ホットプレスとは
ホットプレスとは、高温に熱した材料に高圧力をかけて加工を行う装置のことです。
金属材料が高温になることで柔らかくなり、その状態で高圧力を加えることで塑性加工が可能となります。そのため、ホットプレスは多くの分野で幅広く使用されています。
ホットプレスの加圧方式は、基本的に一方向のみの単軸型ですが、多方向から加圧できる多軸型も存在し、用途に応じて選択可能です。また、ホットプレスで使用する温度は、数百度から、セラミックスの処理に必要な2,000℃以上の高温まで対応しています。
ホットプレスの使用用途
ホットプレスは、大きく分けて2つのタイプがあり、それぞれ異なる目的で活用されています。
1. 接合用ホットプレス
接合用ホットプレスは、金属や複合材料を接合し成形する際に使用されます。温度は比較的低く、数百度程度での使用となります。接合用ホットプレスは、材料同士を熱と圧力で結合させ、高品質な製品を生産することが可能です。
2. 焼結用ホットプレス
セラミックスや金属酸化膜基板を作る際に使用される装置です。焼結用ホットプレスでは、酸化アルミニウムをはじめとするセラミックスや金属酸化膜基板など、高温処理が必要な材料に対応しています。
酸化アルミニウムの粉体を高圧力で押し固めることにより、非常に硬いセラミックスが得られます。
ホットプレスの原理
ホットプレスは、高温と高圧力を組み合わせた加工方法です。まず、加圧には油圧が使用されます。圧力は機器によって1MPa (大気圧の10倍程度) から70MPaと幅広く選択可能です。
単軸型では、ワークに一方向から圧力が加えられて加工されます。一方、多軸型では、材料によっては複数の方向から圧力が必要な場合があり、数方向から圧力を加えることが可能です。
ヒーターでは、高温の場合は2,500℃程度まで加熱できます。黒鉛ヒーターを用いた抵抗加熱が行われ、高温を得ることが可能です。単純なホットプレスの仕組みでは、2つの平らな板を加熱し、その間にシート状の素材を置いてプレスすることで、樹脂シートなどの製品が作られます。
高温で使用されるため、出来立ての製品は非常に高温になっており、粗熱が取れるまで動かせない場合も多いです。このような場合には、冷却システムが搭載され、処理時間を短縮しています。
ハイテン材のその他情報
1. ハイテン材のホットプレス
自動車の骨格ともいわれるフレームは、自動車の強度や剛性に直結します。事故の際に乗員を守るうえでも重要な部分であることから、重く厚い金属材料を使うことで強度を高めていました。しかし、環境問題への関心から自動車の燃費向上を目的として自動車の軽量化が強く望まれ、フレーム部分の材料は軽さ、硬さ、薄さを兼ね備えた金属材料 (ハイテン材) が採用されるようになりました。
ハイテン材は従来品に比べて、軽量化に対して非常に有効です。しかし、高強度であるために製品の成形が困難であるという特徴があります。 ハイテン材の成形を行う際は、大きなプレス機を用いて高い成形荷重をかける必要があり、スプリングバッグも増大していました。スプリングバッグとは、物体の形を変える力 (プレス加工) よりも元の形に戻ろうとする力が大きい時に発生する現象です。
成形精度の再現性の難しさや金型にも負担をかけることから、従来プレス (コールドプレス) でのハイテン材の加工はとても困難とされていました。 しかし、ホットプレスでは硬いハイテン材を加熱し、軟化させることで成形を容易にします。加えて、スプリングバッグの発生を抑えられ、正確な寸法精度を出すことが容易となりました。
2. ホットプレスのメリット・デメリット
ホットプレスには成形加工を容易にするというメリットの他に、製品の強度が上がるという効果もあります。 熱せられた材料を金型で圧力をかけ冷やし固めることで、焼き入れ効果が発生し完成品はさらに高強度になります。 成形加工時は軟らかく、成形後製品は硬いことがホットプレス最大のメリットです。
その反面、ホットプレスには生産コストが非常に大きいというデメリットがあります。 材料を熱するための加熱炉が必要であり、初期投資とランニングコストが共にかかります。 また、生産の際には金型内で製品を冷却する時間を要するため、生産にかかる時間は従来プレス品の何倍も必要です。
その他、追加の加工に制約があります。 高強度のため形を変える加工はできず、穴をあける、切断するといった加工に限られます。
参考文献
https://www.ihi.co.jp/ims/products/hotpress/index.html
https://www.jutem.co.jp/
https://www.nipponsteel.com/tech/nssmc_tech/car/car_02/01.html