TPUを使った3Dプリント完全ガイド

TPUはFDM方式またはSLS方式の3Dプリンタで造形が可能です。方式ごとに異なるメリットが享受できるため、3Dプリンタを選ぶ際は既存の作業手順とビジネスニーズに最適なものを見極めることが重要です。

TPU部品の3Dプリントを検討中の企業にとって、低価格のFDM 3Dプリンタはエントリーレベルの用途ではよい選択肢と言えるでしょう。FDMのTPUフィラメントは安価ですし、特に最終的な部品は射出成形で大量生産するという場合であれば、デザインコンセプトの確認や外観確認用の試作品製作には向いています。

しかし、TPUは柔らかく伸縮性のあるフィラメントのため、FDMプリンタで3Dプリントするのが難しい場合があります。また、FDMプリンタでTPUを3Dプリントすると、設計の自由度が制限されるほか、造形品の寸法精度の低下、そして積層痕が目立ちやすいなどの難点がいくつかあります。

FDMプリンターで造形したTPU部品は異方的で、応力に対する強度が軸や平面によって異なります。つまり、FDMで3DプリントしたTPU部品にある向きから応力をかけた場合と、別の向きから応力をかけた場合では、部品への影響が変わります。TPU部品は引き伸ばしや圧縮、捻りなどの様々な応力がかかることが多く、プロトタイピングの段階でもしっかりとした機能性が求められる用途ではこの異方性が課題になります。

SLS 3Dプリント方式は、人工装具、ヘルメットのパッド、ウェアラブルなど、実製品用のカスタム部品の少量生産や機能試作の製作など、より高いスループットと機能性が求められる用途に最適です。SLS 3Dプリントのユーザーは、TPUの卓越した強度と柔軟性を活かして製品のいち早い市場投入や患者ケアの変革が可能になります。材料の引裂強さが高いため丈夫で耐久性のあるエラストマー部品が製作でき、FuseシリーズのようなアクセスしやすいベンチトップサイズのSLS 3Dプリンタを使うことで製造単価を抑えられます。Fuseシリーズは、手頃な価格、需要に応じて容易に生産規模の拡張が可能なこと、そしてリフレッシュ率が低いことが魅力です。リフレッシュ率が低いことでパウダーの使用効率を高め、新品材料への支出を抑えます。

SLS方式で3DプリントしたTPU部品は、性能の観点から複雑な形状が必須または歓迎される用途に最適です。SLS方式では造形中に未焼結パウダーが造形品を支えるため専用のサポート材が不要で、内部チャネルやラティス構造、マニホールドタイプのアコーディオン構造など、複雑形状の造形が可能です。保護用ヘッドウェアやシューズの中敷、矯正装具などの用途では、ゴム材料で作るラティス構造により圧縮強度が高まり、製品の有効性が高まります。

3DプリントでTPU部品を作れるということは、社内でのプロトタイピングが可能になります。そのため、受託メーカーや工房に外注する場合に比べてコストや製作期間を削減できます。

例えばスポーツ用ヘルメットのプロトタイピングの場合、硬質の外郭と軟質の内部クッションの両方を生産できる能力が必要です。革新的な企業はそういったクッション用にラティス構造の新設計や衝撃吸収テクノロジーの開発に取り組んでおり、TPUはその材料として最適です。

しかし、金型を使用する従来の工法で新しいデザインや形状の試作品を作って検証しようとするとコストが非常に高く、受託メーカーへの外注の場合は製作に数週間かかってしまいます。硬質の外郭と軟質の内部クッションの両方をたった1つの工程・方法で製造できるとすれば、イノベーターたちは試作・検証プロセスを遥かに高速で反復できることになります。こういったヘルメットには広範な物理的検証が不可欠なため、1回のテストでクッションパッドが10個ほど必要になります。クッションの表面を手作業で形づくりには多すぎる数でありながら、金型を使って成形する従来のTPU製造工法では数が少なすぎてコスト効率が悪くなります。そのような場合に解決策となるのが、3Dプリントによる内製です。

Fuseシリーズ3Dプリンタがあれば、TPU 90Aパウダーを使ってゴム製のラティス構造を複数造形し、わずかに設計の異なる様々なバージョンをテストできます。壁の厚みなど部品そのもののデザインを変更することで用途に合わせて硬度の異なる部品を製造したり、検証後の設計変更が可能です。

Fuseシリーズでは幅広い機械的特性を備えた様々な材料を利用できるため、開発と製造をすべて社内で行いながら、1種類の技術だけで多岐にわたる部品の設計を管理できます。多くの方々から信頼されているFuseシリーズにてTPU 90Aパウダーを使えるようになることで、直接3Dプリント可能な全く新しいタイプの製品を生み出せるかもしれません。

