プラスチック製造：コアプロセスと次世代技術

プラスチック製造に使用される原料の主な供給源は原油である。しかし、石炭や天然ガスなど他の炭化水素から得られるものもある。環境に対するプラスチック汚染への懸念が高まり、炭化水素源が減少していくことへのプレッシャーから、デンプンやセルロースのような再生可能なプラスチック原料が、実行可能な代替品として注目されるようになってきている。再生可能なプラスチックは生分解性があり、環境に優しい。

再生可能な資源から作られたプラスチックは一般にバイオプラスチックと呼ばれ、炭化水素から作られたものは合成プラスチックと呼ばれる。プラスチックは生のままでは、ほとんど誰の役にも立たない。しかし、さまざまなプラスチック製造工程を経て、原料は樹脂やペレットというプラスチック製造業に有用な形に変化する。

基本的なプラスチック製造プロセスの概要

合成樹脂の原料となる原油は、掘削装置を使って地下の貯留層から採取される。その巨大な掘削装置は、岩盤を切り開くドリルビットの助けを借りて、地中に数千メートルの穴を開ける。原油が採取されると、次のような工程を経てプラスチックが作られる：

• 精製は、熱と蒸留を用いて原油を異なる成分に分離する。
• ナフサは分別の際に回収される成分のひとつで、プラスチック製造のベースとなる。
• ナフサは、モノマー（プロピレンやエチレンなど）と呼ばれる小さな分子に分解するために、さらなる加工を受ける。
• モノマー鎖は結合してポリマー、より高分子量の炭化水素を形成する。これは付加重合または縮合重合によって行われる。
• 重合からの生成物は、所望の特性を得るために添加剤や他の化合物と混合される。
• 加工されたポリマーは、プラスチック製品や製品部品に成形する準備が整った。

プラスチック製造における一般的な添加剤とその機能

プラスチックを製造する際に添加剤を取り入れることで、保存性、強度、柔軟性を向上させることができる。ここでは、プラスチック製造に使用される一般的な添加剤とその機能を紹介する。

• 可塑剤： 柔らかさと柔軟性を高め、プラスチックをさまざまな形に成形しやすくする。
• 熱安定剤： 有機スズ化合物や金属石鹸など、高温での劣化や変色に強いプラスチックにする。
• 難燃剤： リン系化合物のようなハロゲンフリーの難燃剤は、RoHS指令に適合しながら燃焼性を低減する。
• 抗酸化物質： 紫外線や熱による劣化からプラスチックを保護し、保存期間を延ばすために添加される。
• 潤滑油： 成形時の流動性を改善し、摩擦を低減する。
• 色： プラスチックをより魅力的なものにするだけでなく、例えば二酸化チタン（TiO2）のように紫外線防止効果を高めることもできる。
• 帯電防止剤： 静電気の蓄積を防ぎ、火災の危険やほこりの吸着を防ぐ。一般的な例としては、第4級アンモニウム塩やグリセリンエステルがある。

加工されたプラスチックのペレットやブロックを日常的な製品に変換するために使用される最も一般的な方法は、射出成形（複雑な形状の場合）、ブロー成形（ペットボトルのような中空形状の場合）、押出成形（繊維やフィルムの場合）である。プラスチックを有用な製品に変換する際、製造業者はさまざまな課題に直面し続ける。これらの課題の中には、プラスチックの品質や製造工程に起因するものもある。これらの課題のほとんどは、技術によって克服されつつある。

従来のプラスチック製造を覆す3大技術エンジン

プラスチックの製造に使われる従来の方法は、未使用の材料が大量に残るという点で、そのほとんどが無駄である。加えて、通常、労働集約的でサイクルタイムが長くなる。メーカーへの長期的な影響としては、エネルギー代の増加、人件費の上昇、時には需要に応えられないことがある。これらの不足は、メーカーがより有能な競合他社に取って代わられるリスクにさらされる。

ありがたいことに、この数十年でプラスチック製造業界は大きく変わった。新しい技術が登場し、製造業者がこれまで業界を悩ませてきた課題のいくつかを克服するのに役立っている。それらは、業界の差し迫った問題のいくつかに解決策を提示する一方で、新たな課題ももたらしている。中小企業にとっては、これらの新技術を採用することを妨げるほど大きな障害となるかもしれない。

