プラスチック グレージング押出成形: 窓とドアのプロファイル ソリューション

すべての窓システムは押し出し成形されたコンポーネントの集合体であり、何かが故障するまでほとんどの人が考えたこともありません。たとえば、20 年間紫外線にさらされ続けたガラス ビードに亀裂が入ったり、冷却勾配が数度ずれたためフレームのプロファイルが歪んだり、共押し出しガスケットのデュロメータ バランスが調整されていなかったためにシールが湿気を透過したりします。ガラスを所定の位置に保持し、熱伝達を遮断し、天候を遮断するプロファイルはすべてプラスチック ガラスの製品です。{0}押し出しとその背後にあるエンジニアリングは、汎用のプロファイル作業よりもはるかに要求が厳しいものです。-

 

この記事では、窓ガラス、窓枠、ドア システム用の押出プラスチック プロファイルを指定または製造する際に重要となる、材料の決定、プロセス変数、コンプライアンス要件について説明します。私たちは 1998 年以来、PVC、ポリカーボネート、アクリルのこれらのコンポーネントを製造してきたメーカーの視点から記事を書いています。そのため、教科書に書いてあることだけでなく、ライン上で実際に何が問題になり、それをどのように防ぐかに重点を置いています。

プラスチック グレージング プロファイルが窓とドア システムに適合する場所

完成した窓またはドア ユニットは、複数の異なる押し出しプロファイルが連携して機能することに依存します。フレームのプロファイルは構造の周囲を形成します。サッシのプロファイルは、ガラスを運ぶ可動要素です。グレージング ビーズ (グレージング ストップとも呼ばれます) は、サッシにパチッとはめ込むかねじ込み、ガラス板を所定の位置に固定します。ウェザーストリップとガスケットは、可動部品と固定部品の間の界面を密閉します。サーマルブレークは、アセンブリ内の熱伝導経路を遮断します。また、カーテン ウォール システムでは、ガラス チャネルが風荷重や熱の動きに対してガラス パネルを緩衝します。

ドア システムはこれに独自のプロファイル要件を追加します。 uPVC ドア フレームの押し出し成形は、窓フレームよりも重い静荷重に耐える必要があります。下部の敷居プロファイルは歩行者と水への露出を同時に確認し、ドア柱プロファイルはどの窓マリオンよりも広いスパンにわたってヒンジの重量を支えます。パティオ ドアのスライディング ドア トラックには、窓サッシのプロファイルには必要のない共押出成形の磨耗表面が必要です。-これらの違いは、窓工事のみの経験を持つサプライヤーが、全面ドア-および-窓ガラス プロジェクトの構造と耐久性の要件を過小評価している可能性があることを意味します。

これらのコンポーネントにはそれぞれ異なる性能要件があるため、1 つのウィンドウ システムでは、同じアセンブリ内で 3 つまたは 4 つの異なるプラスチック材料と複数の押し出し技術が使用される場合があります。パッシブ住宅窓の三重ガラス ユニットを保持するガラス ビードは、パティオのスライド式ドアをシールするウェザーストリップとは異なる寸法公差とデュロメータの要求に直面しています。-どちらを理解するかプラスチック異形押出プロセスウィンドウ プロジェクト仕様の最初のステップである関数にマップします。

ガラス部品全体の材料選択: PVC、ポリカーボネート、アクリル

窓業界のデフォルトの想定では、PVC または uPVC がすべてを処理します。これはフレーム プロファイルやほとんどのガラス ビーズに当てはまりますが、透明パネル、ハイインパクト ゾーン、濃い色の外装フレーム、つまり PVC が最適な選択ではなく、選択を誤るとすぐにコストが高くなる 3 つのシナリオを考慮すると不完全です。

硬質 PVC と uPVC は、断熱性、溶接性、コストの組み合わせに匹敵する材料が他にないため、フレームとサッシのプロファイルの大半を占めています。標準の uPVC フレーム コンパウンドは 170 ～ 200 度で押し出され、過剰なダイスウェルなしでマルチチャンバー ダイ形状に対応し、コーナーで融着-して、機械的に固定された代替品よりもはるかに優れた熱膨張応力に耐えるモノリシック構造を作成できます。-不透明な構造コンポーネントの場合、PVC はほぼすべてのシナリオで正しい選択です。

