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より多くの人が仕事や趣味で3Dプリントを利用するようになり、さまざまな素材の3Dプリントへの需要は日々高まっています。3Dプリント素材の開発初期には、押し出しやすいため、硬質熱可塑性プラスチックしか利用できませんでした。
3DプリントにおけるTPUとは
柔軟性フィラメント素材は、曲げたりしなったりでき、簡単には破損しないため、3Dプリンター利用者の間で人気のある素材の一つです。この素材の弾性は、ASTM-D2240-00規格に基づくショア硬度スケールで測定されます。ショア硬度の測定には、ショアAとショアDという2つの一般的なスケールがあります。柔軟性フィラメントは通常、中程度の硬さに位置付けられるショアAスケールで測定されます。
TPU、すなわち熱可塑性ポリウレタンフィラメントは、エラストマー素材です。プラスチックポリマーに添加剤を加えることで、やや弾性のある素材になります。この素材は、特に繊維・ファッション業界で広く利用されています。
TPUの柔軟性はショアA硬度70～95の範囲で、タイヤゴム（70～75）、靴底（85）、ショッピングカートの車輪（95～97）に近い硬さです。
TPUフィラメント の溶融温度範囲は210～240℃で、ガラス転移温度は約65～70℃です。また、この素材は無毒とされており、印刷中に煙を発生させません。
TPUフィラメントによる3Dプリントは可能ですが、一定の条件があります。柔軟な特性があるため、TPUフィラメントの3Dプリントには特別な工程管理が必要です。
TPUの3Dプリント用チェックリスト：
- ダイレクトエクストルーダーヘッドが必要
TPUは柔軟な素材ですが、高温用とは見なされません（シリコーン素材と混同しないでください）。正確に押し出すには、エクストルーダーの駆動部とホットエンドの溶融チャンバーの間を非常に短くする必要があります。そのため、ダイレクトエクストルーダーが適しています。ボーデン式エクストルーダーと精密なCapricorn PTFEチューブを組み合わせて使用できるユーザーもいますが、適切に印刷設定を行うのは依然として困難です。デュアルギア／ダブルギアエクストルーダーも、TPUフィラメントの印刷成功率を高められる部品です。
- 低速で印刷
TPUの印刷はできるだけ低速にする必要があります。TPUは粘度が高く、溶融状態では常に粘着性があるためです。印刷速度を落とすと、重力によってフィラメントが押し出されやすくなります。一般的なTPUの最高印刷速度は約15-25mm/sで、この速度でTPUを印刷すると層間の接着性が良好になります。
- リトラクションは少なめ、または使用しない
リトラクションとは、糸引きを抑えるためにフィラメントを少量ずつ引き戻す機構で、3Dプリントで滑らかできれいな押し出しを実現するのに非常に効果的です。ただし、TPUフィラメントは柔軟なワイヤー状の素材であり、押出機の送りギアに素材が付着する可能性があるため、機構の押し引きによって詰まりが発生することがあります。この設定では、速度を落とし、リトラクション量を少なくしてください。リトラクションをまったく使用せずにきれいに印刷できるユーザーもいます。
- フィラメントは必ず乾燥させる
TPUは非常に吸湿性の高い素材です。つまり、短時間で大量の水分を吸収します。この特性のため、TPUは密閉できる保管容器で適切に保管する必要があります。また、SUNLU S2やSUNLU S4などのフィラメント乾燥機を稼働させながらTPUを印刷すると、表面品質が大幅に向上します。乾燥していないTPU素材を使用すると、不均一なブロブが大量に発生し、ノズルが詰まる可能性があります。もう1つの悪影響は、ひどい糸引きが発生することです。そのため、糸引きが多すぎる場合は、TPUフィラメントが湿気を含んでいる可能性が高いです。
- ベッドプラットフォームの種類
カーボランダムコーティングガラス、PEI、またはBuild-TakのベッドにTPUフィラメントを直接印刷することは避けてください。これらの素材にはフィラメントが強く接着します。印刷後に簡単に剥がせるよう、その表面には薄くPVA接着剤を塗布する必要があります。通常のガラスまたはミラーは、追加のコーティングなしでTPU素材を印刷するのに適しています。
- きれいに巻かれたフィラメント
TPU 3Dプリントフィラメントは伸縮性のあるワイヤー状の素材です。巻き取りが不適切だと、フィラメントの伸びによって直径が変化し、送りギアがグリップ力を失うため、すぐに印刷詰まりが発生する可能性があります。SUNLUフィラメント製品のように整然と巻かれたスプールを使用すると、この問題を大幅に回避できます。また、エクストルーダーヘッドの上部にスプールを配置し、フィラメントを下向きに送り、エクストルーダーギアができるだけ低いトルクでフィラメントを引き込めるようにするのが適切です。フィラメントスプールは、わずかな力で自由に動く必要があります。
- サポート材はできるだけ減らす
TPUフィラメントはブリッジやオーバーハングの印刷が苦手ですが、サポートを追加すれば印刷は可能です。ただし、表面の仕上がりはきれいではありません。TPUを印刷する3Dモデルを準備する際は、サポート、長いブリッジ、急なオーバーハングを避けるようにしてください。
- 後処理
TPU素材で3Dプリントした造形物は、ほかの硬質素材のように研磨できません。可能な処理は、加熱カッターやオーブンなどの熱工具を使用することだけです。TPUの塗装についても、ゴム用塗料などの専用塗料しか使用できません。
柔軟でソフトな素材であるTPUは、現在、玩具、ファッション用品、産業用スペアパーツから記念品まで、3Dプリントで幅広く使用されています。ただし、TPUのガラス転移温度の制限があるため、シリコーンと比較することはできません。
TPUフィラメントの用途
TPUフィラメントは、カスタムバンパー付きスマホケース、柔軟なビーチサンダル、防振バンパー、ブレスレット、時計のストラップなど、柔軟に曲がる形状が必要な造形物に使用します。高いインフィル率で印刷するとTPUは少し硬くなるため、非常に柔軟なモデルを印刷したい場合は、Shore 85Aのようなより柔らかい仕様のフィラメントを使用するか、壁厚やインフィルの設定値を下げてください。ただし、壁厚の設定を下げすぎると、層間にひび割れが生じやすくなるため注意が必要です。
マルチヘッド、デュアルヘッド、またはマルチマテリアルの3Dプリントを使用すると、PLA/PETGとTPUを組み合わせた、硬質素材のユニークな組み合わせを作成できます。創造的なアイデア次第で、3Dプリントの可能性は無限です。
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