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小型の回転バレル研磨機でアクリル樹脂の面取りと光沢仕上げができるのか検証してみた

アクリル樹脂-バレル研磨機(鏡面仕上)ブログ
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小型の回転バレル研磨機でアクリル樹脂を研磨できるのか?

アクリル樹脂(回転バレル研磨-比較)2

管理人
管理人

樹脂製の作品の面取りや光沢仕上げを回転バレル研磨機で加工できるのか?」同じようなご質問をいくつか頂いたので記事化しています。家にあるものや買い求めやすいものを用いているため、最適なメディアやコンパンドの組み合わせではないと思いますが、バレル研磨機やメディア・コンパウンド選びの参考になれば幸いです。

使用した回転バレル研磨機

KT6808/KT2000

検証で使用した回転バレル研磨機はHuanyuが販売しているKT-2000。近年、安価で出回っている研磨槽がアクリル製のバレル研磨機ですが、おそらくKT-****系を含め、類似している設計の機種はOEM品か、既存の製品を模倣した製品だと考えられます。

KT6808-KT2000-KT3010-研磨槽のサイズ

これらの小型の回転バレル研磨機は指輪などの大きさのジュエリーには丁度よい大きさですが、検証で使用したような大きさのアクリル板を複数研磨するにはどれも小さく感じました。基本的にマス(ワーク+メディアの体積)の装入量は研磨槽内の容積に対して50%となります。ワークとメディアの混合比が1:3以上(ワークの体積が増える)とワーク同士が衝突する発生が多くなり、仕上がりが悪くなったり、研磨能率が低下するからです。その他に、研磨槽は径が大きくなるほど、流動層のゾーンが長くなるため、研磨能率が高くなり、研磨時間が短縮されます(後節に詳述)。
回転バレル研磨機(15LB)に使えそうな予備バレル槽/ロックタンブラー/天然石 金属 パーツ研磨 面取り
しかし、バレル槽が大きい業務用のバレル研磨機は高額なうえ、場所をとるため個人では買い求めにくいです。少しでも量産性を向上したい場合は、バレル容積が大きいKT-3010/DV10のようなモデルが適していますが、高額(50,000円↑)になるため、低予算だとおすすめしにくいです。
このため、長いローラー(丸棒)の上で研磨槽を回す割安な回転バレル研磨機(15LB)でKT-3010/DV10用のバレル槽を24時間回して本機に問題がないか、近いうちに検証したいです。
追記:自作の回転バレル研磨機では問題なかったが、15LBでは桶が転がり落ちました。

メディアと水の量について(重要)

回転バレル研磨機(マス装入量と水量の基本)

マス(メディア+ワーク)の装入量
マスとはメディアとワークを混合したものです。回転バレル研磨機のマス装入量は研磨容積に対して50%が基本です。なぜなら、マスを研磨槽の50~60%入れたときに流動層の深さと長さが大きくなり、研磨能率が向上するからです。回転バレル研磨機は研磨槽を縦回転させたときにマス表層部に流動層が形成され、この流動層をワークが滑ることで研磨されます(動画参照)。マスの装入量が少なかったり、ワークの混合比が大きいと研磨能率が低下したり、打痕がつきやすくなるため注意を要します。
水量
基本的に回転バレル研磨機の水量は研磨槽を静止させたときに水位をマスの表面に一致させます。マスの装入量の対して水量が多すぎると、研磨能率やコンパウンドの効果が低下するので気をつけて下さい。マス表面より水位を数cm下げると研磨能率が向上しますが、ワーク表面の仕上がりが粗くなります。マス表面より水位を数cm上げると研磨能率は低下しますが、ワーク表面の仕上がりが細かくなります。
回転スピード
研磨槽の回転スピードは速くなるほど研磨能率が向上し、研磨時間が短く済みますが、ワークの表面があらくなります。逆に回転スピードが遅くなるほどワークの表面は細かくなりますが、研磨能率は低下し、研磨時間が長くなります。基本的にKT****シリーズの場合はスピード1で研磨します。スピードが2以上だと回転スピードが速すぎて、ワーク同士がぶつかったときに深い打痕が発生して傷を除去するのが難しくなるからです。光沢仕上げの場合はスピードコントローラーを使用して、回転速度を少し遅くしたほうが光沢の仕上がり状態が向上します。

アクリル樹脂(透明)

