TPUプラスチック｜製品設計用素材シリーズ

熱可塑性ポリウレタン（TPU）は、プラスチックとゴムの長所を併せ持つ汎用性の高い素材です。そのユニークな組成は、卓越した柔軟性、耐久性、弾力性を提供し、様々な産業における様々な用途に適しています。このガイドでは、TPUプラスチックの詳細な概要、特性、用途、加工方法、設計と製造のニーズに対する潜在的な改良について説明します。

熱可塑性ポリウレタン（TPU）とは？

熱可塑性ポリウレタン（TPU）は、高い耐久性と柔軟性で知られる溶融加工可能な熱可塑性エラストマーです。プラスチックとゴムの特性の架け橋となり、要求の厳しい用途に適したいくつかの物理的・化学的特性の組み合わせを提供します。

TPUの特性

TPUプラスチックの種類

TPU素材は、化学組成と用途によっていくつかのタイプに分類できる。TPUプラスチックの3つの主なタイプは以下の通りです：

ポリエーテル系TPU

• プロパティ ポリエーテル系TPUは低温柔軟性、耐加水分解性、耐微生物性に優れています。ポリエステルベースのTPUに比べて比重が小さい。.
• アプリケーション 医療機器、ホース、屋外機器など、湿気の多い低温環境で使用される部品に適している。.

ポリエステルベースのTPU

• プロパティ ポリエステルベースのTPUは、優れた機械的特性、耐薬品性、耐久性で知られています。また、油や炭化水素に対する耐性にも優れています。.
• アプリケーション 自動車部品、工業部品、保護塗料など、最適な物理的特性と耐油性、耐薬品性が求められる用途に最適。.

ポリカプロラクトンベースTPU

• プロパティ ポリカプロラクトンをベースとするTPUは、ポリエステルをベースとするTPUの強靭性と耐性に加え、低温性能と高い耐加水分解性を兼ね備えている。.
• アプリケーション 油圧・空圧シールや、耐久性と安定性の向上が必要な用途に最適。.

TPUの用途

TPUプラスチックは汎用性が高いため、さまざまな産業分野の幅広い用途に適しています。詳しい例をいくつか紹介しよう：

自動車産業

• シール： TPU樹脂は、温度変化や化学薬品に強い堅牢で柔軟なシールを提供し、ドアシール、ウィンドウシール、トランクシールに最適です。.
• カーマット TPUカーマットは耐久性に優れ、お手入れが簡単で、摩耗や引き裂きに強い。.
• インテリアパネル ダッシュボードやアームレストなどの内装部品に最適で、ソフトな手触りを提供する。.
• エアバッグカバー この素材は、エアバッグをカバーするのに必要な柔軟性と強度を提供し、安全で効果的な展開を保証する。.
• ショック・ダスト・ブーツ ショックアブソーバーのダストブーツに使用され、汚れや湿気からショックアブソーバーを保護し、寿命を延ばします。.

消費者製品

• ブレンダー： TPUプラスチックは、ブレンダー内のシールやガスケットに使用され、漏れのない操作を保証し、高速回転下での柔軟性と耐久性を提供します。.
• 携帯電話カバー この素材は耐衝撃性と柔軟性に優れており、衝撃を吸収して損傷を防ぐ携帯電話保護ケースに最適です。.

食品・飲料業界

• 食品容器： 柔軟性、耐薬品性、気密性の高さから、食品容器のシールや蓋に使用されている。.
• 水筒： TPU樹脂は、水筒の蓋やシールに丈夫で柔軟な素材を提供し、水漏れ防止と開閉のしやすさを保証します。.

産業用途

• シール： 化学薬品、温度変化、機械的ストレスに強いため、さまざまな工業用シールに使用されている。.
• ブッシュ： TPU素材は、産業機械の衝撃や振動を吸収する、耐久性と柔軟性に優れたブッシングを提供します。.
• 防振マウント： TPUは防振マウントに最適で、振動を減衰させて産業機器の騒音や摩耗を低減します。.

医療業界

• フレキシブル・チューブ： TPU素材は、その柔軟性、生体適合性、滅菌処理に耐える能力から、医療用チューブに使用されている。.
• 歯科用ポリッシャー 歯科用ポリッシャーに必要な柔軟性と耐久性を提供し、効果的で安全な使用を保証します。.
• 酸素マスク： TPUプラスチックは低刺激性で柔軟性があり、患者に快適なフィット感を提供するため、酸素マスクの製造に使用されている。.

スポーツウェア

• ヘルメット ヘルメットのパッドとして使用され、衝撃吸収と快適性を提供する。.
• 水泳のフィン： この素材は水泳用フィンに柔軟性と耐久性をもたらし、水中でも劣化することなく性能を発揮する。.
• シュノーケル： TPU樹脂は、その柔軟性と快適な水密シールを形成する能力から、シュノーケルに使用されている。.
• 靴底： 靴底に柔軟性、耐久性、耐滑性を与え、快適性と安全性を高める。.

