How is TPU Used in the Injection Molding Industry?

TPUは射出成形業界でどのように使用されていますか？｜ZetarMold

TPUの基本特性

TPUは、ジイソシアネート（MDIやTDIなど）、ポリエーテルポリオールまたはポリエステルポリオール、鎖延長剤の反応によって製造される熱可塑性エラストマーである。TPUの主な特性は以下の通り：

弾力性と柔軟性

TPUは広い温度範囲で伸縮性が変わらないため、非常に伸縮性が必要なアイテムに最適です。また、この素材は寒冷条件下でも壊れにくい。TPUの引張強さと破断伸度により、機械的応力下でも安定した状態を保つことができるため、高い機械的性能を必要とする用途に最適です。

耐摩耗性

TPUは優れた耐引裂性と耐摩耗性を持っています。つまり、靴底やコンベアベルトのように、多くの磨耗に耐える必要がある製品を作るのに最適です。TPUの耐摩耗性は通常の使用環境に限定されるものではなく、高強度・高頻度の使用下でも物理的特性を維持できるため、製品の寿命を延ばすことができます。

耐油・耐薬品性

特に、自動車産業や石油産業など、化学薬品や油に対する耐性が極めて重要な場面で。TPUは過酷な環境でもその完全性と機能性を維持できるため、要求の厳しい用途で信頼できる選択肢となります。

透明性

TPUは透明性が高いため、電話ケースや医療製品のように透明な素材を必要とする製品に適しています。TPUは高い透明性と高い光透過性を持っており、ほとんどの場合、クリアな視界を提供し、なおかつ高い物理的強度を持っているため、厳しい条件にも耐えることができます。

耐候性

紫外線や風化に対する優れた耐性を持つ熱可塑性ポリウレタン（TPU）は、屋外での使用に最適です。長時間日光にさらされても物理的特性があまり損なわれないため、アウトドア用品や建材などのTPUベースの製品は長持ちします。

射出成形プロセスにおけるTPU

TPUの射出成形工程はほかの熱可塑性樹脂と似ていますが、TPU固有の特性があるため、加工条件と環境を精密に制御する必要があります。以下では、射出成形技術を使ったTPU加工方法を詳しく説明します。

原材料の準備

TPU原料（熱可塑性ポリウレタン）は一般的にTPUペレット状であり、射出成形前に、製造部品の性能を低下させる可能性のある水分を除去するために、多くの場合、大規模な乾燥が必要である。通常、乾燥温度は80-110℃の範囲に設定され、射出成形中に気泡などの不具合を引き起こす可能性のある水分レベルを下げるために、乾燥プロセスを完了するのに2-4時間かかります。しかし、注入率が非常に高い場合、真空乾燥や乾燥剤乾燥を行い、材料に含まれる可能性のある水分を除去する必要があります。

射出パラメーター

1. 温度管理：TPUの加工温度範囲は180～230℃です。熱によりTPUの物性が劣化する可能性があるため、最終製品の品質確保には温度管理が極めて重要です。TPUは多くの熱可塑性樹脂より融点がやや低く、加工設備でより精密な温度制御が必要です。

2. 射出速度：高速射出による内部応力や気泡を防ぐため、中速で射出します。射出方法は反応速度と金型充填の均一性に影響し、製品の機械特性を左右します。速度が高すぎるとキャビティ内で空気を巻き込み、成形品に気泡が生じます。

3. 圧力制御：製品の寸法安定性と美しい表面を確保するには、保圧と保圧時間を適切に設定する必要があります。保圧が高すぎると内部応力が増え、保圧時間が短すぎると収縮や変形が生じます。最適な保圧時間は、主に製品の肉厚と設計の複雑さによって決まります。

金型設計

金型設計は、射出成形されるTPU製品の品質に大きく影響します。TPUの流動性は比較的良好ですが、小さすぎるゲートや不適切なランナーによる充填不良を防ぐため、ゲートとランナーを合理的に設計する必要があります。また、離型性も考慮し、離型時に製品を傷つけないよう適切な抜き勾配を設けます。金型表面の仕上げと金型温度も重要です。前者は製品の表面欠陥を防ぎ、後者は均一な冷却を促してサイクルタイムを短縮します。TPU射出成形金型の設計で考慮すべき要点：