研磨前

アクリル樹脂(無加工)
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バレル研磨に入れる前のアクリル板の状態。不透明カラーだと面取り加工をした際、表面にどのような傷が入っているのか確認しにくいため、先ずは無色透明のアクリル板で試してみることに。表面の状態は保護シートが貼られていたため、傷一つなくキレイな状態。角は面取り加工がされていないため、指で押すと痛いほど尖っている。切断面はレーザーでカットされているため、プレーナーで研削したような周期的な送りマークがついている。

重切削

アクリル樹脂(回転バレル研磨機-重切削仕上/面取り)

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メディアHGT(セラミックメディア)10mm
GRP(セラミックメディア)Φ6mm
コンパウンド褐色溶融アルミナ(大さじ2)
#120(90~106μm)
添加物中性洗剤(1プッシュ)
マス装入量バレル内容積の50%
水量マス表面と一致
研磨時間24~48時間
回転速度1
使用したメディア
メディアの質量が大きく、角があるタイプだと面取りの研磨能率が向上するため、メディアは重切削や一般切削用のある程度大きなセラミックメディア(三角/円錐)を使用したほうがよいかもしれない。斜めにカットされた円筒形のGRPを混ぜているのは、細かい凸凹部分の面取りに効果的だからである。穴や凸凹部の面取りに時間がかかる場合は、面取りしやすいデザイン形状に変更したほうがよいかもしれない。
使用した研磨材
当初、研磨材は東工薬のカーボランダム(黒色炭化ケイ素)の#150(100μm)を使用していたが、モノタロウブランド/ブラスト研磨材A(褐色溶融アルミナ)の#120(90~106μm)のほうが割安だったため、そちらをリピートすることに。どちらの研磨材(炭化ケイ素質系/アルミナ質系)も試してみたが、硬度2~3のアクリルの面取が可能であった。
中性洗剤を添加しているのはワークとメディアに付着している油脂や汚れを除去するためである。その他に発泡作用(泡)により、角の尖ったワーク同士が衝突を緩衝させる目的もあり。ワークに金属を混ぜる場合、中性洗剤だと変色することがあったので、アルカリ性に傾けたほうがよいかもしれない。
管理人
管理人

単体だと24時間でレーザーでカットした痕を除去したり、面も取ることができました。レーザー痕は直線より曲線のほうが時間がかかるようです。この工程でレーザー痕を落とさないと、中仕上げ・光沢仕上げで落とすことは難しいので、切断面の確認をきちんと行いたい。ワークの量を増やした場合、研磨能率が低下したので、48時間以上回す必要がありました。透明感は0になりましたが、梨地加工 (フロスト/シボ加工)したように見た目に高級感が生まれ、滑り防止、指紋・ゴミ・傷が目立たなくなる効果があることから、あえて重切削用メディア+#100前後の研磨材で仕上げてもよいのではないでしょうか。

平滑仕上

アクリル樹脂(回転バレル研磨機-平滑仕上)

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メディアBB(セラミックメディア)Φ5.5mm
PMC(プラスチックメディア)10mm
研磨材黒色炭化ケイ素(大さじ2)
#1,000(19μm)
添加物なし
マス量バレル内容積の50%
水量マス表面と一致
研磨時間24~48時間
回転速度1
使用したメディア
中仕上げ用のメディアは平滑仕上用のBB(セラミックメディア)を使用。円錐形のPMC(プラスチックメディア)を混ぜているのは、BBの形状が球形のため、細かい凸凹部分の研磨ができなからである。プラスチックメディアはアクリルと同じ硬度の亜鉛やアルミニウムに適しているので樹脂に使用しても問題ないように思う。
使用した研磨材
中仕上げ用のバレル研磨剤(コンパウンド)を販売しているメーカーはあるものの、1kg単位で販売しているショップが見つからないため、東工薬が販売しているカーボランダム(#1,000)で代用。光沢仕上げ用のバレル研磨剤は#4,000~なので、おそらく中仕上げ用のコンパウンドには#1,000~#2,000の研磨材が使用されていると考えられる。
カーボランダム(#1,000)を投入して回していると、きめ細かくて弾力のある泡が発生するため、ワーク同士の衝突を緩衝させる目的の洗剤は添加していない。延々と回していると泡の弾力が強くなるため、マス表層部の流動層における流動が不円滑になり、ワークがうまく滑落しないことがあった。このため、弾力の強い泡が発生したときに水位を数cm増やす必要があった。
管理人
管理人