ポリカーボネートは、衝撃に耐えながら押し出されたプロファイルが透明または半透明である必要がある場合に最適です。天窓、温室構造、およびセキュリティ用途用の PC ガラス パネルには 260 ～ 290 度の押出温度が必要で、ISO 179 ノッチ付きアイゾット試験によると、同等の厚さのフロート ガラスの約 200 倍の耐衝撃性を実現します。トレードオフはコストであり、2025 年半ばの時点で PC 樹脂の価格は通常 PVC コンパウンドの 3 ～ 4 倍であり、加水分解を避けるためにより厳密な水分管理 (樹脂サプライヤーの乾燥ガイドライン、たとえば Covestro Makrolon 加工マニュアルに従って 0.02% 以下) を必要とする加工ウィンドウが狭いためです。プロジェクトの場合、ポリカーボネート押出材フレームコンポーネントではなく実際のガラスパネルとして機能するため、エンジニアリングの複雑さはPVCフレームワークとは大幅に異なります。

アクリル (PMMA) は、ASTM D1003 に基づく厚さ 3 mm で光透過率 92% と、押出成形プラスチックの中で最も高い光学的透明度を提供します。これに対し、同じゲージの PC では約 88% です。そのため、ディスプレイのガラスや視覚的な歪みが許容できない用途に適した材料となっています。しかし、その脆性と耐衝撃性の低さにより、その使用は保護ガラスまたは非構造ガラスの状況に限定されます。-

マルチ-チャンバーの設計と断熱の物理学

押し出し成形された窓枠のプロファイル内の内部チャンバーの数は、その熱性能の最大の決定要因です。各チャンバーは、対流熱伝達を妨げる閉じ込められたエアポケットを作成し、チャンバー間の隔壁は伝導抵抗を追加します。

EN ISO 10077-1 境界条件に基づいて計算すると、3- システム深さ 60 mm の Uf は、欧州プロファイル システム認証からの公開シミュレーション データごとに 1.5 ～ 1.8 W/m²K になります。深さ 70 mm の 5 チャンバー システムでは、約 1.2 ～ 1.3 W/m²K になります。たとえば、BBA 認定の Liniar 70mm システムは、A+ エネルギー定格 (BWS ウィンドウ）。完全なウィンドウ Uw が 0.8 W/m²K を下回らなければならないパッシブ-住宅認証のしきい値に到達するには、6 ～ 7 つのチャンバーを備えたプロファイルが必要になり、多くの場合、リサイクルされた押出成形スタートアップスクラップから作られたフォームインサートまたはクリップインサーマルダムで補完されます。-

しかし、チャンバー数だけではすべてを語ることはできず、多くの仕様書が購入者を誤解させるのはこの点です。完全なウィンドウ U- 値 (Uw) は、次の 3 つのコンポーネントから計算されます。EN ISO 10077-1: フレーム値 (Uf)、グレージング値 (Ug)、およびガラス端での線熱透過率 (Ψg)。低予算のガラスと標準のアルミニウム スペーサー バーを組み合わせた 7 チャンバー フレームは、トリプル Low-E ガラスとウォームエッジ スペーサーを備えた 5 チャンバー フレームよりもパフォーマンスが低下する可能性があります。-プロファイルの形状は重要ですが、完全なアセンブリのコンテキスト内で評価する必要があります。その評価には、データシート上のチャンバー数だけでなく、押出パートナーが達成できる正確な Uf を知る必要があります。

PVC プロファイル内のスチール補強により、別の変数が追加されます。強風地域の構造規則では、剛性を高めるために特定のチャンバーに亜鉛メッキ鋼インサートを使用する必要があります。-これらのインサートは、熱ブリッジを防ぐために外面から熱的に隔離する必要があります。これは、プロファイル設計者が補強チャンバーを外壁から離して配置し、少なくとも 1 つの断熱エアギャップでそれらを分離する必要があることを意味します。空隙を介さずに外壁に隣接するチャンバー内に鋼材を配置すると、通常、EN ISO 10077-1 熱橋モデリングに従って計算された Uf に 0.3 ～ 0.5 W/m²K が追加されます。このペナルティは、厳しい気候帯での EN 12608 クラス A 分類に不合格となり、それ以外の場合は準拠しているプロファイルを必須の再設計サイクルに押し込むのに十分です。

