はじめに: 柔軟な材料のショア硬度システム
TPU (熱可塑性ポリウレタン) は、FDM 3D プリンティングで最も広く使用されている柔軟な材料です。その主な特徴は、調整可能な硬度範囲と優れた弾性です。ショア硬度は、柔軟な材料の硬さを測定するための基準であり、ショア A (軟質ゴム用) とショア D (硬質ゴム用) の 2 つのスケールに分かれています。 FDM印刷用TPU素材の硬度範囲は通常60A～95A（ショアA）で、「柔らかいラバー」から「硬いソール」まで幅広くカバーしています。ショア硬度が 5A 増加するごとに、材料の剛性は約 15 ～ 20% 増加し、弾性率は 20 ～ 30% 増加します。適切な硬度を選択することは、弾性部品を設計する最初のステップであり、部品のシール、クッション性、耐摩耗性などの主要な特性が直接決まります。
硬度の異なる TPU の性能比較
ショア 60A ～ 70A (ソフト TPU): 消しゴムやソフトシリコンに似た柔らかい感触です。破断伸びは500～700％、弾性率は2～5MPa、圧縮永久変形は大きい（20～30％）。ソフトシール、衝撃吸収パッド、ソフトヒンジ、柔軟な保護スリーブの製造に適しています。欠点は、耐摩耗性が低く、引き裂き抵抗が低いことです。 ショア 80A-85A (中硬度 TPU): 車のタイヤやスポーツ シューズのソールに似た中程度の感触。破断伸びは400〜600%、弾性率は10〜20MPa、圧縮永久変形は15〜20%です。これは最も広く使用されている硬度範囲であり、シール リング、ショックアブソーバー、耐摩耗部品、弾性バックルの製造に適しています。全体的なパフォーマンスのバランス。 ショア 90A-95A (半硬質 TPU): ハードソールやエンジニアリング プラスチックに似た硬い感触です。破断伸びは200〜400%、弾性率は30〜60MPa、圧縮永久変形は10〜15%です。剛性シール、エンジニアリング ヒンジ、耐摩耗性ギア、半剛性ブラケットの製造に適しています。エンジニアリングプラスチックに近い性能を持ちながらも弾性を維持します。ショア 95A を超える TPU の硬度は硬質プラスチックの硬度に近く、その弾性の利点は弱まります。通常、代わりにナイロンや ABS などの硬い素材が使用されます。
シール リングの設計と硬度の選択
シール リングは、TPU 印刷の最も一般的な用途の 1 つです。硬度選択の原則: 静的シール (O リングやガスケットなど) は、少量の圧縮でシールを達成できる、より柔らかい硬度 (70A ～ 80A) を選択できます。ダイナミック シール (ピストン シール、ロータリー シールなど) は、シールと耐摩耗性のバランスをとるために中程度の硬度 (85A ～ 90A) を選択する必要があります。高圧シール (油圧システムなど) は、シールの破損につながる過度の変形を避けるために、より硬い硬度 (90A ～ 95A) を選択する必要があります。設計ポイント：複雑な形状による応力集中を避けるため、シールリングの断面形状は円形（O形）または長方形（平形ガスケット）を推奨します。シール溝のサイズは正確に計算する必要があり、シールリングの圧縮は通常 10 ～ 25% です。印刷方向では、層間の分離によって生じる漏れを避けるために、シール面を層の粒子の方向に対して垂直にすることが推奨されています。シール面をシリコンオイルまたはグリースでコーティングして、摩擦を軽減し、寿命を延ばすことができます。事例: 油圧シリンダー会社は、85A TPU を使用してピストン シールを印刷し、元のニトリルゴム射出成形部品を置き換えました。コストは 70% 削減され、納期は 2 週間から 1 日に短縮されました。
衝撃吸収パッドの設計とクッション性能
衝撃吸収パッドの設計では、衝撃エネルギー吸収、反発速度、疲労寿命などの要素を考慮する必要があります。 硬度選択の原則: 高周波振動環境 (モーター ベースなど) では、十分な剛性サポートを提供するために、より硬い硬度 (85A ～ 90A) を選択します。低周波衝撃環境（緩衝パッドなど）の場合は、より柔らかい硬度（70A～80A）を選択して、より良いエネルギー吸収を実現します。重機（工作機械ベースなど）には多層設計が必要です。最下層には90A～95AのTPUを使用してサポートを提供し、80A～85AのTPUを中間層に使用して衝撃を吸収し、表層には70A～75AのTPUを使用して地面を保護します。幾何学的なデザイン: 衝撃吸収パッドは通常、壁の厚さが 8 ～ 15 mm の円筒形または角柱形に設計されています。推奨される壁の厚さは 8 ～ 15 mm です。薄すぎると衝撃吸収効果が乏しく、厚すぎると安定性が不足します。内部にハニカム構造または中空構造を設計して、圧縮量を増やし、剛性を下げることができます。表面に滑り止めテクスチャ（ダイヤモンドパターンや波形パターンなど）をデザインして、摩擦を増加させ、ずれを防ぐことができます。性能テスト: ISO 4652 規格に従って圧縮永久変形をテストし (100,000 サイクルである必要があります)。
TPU の FDM 印刷の主要パラメータ
TPU 印刷はより困難です。主な課題は、材料の柔らかさがワイヤの送給不良やノズルの詰まりを引き起こすことです。装置要件: ボーデン押出機またはダイレクトドライブ押出機の使用をお勧めします。ダイレクト ドライブはソフト TPU (