ポリウレタンフォームの製造: プロセス、装置、ラインの選択ガイド

キャビネットの発泡を社内で導入することを決定した冷蔵庫工場は通常、同じ質問から始まります。目標が安定した密度、ボイドなし、および 5 分未満の脱型時間である場合、ポリウレタン フォーム製造業者は実際に何を要求するのでしょうか?答えがマシンのデータシートに印刷されることはほとんどありません。それは、混合比、2 つのコンポーネントの温度、ショットがキャビティに配置される方法に影響します。

短いバージョン: ポリウレタンフォームの製造は、化学反応を伴う精密計量プロセスです。比率、混合エネルギー、噴射パターンを制御すると、フォームは予測どおりに動作します。どれか 1 つでも制御を失うと、どんなに金型圧力をかけても部品を救うことはできません。

以下のセクションでは、原料タンクから脱型ステーションまでのプロセスをたどり、高圧システムと低圧システムがどこで分岐するかを説明し、どの生産規模に適した設備構成を説明します。

化学から始めて、次に機械のサイズを決める

2 つの液体の流れがミキシング ヘッドで合流します。 A 側はポリオール ブレンドです: ポリオール、触媒、界面活性剤、発泡剤、そして多くの硬質配合物では水です。 B 側はイソシアネートで、ほとんどの場合、硬質フォームの場合はポリマー MDI、または軟質グレードの場合は MDI/TDI ブレンドです。ミキシングヘッドの下流にあるものはすべて、これら 2 つの流れを正しい比率、温度、圧力で正しい瞬間に供給するために存在します。

この比率は、購入時に通常よりも注目される価値があります。硬質フォームは通常、約 100 ～ 110 の指数で実行されます。この指数は、実際のイソシアネートの充填量を化学量論的要件と比較します。数パーセントの変動により、セル構造、圧縮強度、および型からの離型動作が変化し、一度泡が立ち上がると修正するのは非常に困難です。

すべてのショットが通過する 4 つの段階

• クリームタイム： 発泡剤が蒸発して反応が始まると、液体が曇って膨張し始めます。
• ジェルタイム： ポリマーネットワークは、気泡を所定の位置に保持するのに十分な強度を構築します。
• 立ち上がり時間: 発泡剤と水とイソシアネートの反応で生じる二酸化炭素によって発泡体が膨張してキャビティを満たします。
• 硬化して型から外す: 部品は歪みなく除去できるほどの未加工強度を獲得します。

これらのウィンドウは配合によって設定されますが、マシンがすべてのサイクルで同じショット重量、比率、混合品質を繰り返す場合にのみ再現可能です。

製造手順のステップバイステップ

きちんと稼働しているラインでは、部品が冷蔵庫のキャビネットであれ、車のシートパッドであれ、ポリウレタンフォームの製造は決まった順序に従って行われます。

1. 原料の状態を整えます。 ポリオールとイソシアネートはジャケット付きタンク内に置かれ、通常は摂氏約 20 ～ 25 度に保たれ、湿気が入らないように乾燥窒素がイソシアネートを覆っています。
2. 2 つのストリームを測定します。 高圧システムではアキシャル ピストンまたはギア ポンプが使用され、各コンポーネントは生産開始前に重量によって校正されます。
3. 圧力を高めて再循環します。 両方の流れが最大作動圧力で循環してタンクに戻るため、ヘッドは即座にショットを行う準備が整います。
4. 衝突により混合する。 高圧ヘッドでは、2 つのストリームが小さなチャンバー内で高速で衝突し、数ミリ秒以内に混合します。
5. 金型またはキャビティに注入します。 ショット重量、注入パターン、射出時間によって、キャビティが均一に充填されるか、空気が閉じ込められるかが決まります。
6. 発酵してゲル化します。 金型の温度と通気により、フォームが内部空隙なく隅まで到達するかどうかが決まります。
7. 型を外し、硬化して検査します。 部品はトリミングされ、重量が測定され、密度と表面品質がチェックされます。