ウィンドウプロファイルの品質を決定する押し出しプロセスの変数

窓やドアの異形押出成形は、配合物の準備、溶解、金型成形、真空校正、冷却、引き取り、切断といった一般的な異形材の作業と基本的なプロセス フローを共有します。-しかし、公差はより厳しくなり、逸脱による影響はより高価になります。

 

PVC ウィンドウ プロファイルの場合、ほとんどの生産ラインでは、ドライ ブレンド パウダーを直接受け入れる円錐形二軸押出機が使用されており、造粒ステップが不要です。{0}{1}二軸スクリュー構成により、熱劣化の危険を冒すことなく、170 度から 200 度の温度で PVC コンパウンドを完全に溶融するために必要な高せん断混合が可能になります。バレルゾーンの温度は、すべてのゾーンにわたって設定値の±2度以内に維持する必要があります。ばらつきが大きくなると、溶融の不一致が生じ、下流での寸法ドリフトや表面欠陥として現れます。

 

マルチチャンバー ウィンドウ フレームの型を間違えた場合の一般的なコストは、修正ごとに 8,000 ～ 12,000 ドルと 3 ～ 4 週間の遅れです。-ダイランドの長さ、圧縮率、流路の形状はすべて、鋼材を切断する前に計算による流動シミュレーションを必要とします。これは、この価格帯での試行錯誤の繰り返しが、ウィンドウ プロファイル ツールで最も避けられるコスト超過であるためです。--私たちのツールの経験では、事前のシミュレーションへの投資は、2 回目のサンプル反復が行われないことで元が取れます。

 

真空校正は、金型の出口と仕上がり寸法の間の重要な橋渡しとなります。加熱されたプロファイルは、負圧 (通常 0.06 ～ 0.09 MPa) の下で校正スリーブに入り、水冷によって形状が固定されながら精密表面に保持されます。当社の生産ラインでは、搬出ステーションでインライン レーザー測定を使用して、生産工程全体にわたって重要なグレージング ビードの合わせ面が ±0.1 mm まで検証されています。-これは、汎用の押出成形工場が測定することはおろか、保持することもほとんどない許容レベルです。- [大昌内部データ-は公開前に±0.1mm仕様とインラインレーザー方式を確認]

 

真空度が低すぎると、プロファイルが校正面から垂れ下がり、寸法が変動します。冷却が不均一で、上面が下面よりも速く冷却されたり、一方の面がもう一方の面よりも速く冷却されたりすると、内部応力の非対称性が蓄積し、プロファイルを切断して保管した後に反りとして現れます。引き取りユニットは、押出機の出力と完全に同期した速度を維持する必要があります。わずかな速度の不一致でも、完成したプロファイルに曲がりやねじれとして現れる長手方向の応力が生じます。押出装置の構成がこれらの変数にどのような影響を与えるかについて詳しくは、当社の概要をご覧ください。プラスチック押出プロセスの基礎ウィンドウ固有の行の基礎となる一般原則について説明します。{0}

グレージング プロファイル用の共-押出成形およびデュアル-デュロメータ技術

単一材料の押出成形では、フレームのプロファイルと単純なトリムを処理できますが、窓やウェザーストリップ用のプラスチック グレージング ビーズの場合は、通常、共押出成形が必要です。-これは、2 つ以上の材料を同じダイに同時に押し込んで、1 回のパスで複合断面を作成することです。-

窓システムにおける最も一般的な共押出成形の用途は、デュアルデュロメータ グレージング ビードです。{0}{1}{1}ビードの一部は硬質 PVC で、窓サッシの溝にはめ込み、構造を保持します。隣接する部分は柔らかく柔軟な PVC または TPE で、ガラス表面に押し付けてシールを形成します。この二重材料アプローチにより、別個のガスケットを剛性ビードに挿入する二次組立ステップが不要になり、製造コストが削減され、シールの信頼性が向上します。

エンジニアリング上の課題は、送り速度のバランスです。共押出ダイに供給する各押出機は、正確に一致した体積流量で材料を供給する必要があります。-柔らかいコンパウンドが硬いコンパウンドよりわずかでも速く到達すると、ダイの圧力分布が変化し、完成したビードが曲がったりねじれたりします。実際には、最初に-新しいスナップイン ビード ツールでスクラップを実行-し、送り速度のバランスが確認されてロックされるまで 15 ～ 25 メートル実行します。購入者が驚かないように、その立ち上げ手当を見積りのセットアップ時間と材料費に組み込んでいます。 [大昌内部の-は公開前にスクラップ範囲が15～25メートルであることを確認]

