TPU材料の射出成形プロセスとは？

TPU材料の射出成形は、柔軟性、耐久性、耐摩耗性を備えた部品を量産するうえで、特に有用な製造技術の一つです。熱可塑性ポリウレタン（TPU）は、硬質プラスチックと軟質ゴムの中間に位置する独自の材料であり、他の材料ではほとんど実現できない、弾性と構造強度を兼ね備えた部品を設計できます。スマートフォンケースや腕時計のバンドから、自動車用ブッシュ、医療用チューブ、産業用コンベヤベルトまで、TPU射出成形はほぼあらゆる主要製造分野の製品に活用されています。

TPU射出成形は、TPUペレットを加熱して金型に注入し、柔軟で弾力性のある部品を作ります。

この概要ではTPU射出成形の主要工程を簡潔に説明しますが、工程の細部まで理解すれば、製品性能と生産効率を大幅に高められます。正確な金型設計と工程最適化が成果をどう改善するか、さらに詳しくご確認ください。基礎知識については、当社の射出成形完全ガイドをご覧ください。

TPU素材とは？

TPU は熱可塑性ポリウレタンエラストマーゴムの略です。従来の意味での繊維ではなく、まして革でもありません。TPU は PVC、PU レザー、PU コーティングの多くの欠点を克服し、防水透湿性生地への応用で大きな進展を遂げています。

TPUはゴムと一般プラスチックの特性の大半を持つだけでなく、総合的な物理・化学特性にも優れます。ゴムとプラスチックの中間に位置する新しい環境配慮型ポリマー材料です。ゴムの柔軟性と硬質プラスチックの硬さを兼ね備えます。

TPU素材の基本特性とは？

TPU材料の基本特性は、このセクションで説明する主要な分類と選択肢です。TPU材料は高い弾性、優れた耐摩耗性、広い温度範囲での柔軟性を備え、履物、医療機器（チューブやハウジングに関するISO 10993生体適合性¹規格を満たすもの）、過酷な環境で使われる自動車部品に適しています。

広い硬度範囲

TPUの各反応成分の比率を変えることで、異なるショア硬度²の製品を得られます。硬度を高めても、製品は良好な弾性と耐摩耗性を維持します。TPUの剛性は弾性率で測定できます。

ゴムの弾性率は通常1~10Mpa、TPUは10~1000Mpa、ナイロン、ABS、PC、POMなどのプラスチックは1000~10000Mpaです。

卓越した耐寒性

TPUはガラス転移温度³が低く、マイナス35℃でも弾性と柔軟性を保ちます。可塑剤を使わずに、－40～120℃という広い温度範囲で柔軟性を維持します。

耐油性、耐水性、耐薬品性、防カビ性

TPUは、油類（鉱物油、動植物油、潤滑油）と多くの溶剤に対して優れた耐性があります。TPUの耐油性はニトリルゴムより優れ、耐油寿命も非常に長くなります。

テーバー摩耗値は0.5～0.35mgで、プラスチックの中では最も小さい。MoS2、シリコーンオイルグラファイトなどを添加すれば、摩擦係数を下げ、耐摩耗性を向上させることができる。

引張強さと伸び：TPUの引張強さは天然ゴムおよび合成ゴムの2-3倍です。ポリエステル系TPUの引張強さは約60MPa、伸びは約410%です。ポリエーテル系TPUの引張強さは50MPa、伸びは>30%です。

Tpu射出成形のプロセス条件は？

温度

TPU成形工程で管理すべき温度は、シリンダー温度、ノズル温度、金型温度です。最初の2つは主にTPUの可塑化と流動に影響し、金型温度はTPUの流動と冷却に影響します。詳しくは当社の射出成形金型設計ガイドをご覧ください。

シリンダー温度：シリンダー温度の選定はTPUの硬度と関係します。高硬度TPUは融点が高く、シリンダー先端の最高温度も高くなります。TPUの加工に用いるシリンダー温度範囲は177～232℃です。通常、温度はホッパー側（後端）からノズル側（前端）へ向けて徐々に高く設定し、TPUを安定して昇温させて均一に可塑化します。

ノズル温度：ストレートノズルから溶融材料が垂れるのを防ぐため、通常はシリンダーの最高温度よりわずかに低く設定します。

**金型温度：**金型温度は、TPU製品本来の性能と外観品質にとって非常に重要です。TPUの結晶性や製品寸法など、さまざまな要因によって決まります。金型温度は通常、水などの恒温冷却媒体で制御します。

TPU製品の金型温度は一般に10~60℃です。金型温度が低いと溶融樹脂が早期に凍結してフローマークが生じ、球晶の成長が妨げられるため、製品の結晶化度が低くなります。また、結晶化が遅れて進行し、製品の後収縮や性能変化を引き起こします。

