャリブレーター、
２６  ダイランド（ダイプレート）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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