三-押出成形はさらに進化しており、断熱用の発泡 PVC コア、耐候性用の硬質 PVC 外側シェル、ガラス保持用の柔軟なフランジがすべて 1 回の連続パスで形成されます。このアプローチは北米の交換用窓の製造に起源を持ち、在庫を確認して組み立てる必要がある個別のプロファイルの数を減らします。トレードオフは、ツールのコストとプロセスの複雑さです。 3 つの押出ダイには、正確に調整された 3 台の押出機が必要です。品質問題のトラブルシューティングとは、3 つの材料の流れのどれが欠陥の原因となっているかを診断することを意味します。

ASA 共押出キャッピング-については特に言及する価値があります。カスタムプラスチックウィンドウプロファイル屋外での露出を目的としています。たとえば、Deceuninck の Eclipse 製品ラインでは、SunShield 顔料技術を使用した ASA キャッピングを使用して、特に直射日光下での木炭および無煙炭プロファイルの表面温度を制限します。この問題は、周囲の表面温度が 60 度を超えると、固体のダーク PVC ではうまく処理できなくなり、その時点で寸法クリープが加速し、フレームの反りが保証問題になります。 PVC 基板上に共押出された薄い ASA キャップ層は、PVC 単独と比較してはるかに優れた耐紫外線性と色保持性を実現し、ヨーロッパのウィンドウ システム ブランドのいくつかがこのアプローチをダーク フレームの美しさの標準ソリューションとして採用しています。-

一般的なウィンドウ プロファイルの欠陥の診断と防止

ウィンドウ プロファイルの押し出しは、厳しい公差と大量生産が交わる場所で行われます。つまり、商品の押し出し作業よりも欠陥がより重大であり、除去するのが困難であることを意味します。{0}品質問題の大部分は 3 つの故障モードで説明されます。

押し出し後のワーピング-これは最も一般的で、最も高価な欠陥です。プロファイルは完璧に見えるラインから出て、インライン寸法チェックに合格し、残留内部応力が緩和されるにつれて 24 ～ 48 時間以内に目に見える曲がりやねじれが発生することがあります。根本原因は十分に文書化されていますが、-製造現場では十分に測定されていないことがよくあります。つまり、ダイゾーンの温度差が ±3 度を超えると、反りの確率が約 300% 増加し、上面と下面の冷却速度の差が 15% を超えるため、曲げ変形が本質的に避けられなくなります (ミッドテック).

表面の粗さと「シャークスキン」の質感プロファイルの外側にあるため、外観が重要な建築用途では製品を販売できなくなります。このメカニズムは、メルト フロントとダイ壁の間の過剰な摩擦であり、通常は PVC コンパウンドの溶融強度が不十分であることが原因で発生します。文書化された事例の 1 つは、持続的なサメスキンが原因で窓枠の不合格率が 78% にとどまったプロファイル製造業者に関するものです。 2% の ACR-401 加工助剤を添加すると、溶融均一性と表面平滑性が向上し、合格率が 99% に達しました。

時間の経過に伴う寸法クリープはより微妙な問題です。 PVC は、押出成形後数週間にわたって長期的な収縮挙動を示します。その速度は、冷却体制と特定の配合配合によって異なります。-生産ラインの最後で許容範囲内で測定されたウィンドウ プロファイルは、倉庫保管中に、特に-気候-管理されていない施設では、仕様から外れてしまう可能性があります。

鉛フリー安定剤の移行とそのプロセスへの影響-

数十年にわたり、鉛ベースの安定剤は硬質 PVC ウィンドウ プロファイル配合のバックボーンでした。{0}これらは、優れた長期熱安定性、広い処理範囲、低コストを実現しました。-ヨーロッパの PVC 業界は、VinylPlus の枠組みに基づいて 2015 年までに鉛安定剤の自主段階廃止を完了し、現在 REACH 規制により、EU で販売される新製品の鉛含有量が 0.1 重量% 未満に制限されています。{4}

業界の代替品であるカルシウム-亜鉛（CaZn）安定剤システムはうまく機能しますが、ドロップイン代替品ではありません。- CaZn 配合物では、リード システムが本質的に提供するのと同じ熱安定性ウィンドウを達成するために、より慎重にバランスのとれた共安定剤、潤滑剤、加工助剤のパッケージが必要です。{3}実際には、これは押出加工ウィンドウが狭くなることを意味します。適切な溶融と熱劣化の間の温度範囲が狭くなり、オペレータは一貫した出力品質を維持するためにより正確な制御が必要になります。