圧力

射出成形工程の圧力には、可塑化圧力（背圧）と射出圧力があります。スクリュー後退時に溶融樹脂前端へかかる圧力が背圧で、オーバーフローバルブによって調整します。

背圧を高めると、溶融温度が上昇し、可塑化速度が低下し、溶融温度が均一になり、着色剤が均一に混合され、溶融ガスが排出されるが、成形サイクルが長くなる。TPUの背圧は通常0.3~4MPaである。

射出圧力とは、スクリュー先端からTPUに加えられる圧力です。シリンダーからキャビティまでのTPUの流動抵抗を克服し、溶融樹脂の充填速度を高め、溶融樹脂を圧密するために使用されます。

つまり、溶融粘度は温度と圧力に加え、TPUの硬度と変形速度によって決まります。せん断速度が高いほど粘度は低くなります。せん断速度が一定の場合、TPUの硬度が高いほど粘度は高くなります。

せん断速度が一定の場合、温度が上がると粘度は低下しますが、高せん断速度では低せん断速度ほど温度の影響を受けません。TPUの射出圧力は一般に20～110MPaです。

時間

射出成形にかかる時間は成形サイクルと呼ばれる。成形サイクルには、金型に注入する時間、金型を保持する時間、金型を冷却する時間、その他の時間（金型を開く時間、金型から部品を取り出す時間、金型を閉じる時間など）が含まれます。

TPUの成形サイクルは通常、TPUの硬さ、部品の厚さ、部品形状によって決まります。硬いTPUではサイクルが短く、厚肉部品では長く、形状要素が多い部品でも長くなります。

射出速度

射出速度は主にTPU製品の構成によって決まる。端面が厚い製品は射出速度が低く、端面が薄い製品は射出速度が速くなります。

スクリュースピード

TPU製品を加工する場合、せん断速度を低くする必要があるので、スクリュー速度を低くする必要がある。TPUのスクリュー速度は一般的に20~80r/minで、20~40r/minが良い。

シャットダウン処理

TPUは高温に長時間さらされると劣化する可能性があるため、シャットダウン後はPS、PE、アクリル樹脂、ABSなどで洗浄する必要がある。シャットダウンが1時間を超える場合は、加熱をオフにする必要がある。

製品の後処理

TPUは、バレル内での可塑化ムラや金型キャビティ内での冷却速度の違いにより、結晶化、配向、収縮にムラが生じることが多い。その結果、製品に内部応力が発生し、これは肉厚の製品や金属インサートがある製品で顕著になります。

内部応力のある製品では、保管中や使用中に機械的特性が低下し、表面にシルバーストリークが生じ、変形や亀裂に至ることさえあります。生産時にこれらの問題を解決する方法は、製品をアニール処理することです。アニール温度はTPU製品の硬度によって決まります。

硬度の高い製品のアニール温度も高く、硬度の低い製品のアニール温度も低い。温度が高すぎると製品の反りや変形の原因となり、低すぎると内部応力を除去する目的を達成できない。

再生材料のリサイクル

TPUの加工工程では、ランナー、スプルー、規格外部品などの廃材をリサイクルして再利用することができる。試験結果から、100%のリサイクル材料は、新しい材料と混合することなく、機械的特性を著しく低下させることなく、十分に利用することができます。

TPU素材の射出成形工程における注意点とは？

材料乾燥

TPUは吸湿しやすく加水分解しやすいため、TPU原料を十分に乾燥しないと加工上の問題が生じやすくなります。

染色にカーボン粉末またはマスターバッチを使う場合、TPU自然色材と完全に混合し、一緒に乾燥させます。通常は循環式熱風乾燥機または除湿乾燥機でTPUを乾燥します。

リサイクル材料加工

ノズル材料、洗濯機材料、または不良な最終製品は、粉砕して新しい材料と混合することができるが、使用する前に再度乾燥させなければならない。機械的な物理的要件によっては、リサイクル材料を射出成形工程で使用することはできません。

全原材料の30%以上。押し出されたリサイクル材料は、別々に処理されるか、新しい射出成形材料に加えられるべきである。また、リサイクル材はあまり長期間保管しないこと。ドライトップを使用する。リサイクルできない廃材は、焼却して熱を得ることができる。

射出速度と射出圧力の制御

射出速度と射出圧力は、TPU材料がどの程度良好に流動して金型を充填するかを左右します。速度と圧力が高すぎると、材料が劣化したり気泡が生じたりすることがあります。

金型温度のコントロール

ただし、金型温度が高すぎると材料が過熱し、分解や気泡が発生する可能性があります。金型温度が低すぎると、製品表面にコールドフローマークやヒケが生じる可能性があります。