1.成形TPU部品の収縮率

この分布は、例えば原料の硬さ、部品の厚さ、部品の形状、成形温度、金型温度などの成形条件に依存する。典型的な収縮範囲については、2つの重要な情報源は、一般的に0.005～0.020cm/cmの範囲のsの特定の値を示していない。例えば、100×10×2mmの長方形の棒は、長さ方向のゲートで薄くなり、硬さが60Dより75Aの方が流れ方向の収縮は2-3倍に大きくなる。図1に示すように、TPU硬度と部品厚みと収縮率の関係がある。先に示したように、TPU硬度が78Aから90Aの範囲では、部品の収縮率は厚みが増すにつれて低下し、95Aから74Dの範囲では、収縮率は厚みが増すにつれてわずかに上昇する。

2.ランナーとコールドスラッグウェル

主ランナーは射出成形機のノズルと金型内の副ランナーまたはキャビティをつなぐ流路です。ランナー残留物を取り出しやすくするため、2度を超える角度で内側へ広がります。多キャビティ金型の副ランナーは主ランナーと各キャビティをつなぎ、金型内で等間隔または均等に配置する必要があります。ランナー断面は円形、半円形、長方形とし、理想的な直径は6～9mmです。材料の流動抵抗を減らし、金型充填速度を高めるため、ランナー表面は金型キャビティと同様に研磨する必要があります。

コールドスラッグウェルは、プライマリチャンネルの端に位置する凹部で、2つのショットの間に発生する余分な冷物を貯蔵し、サブランナーやゲートの障害になるのを防ぐことを目的としています。キャビティに投入された冷間材は、製品の内部応力を素早く発生させることもある。コールドスラッグウェルは、直径8～10mm、深さ約6mmが理想的です。

3.ゲートと通気口

ゲートは、メインランナーまたはサブランナーをキャビティに接続する通路です。通常、その断面積はランナーより小さく、ランナーシステム内で最小の部分となり、さらに長さを短くする必要があります。ゲート形状は長方形や円形など任意で、寸法は製品の厚さによって異なります。厚さ< 4mmの製品では直径 = 1mm、厚さ4-8mmでは直径 = 1です。肉厚が8 mm未満の場合、直径は1. 4 mm、厚さが8 mmから4 mmの場合は直径2、厚さ4mm超の場合は2. 0-2. 7 mmです。ゲート位置は通常、外観と機能の両方への影響が少ない製品最厚部に、金型壁に対して90 degreesの位置で設定し、収縮空洞と渦巻き模様を防ぎます。

ベントとは、金型キャビティ内の空気を逃がすための溝状の開口部のことで、空気が滞留するとボイドやウェルド不良、金型への充填不良などの欠陥が発生しやすくなるほか、空気の圧縮による発熱や内部応力の発生により、製品に焼付きが発生しやすくなる。ベントは、キャビティ内の溶融流の終点または鋳型のパーティング面で行うことができ、一般的には、深さ0.15mm、幅6mmである。

TPU射出成形条件

このTPU成形時の温度、圧力、時間は、適切な可塑化、流動、冷却を実現する鍵です。これらの条件が正しく満たされるかどうかで、TPU部品の外観と性能が直接左右されます。工程が適切なら、最終製品は白からベージュの間で均一な色調に仕上がります。

温度

TPUの成形中に調整できるパラメーターは、バレル温度、ノズル温度、金型温度である。最初の2つはTPUの可塑化と流動に大きく影響し、3つ目は流動と冷却速度に影響する。

1. シリンダー温度：シリンダー温度はTPUの硬度に応じて選定します。硬度が高いTPUほど融点も高いため、シリンダー温度も高く設定します。TPUの一般的なシリンダー加工温度は177～232℃です。TPUを安定して昇温・可塑化できるよう、通常はホッパー側の後部からノズル側の前部に向けて温度を段階的に上げます。