エレクトロニクス

• ケーブル絶縁： TPUは優れた電気絶縁性、柔軟性、耐久性を備えており、ケーブル絶縁に理想的です。.
• プラグ： TPUは電気プラグに柔軟で耐久性のある素材を提供し、繰り返しの使用やストレスに耐えることを保証します。.

ペット用品

• おもちゃだ： TPUはその耐久性、柔軟性、安全性からペットのおもちゃに使用され、噛んだり遊んだりするのに適している。.
• フィーディング・ボウル TPUは、フィーディングボウルに滑り止めのベースを提供し、給餌時の安定性を確保します。.
• ケネルの輸送 TPUはその耐久性、耐衝撃性、清掃のしやすさから、輸送用ケネルに使用されている。.

電動工具

• ソフトツールグリップ： TPUを電動工具のグリップに使用することで、快適で滑りにくい表面が振動を吸収し、ユーザーの疲労を軽減し、安全性を向上させる。.

TPUとTPEの比較：その違い

TPUは弾力性、透明性、耐油性、耐グリース性、耐摩耗性で知られています。履物、自動車部品、医療機器など、高い性能、耐久性、柔軟性が求められる用途で一般的に使用されています。

一方、熱可塑性エラストマー（TPE）は、共重合体の一種で、ゴムの特性とプラスチックのリサイクル性や加工の利点を併せ持つポリマー（通常はプラスチックとゴム）の物理的混合物である。

両者の違いについて言えば、以下の比較表にあるように、どちらの製品にも明確な特徴がある。

比較表：TPUとTPEの比較

ヒントTPUとTPEの違いの詳細については、以下をクリックしてください。 TPUとTPEの比較：エンジニアリング用途、特性、選択ガイド.

TPUの加工方法

TPUプラスチックは、伝統的な方法から最新の方法まで、さまざまな方法で加工することができます。適切な加工を行うことで、TPUが望ましい特性を保ち、意図された用途で効果的に機能することを保証します。

射出成形

射出成形では、溶融したTPUを金型キャビティに注入し、冷却して固化させ、希望の形状にします。

• アプリケーション グリップ、ガスケット、キャップ、その他の複雑な部品など、公差の厳しい複雑な形状の製造によく使用される。.
• 乾燥の条件 もろさを防ぐため、加工前に残留水分が0.05%以下であることを確認する。.

圧縮成形

圧縮成形では、TPU素材を加熱した金型に入れ、圧縮して希望の形状にした後、冷却する。

• アプリケーション 高い耐久性と耐衝撃性が要求される大型の肉厚部品の製造に適している。.

ブロー成形

ブロー成形は、溶融したTPUを金型キャビティ内で膨らませることで中空部品を製造する。

• アプリケーション ボトルや容器など、柔軟性と強度を必要とする中空部品の製造に最適。.

押出

押出成形では、溶かしたTPUをダイに通して、チューブやシート、プロファイルなどの連続した形状を作ります。

• アプリケーション ホース、フィルム、プロファイルなど、均一な製品を大量に製造するのに適している。.
• 乾燥の条件 加工前に残留水分が0.02%以下であることを確認する。.

その他の加工方法

• 配合： TPUはコンパウンドして頑丈なプラスチック成形品を作ったり、有機溶剤を使って加工してラミネート織物、保護コーティング、機能性接着剤などを作ることができる。.
• 3Dプリンティング： TPUフィラメントは、FDM（溶融積層造形）やSLS（選択的レーザー焼結）などの3Dプリンティング技術と互換性があり、複雑な形状の柔軟なパーツの製造を可能にします。.

TPUの改良

TPUは、その特性や特定の用途への適合性を高めるために改良することができます。このような改良には、他の材料との混合、さまざまな添加剤の添加、さまざまな加工技術の採用などが含まれます。

他の素材とのブレンド

• TPUにポリエーテルとポリエステルをブレンド： TPUをポリエーテルやポリエステルと組み合わせることで、特定の用途向けに特性を高めることができます。ポリエーテル系TPUは低温での柔軟性と耐加水分解性で知られ、湿気の多い環境に適しています。ポリエステルベースのTPUは油や炭化水素に対する耐性に優れており、耐薬品性が求められる用途に最適です。.
• ポリカーボネートジオール（PCD）： PCDは、極めて高い耐久性、高い耐薬品性、加水分解安定性の向上、高い耐熱性、優れた耐摩耗性、優れた機械的特性など、優れた性能特性を持つTPUを製造する。.