製造業に関わりがない人にとっては、治具の違いは分かりづらいかもしれません。治具でもブラケットでもエンクロージャでも、そして機器が一体になって動くその他全てのものに対して言えることですが、これらは「あれば便利」という程度のものでは決してなく、本当に必要だから製造が求められるのです。TPU 90Aパウダーは、多くのメーカーが直面する問題、つまり何百万ドルもかけて作った製造技術を数々の摩滅や破損から守ること、に対処できる材料です。

手触りの柔らかい治具は衝撃に対するクッションや完璧にフィットするグリッパとして機能し、重機の長寿命化を叶えます。長年に及ぶ繰り返しの使用によってシールやガスケットが破損してしまった場合でも、オペレーターが交換部品を3Dプリントできれば、数時間以内に製造ラインの稼働を再開できます。

新たな材料特性を付与することで、メーカーにとっては予想外の破損や機器の不具合を避けられ、生産の継続性をより確かなものにすることができます。社内でより多くの機械的特性を活用できれば、サプライチェーンの遅延やOEMによる高額な修理を避けることができます。ゴム製部品を3Dプリントすることで、導入機器のうちこれまでは不可能だった部品をオンデマンドで修理・交換できるようになり、生産ラインやプロセスの停止を防ぐことで一日に何千ドルものコストを節約できます。

TPUは、自動車や航空宇宙のテストで使用する振動ダンパーや、独自形状部品の熱成形などの工業プロセスで使用する治具の製作にお使いいただけます。自動車工場では、曲げや回転が発生するガントリーの上で大規模なロボット機器が稼働しています。カスタムのクッションや軟質のエンクロージャを使用することで、これらの機器を摩擦から守り長寿命化を図ることができます。

スポーツ、ファッション、ウェアラブル業界で市場シェアを狙うブランドにとって、パーソナライズ製品の提供は不可欠な要素です。これまで、金型製作にかかるコストを考えると少量生産や1回限りの生産というのはほぼ不可能に近いものでしたが、手頃な価格の3Dプリンタの登場で新たな可能性が生まれました。

とはいえ、3Dプリント用材料はスポーツ用品やウェアラブル業界で使用するには硬すぎるという課題がありました。それもTPUが使用できるようになったことで状況が一変し、個人の足形や重量配分に応じてカスタマイズ可能なソールや衝撃吸収に特化して開発されたフットボール用ヘルメット、ひとりひとりの手首に合わせて成形した腕時計用バンドまで、可能性は無限に広がります。

優れた耐久性と強度を備える3Dプリント製のTPU部品は、人工装具や矯正装具、患者ひとりひとりに合わせたアプライアンスや医療器具としての使用に最適です。弾力があり高強度の実製品用部品を3Dプリントする能力を社内に導入することで、医療従事者の方々がゴム材料の引裂強さと破断伸び率、そしてSLS 3Dプリントの特徴である設計の自由度と耐久性を兼ね備えた部品を製作できるようになります。

弾力性のあるエストラマー材料であるTPUは、以下のような医療器具の3Dプリントに最適です。

• 医療機器の試作品、実製品用医療器具及びその部品

• 矯正パッドや義足ライナー

• ウェアラブル、シール、バンパー、チューブ

• スプリント、頭蓋形状矯正ヘルメット

• 競技用及び矯正用インソール

ヘルスケア分野における3Dプリントの活用は急速に広まりつつありますが、安全性に関する認証だけでなく、強度や材料特性に対する規制など、材料に求められる厳しい要件により制約があるのも事実です。ここでも、TPUを3Dプリントできることでヘルスケア分野における様々な用途で利用可能なオプションが1つ増えることになります。

100年以上にわたり子供たちとその家族から信頼され愛され続けてきたRadio Flyerは、National Toy Hall of Fameで殿堂入りを果たしたOriginal Little Red Wagon®という有名なおもちゃの製造を手がけるメーカーです。同社は常にポップカルチャーの最前線として、そして子供たちのクリスマスプレゼントの第一候補となる製品を手がける世界トップメーカーとして、ワゴンやスクーター、三輪車、ゴーカート、電動自転車など実際に乗って遊べるおもちゃやその他多くの画期的な製品を世に送り出してきました。 
 
そんなRadio Flyerの開発工程では3Dプリントが重要な役割を果たしています。デザインエンジニアのAgostino Lobello氏が、完璧な機能性を備えた試作品の製作にTPU 90Aパウダーが役立っていると教えてくれました。「グリップの強い表面は、これまで3Dプリントで作ってきたTPEやTPU部品とは異なります。その点では当社が射出成形しているTPE/TPU部品により近く、試作品用途でそれが実現できるのはありがたいことです。現時点でこの工程に変わるオプションとして次に優れているのは、試作品の金型に実際のTPEやその他ウレタン材を流し込んで作る方法で、コストと時間の両方の観点で効率が良いですね」とLobello氏は言います。