例えば、プラスチック製造業は、金型製作や原材料の購入にすでに資本集約的である。新技術の大半も決して安くはないため、厳しい予算で運営されている企業には手が届かないかもしれない。技術を取得できたとしても、新技術の使い方を従業員に教育する必要がある。場合によっては、新技術は工場全体の改修を意味する。

プラスチック製造において最新の技術やプロセスを採用することは、経済的な意味合いはともかく、生産量の増加やサイクルタイムの短縮という形で、長期的にコストを支払うことになる。ここでは、プラスチック製造業界における効率改善を推進する最新技術を紹介する。

エンジン1スマート射出成形 - AIが歩留まりを99.51%に押し上げるTP4T

1872年、ジョン・ハイアットとアイザイア・ハイアットによる射出成形の発明は、プラスチック部品の大規模製造の幕開けとなった。射出成形機は開発以来、より良いものにするために何度も改良されてきた。最近、AIを統合してスマートな射出成形機を開発したことで、プラスチック製造業界は、人間に依存した反応的なシステムからデータ主導の積極的なシステムへと変貌を遂げた。

スマート射出成形機は、AIを活用して歩留まりを最大99.5%まで最適化するセンサーを備えています。スマート射出成形システムは、温度、圧力、冷却時間、材料の流れなどの生産パラメーターを最適化します。言い換えれば、AIシステムは、最適なパラメータで動作することにより、機械全体の有効性を高め、生産ロスを低減します。

歩留まりを向上させるだけでなく、スマート射出成形機は予測機能にAIを活用している。プラスチック製造機械に取り付けられたセンサーは、潜在的な問題がエスカレートして生産工程を停止させる前に検知することができる。潜在的な問題を早期に発見することで、機械オペレーターは予知保全を実施することができ、操業停止時間を大幅に短縮することができる。

製品サイズでは、どのメーカーも一貫した高品質の部品や製品を顧客に提供することの重要性を理解している。 AI対応システムはリアルタイムのセンサーデータを分析し、欠陥の原因となりうるプロセスパラメーターの偏差を予測するもので、多くの場合、物理的欠陥検出のためにマシンビジョンと統合されている。

スマート・システムは、データ分析を活用して、成形部品や製品に起こりうる問題を予測する。このデータに支えられ、メーカーは欠陥の発生を未然に防ぐために積極的に工程を調整することができる。ひいては、材料やエネルギーの無駄も省くことができる。下の表は、射出成形におけるAIの介入が歩留まりの最適化に役立っている主な分野を示している。

射出成形におけるAI最適化パラメータとその実現方法

AIを搭載したシステムの優れた点は、トレーニングのために多くのデータを生成するにつれて、時間の経過とともに性能が向上することだ。そのため、当初の利点は時間とともに改善され、より持続可能なプラスチック製造の実践と環境へのフットプリントの低減につながる。

エンジン 2：持続可能な素材

プラスチックの製造における最大の課題のひとつは、その素材にある。プラスチックの原料である炭化水素は再生可能ではない。炭化水素の形成には、有機物に対する地質学的圧力の作用により、数百万年を要する。燃料用炭化水素の需要が増加するにつれ、世界中で埋蔵量が枯渇する恐れがある。このため、植物由来の製品のような、より持続可能な素材からプラスチックを調達することが必要となっている。

バイオプラスチックの製造：原材料とプロセス

バイオプラスチックの原料には、コーンスターチ、キャッサバ、サトウキビ、海藻、植物油などがある。これらの食品に共通しているのは、豊富な糖分とデンプンであり、これらを加工してプラスチックの構成要素となるモノマーを得る。例えば、メーカーはまずコーンスターチを乳酸に変換し、それを重合してポリ乳酸（PLA）やポリヒドロキシアルカノエート（PHA）を形成する。

重合プロセスは、プラスチックの特性を決定するため、バイオプラスチック製造において最も重要なステップであることは間違いない。最終製品が生分解性を意図している場合、重合はそれを念頭に置いて処理される。出来上がったバイオプラスチックの特性は、ブレンドと呼ばれる工程を経てさらに改良される。これは、バイオベースポリマーに添加剤を混合することである。

