同方向回転二軸スクリュ押出機内の流動解析法

同方向回転二軸スクリュ押出機 (以下、二軸押出機) とは、二本のスクリュが同じ方向に回転しながら、樹脂を可塑化溶融し、ガラス繊維などと混練し、成形する連続成形機である。身の回りのほとんどのプラスチック製品の原料ペレットは、二軸押出機を使用して製造されている。二軸押出機の特徴として、スクリュエレメントの並び順を自在に変更して、スクリュを構成できるため、様々な混練状態を作り出すことができる汎用性にある。一方で汎用性が高いゆえに製品に対して最適なスクリュ構成と運転条件を選び出すことは、しばしば経験と勘に頼らざるを得ない。なぜなら二軸押出機内部の樹脂の流動状態を可視化することが難しいため、スクリュ構成と運転条件の変更がどのように流動状態を変化させ、押出物の物性に影響を及ぼしたのかという因果関係の解析が困難であるためである。 　最近我々は、株式会社HASL谷藤眞一郎氏との共同開発により二軸押出機の全体にわたり樹脂の流動状態を数値シミュレーションにより可視化する新たな計算方法 (2.5次元解析) を開発した。本講演では、可視化 (数値シミュレーション) 結果をよりよく理解するために、二軸押出機の基本的な構造からはじめて数値解析法の詳細、繊維破断や脱揮などの応用計算までを初心者向けに解説する。

1. スクリュ押出機の構造と分類
   1. 成形加工技術と押出機の歴史
   2. 押出機の構造と分類
   3. 二軸押出機のスクリュとバレル形状
   4. 二軸押出機の用途
2. スクリュと流動
   1. 流体を数式で取り扱うための基礎
   2. 連続の式と運動方程式
   3. クエット流れと圧力勾配流れ
   4. けん引流れ
   5. エクセルを利用した流速分布の簡単な演習
   6. Hele – Shaw流れ
   7. 潤滑近似
3. 二軸押出機内の流動解析
   1. 数値計算法の分類と特徴
   2. 2.5次元解析法と円柱座標系
   3. 連続の式の導出
   4. 運動方程式の導出
   5. 有限要素法における各ノードの流量バランス
   6. 有限要素方程式の導出
   7. 完全充満状態の解析
   8. 充満率分布の計算方法
4. 充満率の変化
   1. レーザー光切断法による未充満状態の測定方法
   2. 充満プロファイルの数値計算結果との比較
   3. 充満プロファイル変化と運転条件の関係
   4. スクリュ形状と充満プロファイルの関係
   5. 充満長と運転条件の関係
5. 脱揮現象
   1. 脱揮プロセスとは
   2. Latinenの脱揮のモデル
   3. 脱揮モデルの二軸押出機への適用
   4. 脱揮モデルの2.5次元解析法への実装
   5. 脱揮実験の説明
   6. 脱揮実験結果と数値計算結果の比較
   7. 数値計算によるケーススタディ
6. 繊維破断現象
   1. 繊維破断現象とは
   2. Phelps-Tuckerの繊維破断モデル
   3. 繊維破断モデルの2-5.D解析法への実装
   4. 繊維破断実験の説明
   5. 繊維破断実験結果と数値計算結果の比較
   6. 数値計算によるケーススタディ
7. その他の二軸押出機内の現象
   1. 溶融可塑化現象
   2. 液滴分散分配
   3. 化学反応