双方の傷を見比べてみると、どちらも同じ曇り具合でした。マイクロスコープ(250倍)で覗いても、傷の違いがわかりませんでした。重切削で使用した#120の研磨材(アルミナ)が砕けて#1,000以上の細かい傷がついているのかもしれません。しかし、平滑仕上げの工程は、ミクロ的に凸凹した凸の部分を研削して平らな面を作り出す目的もあるので、中仕上げの工程を省くことはできません(表面が凸凹していると仕上面の光沢がでなくなります)。

光沢仕上

アクリル樹脂(回転バレル研磨機-光沢削仕上)

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メディアBBC(セラミックメディア)φ6mm
CRP(セラミックメディア)φ6mm
コンパウンド光沢仕上げ用FX-06(大さじ2)
添加物なし
マス量バレル内容積の50%
水量マス表面と一致
研磨時間24~48時間
回転速度1
使用したメディア
光沢仕上では光沢仕上用の球状のBBC(セラミックメディア)を使用。斜めカットされた円筒形のGRPを混ぜているのは、重切削(面取り)でも説明したように細かい凸凹部分の面取りに効果的だからである。
使用した研磨材
当初、研磨材は東工薬のカーボランダム(黒色炭化ケイ素)の#4000(7μm)を使用していたが、鉄やステンレスに適したバレル研磨用のコンパウンド(FX-06)でも前工程の傷を消すことができたのでこちらをリピート。チップトンの(FX-06)は番手の高いカーボランダムより割安で、1kgで販売しているショップがあるので個人でも買い求めやすい。同社の金属用コンパウンドを樹脂に使用する場合、軟質金属に最適なCCU-500/750のほうが適しているのかもしれない?
使用しているコンパウンド(FX-06)は脱脂効果や発泡作用があるため、洗剤は添加していない。
管理人
管理人

まだまだ元の状態には程遠いですが、やや透明感が生まれ、作業台の木目がはっきりと見えるようになりました。

鏡面仕上

アクリル樹脂(回転バレル研磨機-鏡面仕上)

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メディアくるみ(ビバリア ウォールナッツサンド
竹チップ(竹割箸
コンパウンドピカールネオ(大さじ5)
#4,000程度
添加物なし
マス量バレル内容積の50%
研磨時間48時間
回転速度1
使用したメディア
鏡面仕上用のSMB(ソフトメディア)だと、前工程の傷を消すのに相当な時間がかかったため、同じ母材(胡桃)と大きさのビバリア ウォールナッツサンドに竹チップを混ぜたところ、研磨能率と仕上げ状態が大きく向上した。くるみと竹チップの割合は1:1で検証を行ったが、竹チップの量を割合をさらに多くしたほうが研磨能率が向上すると考えられる。竹チップは1kg単位で販売しているショップがないため、竹製の割箸を斜めにカットして自作(動画参照)。
使用した研磨材
コンパウンドにバレル研磨用ではないピカール(アルミナ系研磨材)を使用。一般的に金属磨き用として使用されているが、前述した組み合わせのメディアに大さじ5杯ほど添加すると、光沢+透明感をだすことができた。ピカールの番手は#4,000程度なので、同じように有機質メディアに#10,000相当(0.5µm)のウィルソンをコーティングしたメディアを最終仕上用として使用すると透明度が増すかもしれない。
ピカールやウィルソンで仕上がりに満足がいかない場合は、酸化しにくい油脂(椿油など)と、樹脂に最適な研磨材を母材にコーティングするとよいかもしれない。#10,000~#100,000まで確認しているが粒度が小さくなるほど割高となる。
管理人
管理人

竹チップをくるみの殻に混ぜることで、研磨能率が高くなりました。仕上がりも傷一つない美しい仕上がりになり感動。ちなみに、ワーク量にもよると思いますが、3日以上回転させても透明感は増しませんでした。さらに上の仕上がりを求める場合は、ここから番手の高いコンパウンドを添着させたメディアで回す必要があります。写真だと元の状態に戻ったような透明感ですが、若干、無加工のアクリルのほうが透明感は上でした。また、バレル研磨特有の凸凹とした圧痕が残っており、この凹凸はバフ研磨しないと除去できないかもしれません。

備忘録(失敗例)