過度の加熱と剪断を避ける

加工時の過熱と高いせん断速度はTPUを劣化させ、変色、ガスの発生、機械的特性の恒久的な低下を引き起こす可能性があります。バレル温度は使用するTPUグレードの推奨範囲内に保ち、バレル内での長時間の滞留を避けてください。成形機を数分以上停止する場合は、熱劣化を防ぐため、設定温度を下げるか、ポリエチレンなどの相溶性材料でバレルをパージしてください。

クリーンな射出成形環境の維持

射出成形環境の清浄度は、TPU材料の射出成形品質にとって非常に重要である。不純物や油汚れがあると、金型表面に付着したり、材料に混入したりして、製品表面の欠陥や性能劣化の原因となります。

TPU射出成形のプロセスフローは？

材料の準備

TPUペレットの射出成形を始める前に、材料を準備する必要があります。具体的には、乾燥、予熱、混合を行います。乾燥によって材料中の水分を除去し、射出成形時の気泡や亀裂を防ぎます。

金型設計

TPU材料の射出成形金型を設計する際、材料の流動性、収縮性、製品の脱型性などの要素を考慮する必要がある。合理的な金型設計は、製品の不良率を効果的に低減し、生産効率を向上させることができます。

射出成形機の選択

適切な射出成形機の選定は、TPU 材料の射出成形プロセスの安定性と製品品質を確保するうえで重要です。

射出成形プロセスパラメータ設定

射出成形プロセスのパラメーターを設定することは、TPU材料の射出成形の品質を確保するために非常に重要である。これらのパラメータには、射出圧力、射出速度、保持時間、金型温度などが含まれます。

工程条件を適切に設定することで、射出成形中にTPU材料を流動させて金型へ完全に充填しながら、気泡や収縮孔などの不良を防げます。

製品の後処理

射出成形後、TPU製品は内部応力を除去し、寸法安定性を向上させ、表面品質を改善するために後加工が必要である。一般的な後加工方法には、熱処理、冷却、表面処理などがある。

熱処理は、射出成形時に製品に発生する内部応力を除去し、寸法安定性を向上させます。冷却は、製品を素早く成形し、変形を抑えるのに役立ちます。表面処理は、製品の外観と性能を向上させます。

TPU素材の射出成形プロセスにおける欠陥とは？

製品にひび割れがある

TPU処理

脱型不良によるクラックを避けるためには、金型キャビティに十分な脱型勾配を持たせ、エジェクターピンの大きさ、位置、形状を適切にする必要があります。エジェクションの際、製品の各部分の脱型抵抗が均一であること。

過充填は、金型へプラスチックを過剰に射出すると発生します。射出圧力が高すぎること、または計量する材料が多すぎることが原因です。

金型に過剰に充填すると、金型部品へのストレスも大きくなり、金型から部品を取り出すのが難しくなり、部品にひびが入る（あるいは割れる）。このようなことが起こったら、射出圧力を下げて過充填を止める必要があります。

過充填による内部応力は通常、ゲート部分に留まる。ゲート付近は脆く、特に直接ゲート付近は内部応力のために破断する。

製品の表面光沢が悪い

表面光沢不良は通常、金型表面の研磨不足が原因です。金型キャビティの表面状態が良好な場合、材料温度と金型温度を上げることで製品の表面光沢を改善できます。

さらに、素材が吸湿したり、揮発性物質や異物が混入したりすると、表面の光沢が悪くなる。そのため、金型や素材に関する要素には注意が必要である。

製品にバリがある

TPU製品にはよくバリが発生する。金型キャビティ内の原料の圧力が大きすぎると、発生するパーティング力がクランプ力より大きくなり、金型が開かざるを得なくなり、原料がオーバーフローしてバリが発生する。

バリが発生する原因は、原料の問題、射出成形機の問題、調整不良、金型自体の問題など様々です。したがって、バリの原因を特定する際には、簡単なものから難しいものへと進めていく。

原料が十分に乾燥されているか、異物が混入していないか、異なる種類の原料が混ざっていないか、原料の粘度の影響をチェックする。

射出成形機の圧力制御システムを正しく調整し、射出速度の調整は、使用されるクランプ力と調整する必要があり、金型の特定の部品が摩耗しているかどうか、排気孔がふさがれているかどうか、流路の設計が合理的であるかどうか。

射出成形機のテンプレート間の平行度にずれがないか、テンプレートのタイロッド力の分布が均一か、スクリューチェックリングとメルトバレルが摩耗していないか。

製品の充填不足

溶けた材料が金型の隅々まで流れないことを充填不足という。成形条件が合わない、金型の設計や作りが悪い、製品に厚い部分と薄い部分があるなど、原因はさまざま。

これを改善するには、材料温度と金型温度を上げ、射出圧力と速度を高めて、材料の流動性を向上させます。ランナーまたは流路を大きくするか、ゲートの位置、サイズ、数を変更して材料の流れを改善することもできます。

