粉末成形機とは
粉末成形機とは、粉末成形に使用する機械のことです。
粉末成形とは、金属、セラミック、薬品、樹脂、食品などの粉末状の原料に、圧力を加えて成形することを指します。粉末成形機は、卓上に設置して少数の部品や錠剤を製造する実験室向きの機械から、工場のラインの中で部品を大量に製造する大掛かりな機械まで様々なバリエーションがあります。
粉末成形機の使用用途
金属の粉末成形は、溶融による成形方法では作りにくいような小さくて複雑な形状をした部品を製造する際に用いられます。金属の粉末成形では非常に大きな力を材料に加えて成形しますが、金属部品はそのままでは強度が不足します。そこで焼結という熱処理を施すと、必要な強度を得ることが可能です。
セラミックスの粉末成形では、電気・電子機器の中で使用される絶縁性を要求される部品の製造などに使われます。セラミックスの粉末成形も金属の粉末成形と同様に、粉末成形だけでは強度が不足している場合が多くあるため、焼成という熱処理を加えることで必要な強度を確保しています。
薬品や食品の粉末成形の場合は、粉末を固めてタブレット製品を作ります。タブレットは医薬品としては錠剤、食品ではお菓子の場合には錠菓と呼ばれています。これらの製品の場合は溶けることが前提であるため、強度を高める必要はありません。
粉末成形機の原理
粉末成型機の基本原理は、粉末状の原料を金型の中に充填し、圧力をかけて成形することです。加える圧力の大きさ、圧力を加えている時間、圧力を加える際の原料の温度などを制御して、必要な硬さの成型品を作ります。
圧力をかける際は、一定時間に一定の圧力をかけ続ける場合もあれば、圧力に強弱の変化をつけながら一定時間圧力をかける場合もあり、成形品に応じたプロセスがあります。
単純な薄い円筒形の成形品を作る場合、金型は原料を充填するのに必要な十分な高さを持った円筒状のダイと、ダイの中で上から圧力を加える“蓋”の役目をするアッパー・パンチと、下から力を加える“底”の役割をするロワー・パンチからできています。
粉末成形では、粉末原料に均等に力を加えることが重要になります。この円筒形をした金型の場合は、金型の中に原料を充填した後は、アッパー・パンチとロワーパンチが同時に同じ圧力を加えて圧縮成形します。 形が複雑な成形の場合、金型の中で粉末材料に均等に圧力を加えることが難しいため、金型を細かく振動させながら圧力を加えるなどの工夫を取り入れた装置があります。
また、チャンバー内に圧力を加える機構を収納して、粉末成形をしながら同時に高温状態にして焼成を行う装置など、要求に応じて様々な装置が開発されています。
粉末成形機の構造
最も簡単な卓上型の粉末成形機は、手動の油圧ポンプを使って圧力を加えます。ポンプのホースは上下のシリンダにつながっていて、途中に圧力計が付いています。圧力計の値を観ながらポンプを動かして上下のシリンダを押し出し、金型のアッパー・パンチとロワー・パンチに圧力をかけます。加える力の大きさは、20kN (キロニュートン) から200kN程度のものがあります。
加圧が済んだ後は、ポンプについている減圧弁を動かして圧力を抜きます。 成形品を取り出す際には、上のシリンダとアッパー・パンチの間にリムーバーという金属部品を入れます。リムーバーはアッパー・パンチを押さずにダイを上から押す構造になっています。
リムーバーを取り付けた状態で、ポンプを使って圧力を加えると、下側のシリンダに押されて、ロワー・パンチが成形品とその上に乗っているアッパー・パンチを上に押し上げます。それと同時にリムーバーがダイを押し下げるため、成形品がダイから出てきて取り出すことができます。
粉末成形機の種類
粉末成型機には、ポンプを使わずにネジを切った金属棒の上にハンドルが付いた構造のものがあります。このタイプは5kN程度の低荷重の成形に向いています。荷重を加えた状態を長時間保持し、金型を加熱して保持することが可能です。
粉末成形では、製品が大きくなると面積に比例して大きな荷重をかける必要があります。そこで、金型を振動させながら原料を充填し、振動させながら圧力を加えることで、低圧にて均一充填と規則正しい粒子の配列、脱気作用の促進ができるようにした装置があります。
このように、粉末成形機は基本原理は簡単ですが、成形品が求める性質に合わせて様々な技術が付加されます。 工業用に使われる粉末成形機は、圧力のかけ方、温度条件、振動のかけ方、材料の充填と成形品の取り出し方法などに、より緻密な精度が要求されます。
その一方で、操作性、再現性、自動化と高いスループットなどが要求されます。電動ポンプによる加圧はもとより、制御用のコントローラを持ったものや、原料の充填と製品の取り出しの機構を設けたものなど、よりシステマチックな装置です。