また、プラスチック製造のより持続可能な材料源として、ポストコンシューマーレジン（PCR）やプラスチック再生材に重点が移りつつある。この移行はまた、天然資源からプラスチックを入手する圧力を低下させ、環境へのプラスチック負荷を低減するのに役立つだろう。

PCRは、消費者向け包装材やボトルなどの消費者向け製品に使用される。一方、リグラインドは、プラスチック製造サイクルから出る廃棄物やスクラップを回収し、再利用のために粉砕してペレットにしたものである。PCRは、新しい製品に汚染物質が混入しないように選別・分類されなければならない。汚染物質は最終製品の性能、効率、寿命に影響を与える可能性がある。

エンジン3ハイブリッド製造 - 3Dプリンティング

現在までのところ、3Dプリンティングはプラスチックの製造において最も進んだ技術である。この新技術により、製造業者は複雑な部品や製品を設計ソフトウェアから直接作成することができる。この技術は、プロトタイピングや、設計が常に進化するような状況では特に効率的です。

現在、3Dプリント技術にはさまざまな種類がある。しかし、最も一般的なのは溶融フィラメント造形（FFF）で、精度が高く、コストが低いことから好まれている。耐熱性、耐久性、強度で有名なアクリロニトリル・ブタジエン・スチレン（ABS）などの熱可塑性フィラメントを使用する。

材料は加熱され、3Dプリンターのヘッドから押し出される。プリントのプロセスは、押し出された材料を層ごとに積み重ねて、付属のコンピューター・ソフトウェアで設計された製品を形成する。3Dプリンターによるプラスチックの製造工程は以下の通りである：

モデリング

3Dプリントでプラスチック製品を製造する最初のステップは、CADのような3Dモデリングソフトウェアを使用して製品や部品のモデルを作成することです。あるいは、専用のオンラインライブラリーで希望のモデルを見つけ、ダウンロードすることもできます。

スライシング

モデルのスライスには、ideaMakerのような専用のスライスソフトウェアが使用される。この過程でGコード（指示のリスト）が作成され、モデルを構築するための最適な動作経路をプリンターに指示します。お使いのソフトウェアがプリンターに対応していることを常に確認してください。

印刷

スライスファイルはプリンターにアップロードされる。続いて、精度を高めるためにプリンターのキャリブレーションが行われる。プリンターによっては、透明パネルやアプリを使って印刷の進捗状況をモニターできるものもある。

後処理

印刷が完了したら、製品または部品をプリンターから取り出します。モデルにサポートがある場合は、それを取り外す。その他の後処理には、製品に光沢を与え、市場に出す準備をするための研磨、サンディング、組み立て、着色などが含まれる。

テクノロジーが真のペインポイントを解決する方法

プラスチック製造における技術的介入は、材料や工程の最適化にとどまらず、仕上げやブランディングにまで及ぶ。例えば、プラスチック部品を製造した後、メーカーは組み立ての際に、特に部品同士を接着する必要がある場合に課題に直面することがある。従来の方法では、部品を接合した跡が残ることが多く、製品の魅力を低下させる可能性がある。

エンジニアが最適化されたエネルギー・ディレクタを使用すれば、超音波周波数は接合界面に局所的な熱を発生させ、目に見える跡を最小限に抑えて効率的に材料を接合することができる。

レーザー彫刻ツールは、プラスチック製品へのブランディング方法も変えた。以前は、メーカーはプラスチックの本体に接着するステッカーにラベルを作成していた。あるいは、製品に直接ロゴを描いていた。しかし、これらのステッカーや塗料は簡単に剥がれてしまうため、メーカーの視認性が損なわれてしまう。また、偽造品業者は意図的にラベルを剥がし、自分たちのラベルに貼り替えることもある。

レーザー彫刻ツールを使用すれば、メーカーはロゴまたはラベルを製品本体に正確に彫刻し、製品の寿命が尽きるまでそのロゴが残ることを保証することができる。プラスチック製造技術は今後も進化し続け、それを採用するメーカーは、生産効率と消費者満足度で他を圧倒するだろう。