押出成形

押出成形（おしだしせいけい、英語: extrusion）は、塑性加工の一種であり、耐圧性の型枠に入れられた素材に高い圧力を加え、一定断面形状のわずかな隙間から押出すことで求める形状に加工する方法である。

概要

素材を圧縮してダイスと呼ばれる金型から押し出し、必要な形状の断面を形成する
。製造プロセスとしての利点は、非常に複雑な断面形状を形成できる点と、素材にかかる応力が圧縮応力とせん断応力だけであるためもろい素材も成形できる点である。また、押し出された表面は非常に滑らかになり仕上げが不要である。
一般に押出成形される素材として金属、重合体、セラミックス、コンクリート、食品などがあり、アルミサッシのようなアルミニウム製品の加工で多用されている。
理論的には無限に長い物体を形成でき、実際にも多数の部品を連続的に製造できる。押出成形プロセスは熱い素材にも冷たい素材にも適用可能である。
単純な押出し用金型では中空部分のある断面形状を形成できない。中空部分を形成する金型の部分をセンターピースと呼ぶが、単純な金型ではセンターピースを固定できないためである。一般に金型はある程度の厚さがあるので、最終的な穴の形状が中空部分のある断面形状になるようにし、素材を押し付ける側でセンターピース部分を保持できるように形成しておけば、中空部分のある断面を形成できる。したがって、そのような金型は厚みの方向に沿って穴の形状が徐々に変化することになる。

歴史

1797年、ジョゼフ・ブラーマが鉛管を製造する押出成形プロセスの世界初の特許を取得した。事前に熱した金属を人力で金型に押し付け、中空の管状に成形するものである。しかしこの製造装置は実際には製作されず、最初に油圧式押出成形装置を製作したのは Thomas Burr で、1820年のことだった。なお、このころは「押出 = extrusion」ではなく「噴出 = squirting」と呼ばれていた。1894年、Alexander Dick が銅や真鍮の押出成形法も開発した。

プロセス

まず、材料を熱することから始める。次にそれを圧力をかけられる容器に入れる。容器の一端には金型があるので、もう一方から材料を金型に押し付けるため、ダミーのブロックをそちらに置き、それに何らかの駆動力で圧力をかけることで金型から材料が押出される。
金型の材料を押し付ける側の断面積を最終的に材料が出て行く側の穴の断面積で割った値を「押出し比 (extrusion ratio)」と呼ぶ。

冷間押出

冷間押出は常温かそれに近い温度で行う技法である。熱間押出に優る利点として、酸化されにくい点、冷間加工により強度が高くなる点、熱膨張による変形がない点、表面がより滑らかになる点、高温でぜい性を示す素材に対しては冷間押出の方が押出速度が速くなる点が挙げられる。
冷間押出法が採用される主な素材としては、鉛、スズ、アルミニウム、銅、ジルコニウム、チタン、モリブデン、バナジウム、ニオブ、鋼がある。
冷間押出で製造される部品の例としては、容器用のチューブ、消火器容器、ショックアブソーバーのシリンダー、自動車エンジンのピストン、ギヤブランクなどがある。

温間押出

温間押出は常温より高いが材料の再結晶化温度より低い温度で行う技法で、一般に800°Fから1800°F（424℃から975℃）で行う。押出しに必要な力、材料の展延性、最終的に押出されたときの特性などを勘案して使うことが多い。

直接押出

直接押出または前方押出は、最も一般的な押出しプロセスである。まずビレット（素材）を厚い壁で囲まれたコンテナに入れる。ビレットはラム（スライドとも呼ぶ。プレス機の実際に押す部分）またはスクリューによって金型の方へ押される。ラムとビレットの間には再利用可能なダミーブロックがある。コンテナ内のビレットが押されて金型まで到達する間、全行程で周囲の壁との間に摩擦を生じるため、一般に間接押出よりも大きな力を必要とする。このため、プロセス開始時にかなり大きな力を必要とし、一旦ビレットが金型を通過し始めると徐々に必要な力は小さくなっていく。そして、ビレットの残りが少なくなるとビレットが金型の穴を通るために内側に流れる必要が生じ、再び大きな力を必要とする。このため、ビレットを全部押出すことはしない。