2. ノズル温度：オープンノズルでは糸引きや垂れが生じるため、通常、ノズル温度はシリンダーの最高温度よりやや低く設定します。ただし、垂れを防ぐセルフロック式ノズルを使用する場合は、シリンダーの最高温度と同程度まで設定できます。

3. 金型温度：金型の設定温度はTPU部品の材料特性と表面粗さに大きく影響し、TPUの結晶化度や部品寸法などによって適正値が変わります。金型温度は通常、一定温度の水などの冷却媒体で制御します。高硬度TPUは結晶化度や架橋度も異なります。例えばTexinでは、硬度480Aの適正金型温度は20～30℃、591Aは30～50℃、355Dは40～65℃です。TPU部品の一般的な金型温度範囲は10～60℃です。金型温度が低すぎると溶融樹脂の一部が先に固化し、フローマークが生じるうえ、球晶の成長が妨げられて結晶化度が低下します。その結果、成形後の収縮や部品性能のばらつきにつながります。

圧力

射出成形における圧力または力は、背圧と射出圧力とも呼ばれる可塑化圧力からなる。スクリューの引き抜き時に溶融物の上にかかる圧力は背圧であり、オーバーフローバルブによって制御される。背圧を高くすると、溶融温度が上昇し、可塑化速度が低下し、溶融物の温度が向上し、着色剤の混合に役立ち、溶融物中に存在するガスの除去に役立つが、成形サイクルが長くなる。TPUの背圧は一般的に0.

時間

射出成形にかかる時間は成形サイクルと呼ばれる。これには、金型への充填、保持、冷却、その他の時間（金型を開く、部品を取り出す、金型を閉じるなど）が含まれます。これは、どれだけの仕事をこなし、どれだけの機械を使うかに影響します。TPU成形のサイクルは、材料の硬さ、パーツの厚さ、パーツの複雑さによって異なります。硬い材料ほど時間がかからず、厚い部品ほど時間がかかり、複雑な部品ほど時間がかかります。金型の温度もサイクルに影響する。TPUの成形サイクルは通常20～60秒です。

部品の後処理

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、TPUは結晶化、配向、収縮が不均一になることが多く、特に肉厚の部品や金属インサートを使用した部品では内部応力が発生します。このような部品は、機械的特性が低下したり、表面に銀筋が入ったり、保管中や使用中に変形やひび割れが発生することもあります。これらの問題は、部品をアニールすることで解決できる。アニール温度はTPUの硬度によって異なり、硬度が高いほど高い温度が必要になります。

インサート成形

組み立てや使用に必要な強度を満たすため、TPU部品には金属インサートが必要になることが多い。金属インサートを必要な位置に金型に入れ、その周囲にTPUを注入して1つの部品を作ります。金属とTPUは熱特性が異なり、収縮率も異なるため、インサート付きのTPU部品では、TPUが金属に密着しないという問題が発生することがあります。TPUを貼る前に金属のインサートを加熱し、TPUを注入するときの温度差を小さくし、金属の周囲でTPUをゆっくり冷やし、TPUを均等に収縮させ、金属の周囲のTPUにあまりストレスをかけないようにすることで、この問題を解決することができます。

スクラップのリサイクルと再利用

TPUを加工する際、メインランナー、サブランナー、不良部品から出るスクラップをリサイクルし、再利用することができる。実験によると、新材料をブレンドしない100%のリサイクル材料は、機械的特性がわずかに低下するだけで、使用に適している。最良の物理的、機械的特性と射出条件を維持するために、推奨されるリサイクル比率は25-30%である。再生材は新材と同じ種類とグレードのものを使用し、汚染された再生材やアニールされた再生材の使用は避け、再生材をあまり長期間保管しないこと。すぐに使用できるよう、ペレタイズして乾燥させるのが最善である。リサイクル材は一般に溶融粘度が低いので、成形条件を調整する必要がある。