ほとんどの技術文献で取り上げられていない複雑な問題は、互換性のリサイクルです。現在廃棄物として流通している使用済み PVC 窓形材は、20～30 年前に鉛ベースの安定剤を使用して製造されました。-リサイクルする場合、この従来の材料は新しい CaZn- 安定化化合物と一緒に処理する必要があり、安定剤システム間の相互作用は、加工性と長期耐候性の両方に影響を与える可能性があります。-一部の有機安定剤系は、この移行段階で CaZn よりも優れた相互適合性を示します。-サイエンスダイレクト)、しかし、特定のブレンドを検証するために必要なテストは、リサイクル プログラムにコストと時間を追加します。

リサイクルされた内容物を組み込んだメーカーからウィンドウ プロファイルを調達している購入者にとって、尋ねるべき質問は、単に「何パーセントがリサイクルされているか」ではなく、「従来の鉛と現在の CaZn の流れの間の安定剤の相互汚染をどのように管理しているか」ということです。{0}当社では、ブレンド段階に入る前に、すべてのリサイクルバッチに対してメルトフローインデックスと熱安定性テストを実行します。 [大昌内部の-は出版前にMFI/熱安定性試験プロトコルと転用慣行を確認]

規格とコンプライアンス: 実際にテストされる内容

ウィンドウ プロファイルの規格は地域によって異なり、ある市場で認定されたプロファイルが、再策定または再設計しないと別の市場の要件を満たさない場合があります。

ヨーロッパでは、EN 12608 が PVC-U ウィンドウ プロファイルを気候帯 (中度または重度) ごとに分類し、寸法公差、低温での耐衝撃性、熱復帰性、および人工耐候性に対する要件を定義しています。この規格では、重要なパラメータである最小肉厚も指定しています。これは、最小厚さを下回って押し出されたプロファイルは他の試験には合格する可能性がありますが、強風設置では構造的に不合格になる可能性があるためです。-

北米の要件は、PVC 外装プロファイルに関する ASTM D4726 と熱性能に関する NFRC 認証を中心としています。実際的な大きな違いは測定方法です。ヨーロッパの U- 値と北米の U- 因子は、基礎となる物理学は同じですが、基準温度と試験条件が異なるため、数値を直接比較することはできません。 (デベスト).

アジア-太平洋市場はつぎはぎ状態です。中国は PVC プロファイルに関して GB/T 8814 に従っています。インドはIS 12753を参照。また、東南アジアの多くの市場では、プロジェクトの設計コンサルタントの出身地に応じて、EN または ASTM 認定のいずれかを受け入れます。輸出業者にとっての実際的なアプローチは、最も要求の厳しい規格、通常は EN 12608 に従って製造し、異なるラベル要件を持つ市場に参入する際に同等性を示すことです。

リサイクルされたコンテンツ: 野心と押出ラインが出会う場所

ヨーロッパの大手メーカーは現在、ウィンドウ プロファイルに 30～40% の再生 PVC 成分を組み込んでおり、高度な押出成形施設での産業廃棄物のリサイクル率は 90% を超えています。-しかし、ウィンドウプロファイルのリサイクルコンテンツの技術的課題は、パイプや商品シートの押出成形におけるものとは質的に異なります。

ウィンドウのプロファイルには厳しい寸法公差が要求されます。当社のラインでは、インラインレーザー測定によって検証された重要な合わせ面で ±0.1mm を維持しており [大昌社内 - 確認]、同じ仕様での生産間の色一貫性目標 ΔE < 1.0 を維持しています [大昌社内 - ΔE 目標の確認]。エンジニアリング フォーラムでの議論を通じて確認された、経験豊富な押出業者の業界慣行は、材料履歴が完全にわかっている社内での再生材のみを使用し、消費者による外部リサイクルは、内部チャンバーや共押出プロファイルのコア層などの重要ではないプロファイル ゾーンに限定することです。{{7}{8}{9}{9}}この違いは次の点で重要です持続可能な押出プログラムなぜなら、性能保証を損なうことなく、どの程度のリサイクル内容レベルが達成可能であるかについて現実的な期待を設定できるからです。