製品のゆがみと変形

TPU射出成形品の反りや変形の原因は、冷却・成形時間が短すぎること、金型温度が高すぎて不均一であること、流路システムが非対称であることにある。

そのため、金型を設計する際には、同じプラスチック部品の厚みの差が大きくなりすぎないようにし、過度な鋭角を避け、バッファゾーンが短すぎて厚みの変化が大きくならないようにし、さらに、適切なエジェクターの数を設定し、合理的なキャビティ冷却流路を設計することに注意してください。

次のプロジェクトに向けてTPU射出成形サプライヤーを評価する場合、当社の射出成形サプライヤー調達ガイドでは、メーカー間で能力、リードタイム、価格を比較するための実践的な枠組みを紹介しています。

TPU射出成形に関するよくある質問は何ですか？

TPUは何度で射出成形すべきですか？

TPUは通常、バレル温度190–230°C、金型温度10–60°Cで射出成形しますが、正確な設定は使用するTPU材料のShore硬度グレードに大きく左右されます。硬質TPUグレードでは適切な溶融流動を得るために高いバレル温度が必要ですが、軟質グレードは低い温度で効果的に加工できます。早期の糸引きを防ぐため、ノズル温度は通常、バレルの最高温度よりわずかに低く設定します。グレード固有の加工可能範囲については、必ずメーカーの技術データシートを参照してください。

TPUは射出成形前に乾燥が必要ですか？

はい。表面不良を防ぎ、完成部品で一貫した機械的性能を確保するため、TPUは射出成形前に十分乾燥させる必要があります。推奨乾燥条件は、除湿ホッパードライヤーを使用して80～110°Cで2～3時間乾燥し、含水率を重量比0.1%未満にすることです。この基準を超える残留水分は、銀条、表面気泡、引張強度や破断伸びの低下を含む機械的特性の著しい劣化を引き起こします。エステル系TPUはエーテル系グレードより吸湿しやすく、乾燥サイクルの延長が必要な場合があります。材料をホッパーへ投入する前に、必ず水分計で乾燥状態を確認してください。

射出成形用TPUのエステル系とエーテル系の違いは？

エステル系TPUは、優れた機械強度、耐摩耗性、耐油性を備え、産業用コンベヤベルト、油圧シール、スポーツシューズの靴底などの高負荷用途に適しています。ただしエステル系グレードは、長期間にわたり多湿または水濡れ環境に置かれると、加水分解の影響を受けやすくなります。エーテル系TPUは、優れた耐加水分解性、−40°Cまでの良好な低温柔軟性、固有の耐微生物性を備え、医療用チューブ、屋外ケーブル被覆、水上スポーツ用品の標準的な選択肢です。どちらも標準的な射出成形機で同様に加工できますが、乾燥要件と最適な溶融温度プロファイルはグレードによって異なる場合があります。

TPU射出成形部品の反りの原因は何ですか？

TPU射出成形部品の反りは主に、部品全体の不均一冷却、離型前の冷却時間不足、コア側とキャビティ側の金型表面温度不一致で生じます。低い金型温度と過度な射出圧力の組み合わせ、大きな肉厚差のある形状も寄与します。最も効果的な対策は冷却サイクル延長、バランスの取れた冷却水路による均一金型温度、コアとキャビティの温度差を5°C以内に下げることです。

TPUは他の材料にオーバーモールドできますか？

はい。TPUは最も一般的なオーバーモールド材料の一つで、適切な加工条件ではABS、PC、PA、金属インサートなどの基材へ良好に接着します。成功には、化学結合に十分な溶融温度、清浄な基材表面、TPUと基材間の材料化学的適合性が必要です。二色（二材）成形が最も効率的な量産方法で、硬い構造の上にソフトタッチ面が必要な家電グリップ、電動工具ハンドル、自動車内装部品で広く使用されます。

より優れた製品を実現するためにTPU射出成形を習得するには？

TPU材料の射出成形工程は複雑で繊細な技術であり、材料特性、金型設計、射出成形機の選定、工程条件の設定など、複数の要因を総合的に考慮する必要があります。

射出成形工程における重要なリンクと技術ポイントを正確にコントロールすることで、高品質・高精度のTPU製品を生産することができる。今後、TPU材料の性能の継続的な向上と射出成形技術の継続的な革新により、TPU材料の射出成形技術はより多くの分野で広く使用され、関連産業の持続可能な発展を促進すると確信しています。