添加物

• 強化TPU： TPUはガラスや鉱物のフィラー／繊維と混合すると、耐摩耗性、高い衝撃強度、良好な耐燃料性、高流動性を備えた構造エンジニアリング・ポリマーになる。.
• 紫外線安定剤と酸化防止剤： これらの添加剤は、紫外線暴露や酸化による劣化からTPUを保護し、屋外や高温環境で使用される製品の寿命を延ばす。.
• 難燃剤： TPUに難燃剤を加えると難燃性が向上するため、ケーブル・ジャケットなど難燃性が重要な用途に適しています。.

TPU部品のデザインガイド

SLS製造のためのTPU部品の設計

選択的レーザー焼結（SLS）は、粉末材料（TPU粉末など）をレーザーで層ごとに溶融する積層造形プロセスである。複雑な形状を支持構造なしで製造できるため、さまざまな産業用途に適している。

SLS技術で製造するTPU部品の設計では、考慮することが重要です：

最小肉厚

TPUパウダー（SLS）は、構造的完全性と柔軟性を確保するため、最低1.5mmの肉厚が必要です。肉厚を3mmまで厚くすると、特定の用途に必要な剛性が高まります。

最小フィーチャーサイズ

• 印刷時の正確な再現性を確保するため、デザイン上の特徴は0.5mm以下にすること。
• 視認性と耐久性のため、刻印やエンボス加工の細部は、高さおよび幅が少なくとも1.5mmでなければならない。

デザインの複雑さと組み立て

• SLS技術を活用すれば、複雑で、密閉され、連動する部品を、個別の組み立てを必要とせずに製造することができます。
• 印刷と組み立てを成功させるために、部品間のクリアランスを最低1mmに保ってください。印刷の制約に合わせて、大きなオブジェクトのクリアランスを調整してください。

空洞とエスケープホール

• 材料を節約し、印刷時間を短縮するために、部品の中空化を検討する。
• 中空部品は、印刷後の粉末除去を容易にするため、少なくとも直径1.5mmの逃げ穴を含むべきである。

FDM製造のためのTPU部品の設計

FDM（Fused Deposition Modeling）は、熱可塑性材料の連続フィラメント（TPUフィラメントなど）を加熱し、ノズルから層ごとに押し出して目的の物体を作成する付加製造プロセスです。

その入手のしやすさと費用対効果の高さから、試作や小規模生産に広く利用されている。

以下は、FDM技術で製造するための効果的なTPU部品設計のための主な検討事項です。

最小肉厚

TPUフィラメント（FDM）部品は、構造的完全性を確保し、印刷中の反りを防ぐため、最低1.5mmの肉厚が必要です。

最小フィーチャーサイズ

• TPU FDMデザインのフィーチャーは、正確な印刷と機能性を確保するため、0.5mm以下に設計する必要があります。
• エンボス加工や刻印は、視認性と耐久性を考慮し、縦横1.5mm以上とする。

デザインの複雑さと組み立て

• FDM印刷用の設計を簡素化し、層の接着と材料の柔軟性の問題を最小限に抑えます。
• 層の接着強度が制限される可能性があるため、複雑なインターロック・デザインは避ける。

印刷に関する考慮事項

• プリンタの要件： 柔軟なフィラメントをよりよく制御するために、ダイレクトドライブ押出機を使用する。加熱ベッド温度を50±10℃に維持する。部品冷却ファンを中または高に設定する。
• 印刷速度： 最適な速度は、適切なレイヤーの接着を確保し、フィラメントの屈曲の問題を最小限に抑えるために、15～20mm/sの間である。
• 印刷温度： TPUフィラメントは、225～250℃の温度で押出してください。温度が高いと流動性は向上しますが、寸法精度に影響を与える可能性があります。
• 押出設定： 押し出し倍率を調節してフィラメントの流れをコントロールし、強力なレイヤー結合を実現します。
• ラフトとスカート TPUパーツの反りは最小限に抑えられるため、一般的にラフトは不要です。その代わりに、スカートを使用してエクストルーダーのプライミングを行い、印刷開始時のフィラメントの流れを確保します。
• 撤回する： 柔軟なTPUフィラメントでよくある問題である、フィラメントの伸びやノズルの詰まりを防ぐため、収縮を無効にします。

結論

熱可塑性ポリウレタン（TPU）は、その多用途性、耐久性、幅広い特性により、設計者や製造者にとって非常に貴重な素材です。TPUのさまざまな種類、特性、潜在的な改良点を理解することで、産業界はさまざまな用途でTPUの利点を活用するために、十分な情報に基づいた決定を下すことができます。

TPUは、自動車部品、医療機器、消費者製品、工業用部品のいずれに使用されても、現代の製造業の要求に応える堅牢で適応性の高いソリューションを提供します。

ヒント他のプラスチックについてもっと知る