以下の図は、これらの手順が一般的な高圧発泡設備にどのようにマッピングされるかを示しています。

高圧発泡と低圧発泡: 違いはどこにあるのか

装置に関する最大の決定事項は混合原理です。これにより、メンテナンス ルーチン、溶剤の使用、ラインが確実に処理できる最小ショット サイズが決まります。

コアマシン：発泡射出装置の選択

ほとんどのプラントは 1 台の高圧射出成形機から開始し、後で自動化を追加します。最初の決定は 2 成分か 3 成分です。2 成分ユニットではポリオールとイソシアネートが計量され、3 成分ユニットでは 3 番目のストリーム、通常はポリオールに事前にブレンドできない発泡剤、顔料、または添加剤が追加されます。

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自動化オプションとそれによって実際に何が変わるのか

• 固定ヘッド: 最も低コストの配置で、単一の金型位置または固定治具に適しています。
• トラックマウントヘッド: ヘッドは金型ラインに沿って移動するため、1 台の機械で複数のステーションを順番に処理できます。
• XY軸マニピュレータ: 平らな金型上のプログラムされた注入経路。パネルや浅いキャビティ形状に役立ちます。
• 6軸ロボット： 再現可能な 3 次元の流し込みパターン。通常、部品の形状が頻繁に変化する場合に選択されます。

通常、利益は実際の速度ではなく再現性から得られます。ショット重量をタイトなバンド内に保持するマシンは、単にサイクルが速いマシンよりもはるかに確実にスクラップと過剰梱包を削減します。

ラインレイアウト：出力ボリュームの構成が変わる場合

単一の機械と固定された金型は、ある程度まではうまく機能します。離型時間が、1 つの金型の装填、閉鎖、発泡、硬化、およびアンロードに必要な時間よりも短くなると、その金型は機械を忙しくさせることができなくなります。これがライン レイアウトが埋めるように設計されたギャップであり、それが理由です。 ポリウレタン発泡装置 範囲は複数のアーキテクチャに分割されます。

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• ターンテーブルライン: 金型は、荷重、発泡、硬化およびアンロード位置を通じてインデックスを作成するため、一定のタクト タイムと少数の同一部品に適合します。
• H型ライン： 金型キャリアは 2 つの平行なレールに沿って移動するため、硬化経路が長くなり、床面積を大きくせずにステーション数を増やすことができます。
• 環状線: 同じ部品を一度に数か月間実行する大量生産のための連続ループ。

タクトタイムとパーツミックスでお選びください。多くの異なる部品を稼働させるプラントでは、通常、より長い硬化ループよりも迅速な金型交換の方が多くの利益が得られます。

シクロペンタンと発泡剤の選択

発泡剤の選択により、断熱性能とライン周りの安全装置の両方が決まります。シクロペンタンは、地球温暖化係数が低いため、冷蔵庫のキャビネットや硬質断熱パネルに一般的に選択されていますが、可燃性であるため、現場での換気、電気分類、および材料の取り扱い手順が変化します。

シクロペンタン プレミックス システムは、制御された温度と圧力の下で発泡剤をポリオールにブレンドするため、混合されたポリオールは、すでに発泡剤が入った射出機に到達します。ミキシングヘッドで液体シクロペンタンを個別に注入する場合と比較して、予混合によりセル構造がより均一になり、濃縮された可燃性液体が閉ループ内に保持されます。

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古いフルオロカーボン システムから転換するプラントの場合、既存の射出成形機を最新のシールと改訂された制御パラメータで維持できることが多いため、プレミックス ルートがより管理しやすいパスとなることがよくあります。

泡の品質を決定するプロセス変数

機器が設置され、校正されると、ほとんどの品質問題の原因となるいくつかの変数が考慮されます。

• 混合比ドリフト ポンプシールの磨耗、粘度の変化、または誤った校正が原因で発生します。
• 部品温度 それは配合範囲の外にあり、反応性が変化します。
• 射出圧力 これは完全なインピンジメント混合には低すぎるため、縞や粗いセルが生成されます。
• 流し込みパターンとショット重量 エアポケットが残ったり、空洞が過剰に詰まったりします。
• 金型温度と通気 表面品質とサイクルタイムを決定します。

ボイドやショートショットから密度変動や表面ブリスターに至るまで、ほとんどの欠陥は、これら 5 つのうちのいずれかに遡ります。パラメータをランダムに調整するよりも、順番に作業するほうが高速です。 一般的な PU フォームの欠陥とその修正 は、初めて障害が発生した場合に役立つチェックリストです。

ポリウレタンフォームの製造に関するよくある質問