アクリル樹脂(回転バレル研磨-比較)
アクリル樹脂(回転バレル研磨-比較)2

鏡面仕上げ②は最初にテストでバレル研磨したものである。鏡面仕上げ②はこの記事の鏡面仕上げで掲載したアクリル樹脂の仕上面と違い、さらに透明度が高くなっており、研磨前(無加工)に一番近い仕上がりとなっている。鏡面仕上げ①をさらに2日かけてバレル研磨(鏡面仕上)してみたが、鏡面仕上げ②と同じ透明度にはならなかった。このため、鏡面仕上げ①は、どこかの工程で前段階の傷が消しきれてないようである。

アクリル板-鏡面仕上げ(修正)

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うっすら曇っていた鏡面仕上げ①を光沢仕上の工程(24時間)からやり直すと透明度が増した。しかし、鏡面仕上げ②と比較すると、まだ気持ち濁っている結果となった。無駄な時間を大幅にロスするため、鏡面仕上げをしたときに表面が曇っている場合は、中仕上からやり直したほうがよさそうだ。失敗した原因はメディアとワークの混同比が大きくなり研磨量が落ちたことだと考えられる。特にワーク同士が重なりやすい板状のものは、偏研磨の対策をきちんと行ったり、工作物に適したバレル槽を使いたい(後述)。微妙な透明度の違いはアクリルを通して背景を見比べないとわからない差のため、バレル研磨で最終仕上げをする場合は、成功した際の工作物を比較用のサンプルとして残しておくとよいかもしれない。
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アクリル樹脂(不透明)

研磨前

回転バレル研磨/アクリル樹脂(無加工)

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アクリル製の色のついたリング。

重切削

回転バレル研磨/アクリル樹脂(重切削)

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メディアHGT(セラミックメディア)10mm
GRP(セラミックメディア)Φ6mm
コンパウンド褐色溶融アルミナ(大さじ2)
#120(90~106μm)
添加物中性洗剤(1プッシュ)
マス装入量バレル内容積の50%
水量マス表面と一致
研磨時間24時間
回転速度1
色のついたものは白い粉が吹いたような仕上がりとなった。リングのような形状だとワーク同士が重なって偏研磨されることがないので、微細なメディアを添加して対策する必要はなかった。指輪はサイズが小さく、重なりあることもないため、研磨時間は24時間で十分だと感じた。

平滑仕上

回転バレル研磨/アクリル樹脂(平滑仕上)

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メディアBB(セラミックメディア)Φ5.5mm
PMC(プラスチックメディア)10mm
研磨材黒色炭化ケイ素(大さじ2)
#1,000(19μm)
添加物なし
マス量バレル内容積の50%
水量マス表面と一致
研磨時間24時間
回転速度1
透明のリングはアクリル板と同様に目視では違いがよくわからなかった。しかし、色のついたリングは白い粉が吹いたような表面だったのが、白い粉がとれて少しきれいになった。重切削と平滑仕上で表面の仕上がりに違いがでていることから、アクリル板の中仕上げ(平滑仕上)はやはり必要だと感じた。
アクリル板と同様にモコモコとした弾力のある泡が発生し、マス表面に形成される流動層の流れが悪くなる。このため、24時間回すのであれば、12時間後に水位を数cm高くして流動層の流れを円滑にする必要があった。

光沢仕上

回転バレル研磨/アクリル樹脂(光沢仕上げ)
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メディアBBC(セラミックメディア)φ6mm
CRP(セラミックメディア)φ6mm
コンパウンド光沢仕上げ用FX-06(大さじ2)
添加物なし
マス量バレル内容積の50%
水量マス表面と一致
研磨時間24時間
回転速度1
加工面は光を反射するようになり光沢がでてきた。しかし、完全に傷が消えてないため、研磨前のものと比べると曇りが見られる。

鏡面仕上

回転バレル研磨/アクリル樹脂(鏡面仕上)
YouTube動画で見る
YouTube動画で見る(窓際)

メディアくるみ(ビバリア ウォールナッツサンド
竹チップ(竹割箸
コンパウンドピカールネオ(大さじ5)
#4,000程度
添加物なし
マス量バレル内容積の50%
研磨時間48時間
回転速度1
クルミの殻と竹を組み合わせた乾式研磨により、光沢用メディアでは取れなかった傷が消え、深みのある艶が出た。光沢のあるリングは太陽光に反射すると輝きをいっそうに増した。さらに番手が#10,000のコンパウンドをコーティングしたメディアで研磨することで光沢度が増すかもしれない(近い内に試してみたい)。

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