コンフォーム押出

コンフォーム押出機の加工部分は、ホイール、シュー、アバットメント、ダイチャンバー、押出しダイスから構成される。ホイールには溝が付いており、加工を受ける金属の線材が回転するホイールの溝に挿入されて機械内に引き込まれる。固定されたシューがホイールの溝に線材を押し付けることで、被加工材である線材がホイールから受ける摩擦力を増しながら進む。線材は溝を塞いだアバットメントに突き当てられ、行き場を失った金属は材料だまりを作り摩擦力と塑性変形による発熱で塑性流動状態となる。高い圧力とともに軟らかくなった被加工線材は、材料だまりに面したダイスから任意の形状になって成形されながら押出されてくる。材料だまりではホイールやシューとの隙間から材料が一部の漏れ出てバリとなる。素材である線材を溶接することで連続加工が行え、製品の長さに制限がない。

中空部分の形成

押出し断面に中空部分を作る方法はいくつかある。1つは、押出し前の素材（ビレット）を中空な形にし、固定または浮動型のマンドレル（心棒）を使う方式である。固定マンドレルはドイツ式とも呼ばれ、押す側のダミーブロック（ステム）に固定されている。浮動型マンドレルはフランス式とも呼ばれ、ステムに穿たれた穴にマンドレルを通し、金型と同様に静止させるよう固定する。固体のビレットの場合、スパイダー型、ポートホール型、ブリッジ型などの特殊な金型を使って中空な部分を形成することもできる。これらの金型は内部にマンドレルに相当する部分を組み込んでおりマンドレルを金型に固定するための脚部がある。押出しの際、金属はその脚部で一旦二手に分かれ、その後に合流する。したがって、製品に脚部に対応した線が残る。

駆動力

直接押出も間接押出も今では液圧駆動が一般的だが、小型の装置では機械式のものも使われている。液圧式プレス機には、直接油圧駆動とアキュムレーター水駆動がある。
直接油圧プレス機は単純で頑丈なため、最も一般的である。35MPa以上の力を発揮できる。押出しに際しては一定の圧力をかけられる。ただし、押す速度は遅く、50mm/sから200mm/sである。
アキュムレーター水駆動は大型の装置に使われる方式で、コストも高い。押す間に圧力が10%ほど低下するという欠点はあるが、高速で押すことができ、最高で380mm/sである。このため、鋼の押出成形によく使われる。また、熱間押出で非常に高い温度が必要な場合、油圧では火災事故の危険性があるため、こちらの方式を使う。
液圧押出プロセスでは、一般にひまし油を最高で1400MPaに加圧して使う。ひまし油が使われるのは、潤滑性がよく高圧に加圧された際の特性が優れているためである。

欠点

押出成形で、表面にヒビ割れが生じることがある。この押出加工材とダイスやダイス表面のメタルとの間のせん断力によって生じる押出加工材表面の傷は「テアリング」と呼ばれ、低品質なものや不良品として扱われる。温度設定、摩擦、押出速度が高すぎるのが主な原因である。また、温度が低すぎて素材が金型に固着して発生することもある。また、摩擦が大きすぎたり、周辺と中心部で温度差が生じたりすると、不純物や酸化物が製品の中心部に集まることがある。また、金型の設計が流体静力学的に問題があると、製品内部にヒビや空隙が生じることがある。
また、押出成形された製品の表面には押出し方向に直線的な筋がつくことがある。これは、金型に素材が固着したまま製造を続けている場合に起きやすい。
コンテナ内にビレットを閉じ込めて加圧する方法では、ビレットをすべて押出すことはできずに「デッドメタル」として残る。直接押出では間接押出よりも多くのデッドメタルが出る。ビレットの外面には摩擦力が働くのでダイ直前で素材の中央部だけが先進し、この塑性流動による製品内部の歪みも直接押出の方が大きくなる。また、製造時に比較的狭い押出条件から外れ、潤滑材の選定やダイの形状、圧力の調整を誤れば、製品の内部に「シェブロン・クラック」と呼ばれる空洞が生じる事がある。

合成樹脂

合成樹脂押出成形は一般に合成樹脂のチップやペレットを材料として使い、まずホッパーと呼ばれる部分にそれらを入れて乾燥させる。ポリマー樹脂はホッパーで熱せられた後、スクリューの刃で切り刻まれてさらに熱せられ、溶融した状態になる。スクリューによって樹脂が金型へと押出され、所定の形状となって金型から出て行く。その後、金型や水のタンクなどを通して冷やし、固める。繊維で強化した管を作る場合などは非常に長い金型を使って、出口から引き出すようにして成形する。そのため引抜成形 (pultrusion) とも呼ぶ。

セラミックス

セラミックスを押出成形することもできる。テラコッタを押出成形して管（土管）を製造する。レンガも最近では押出成形で作られている。