TPUは射出成形業界でどのように使われているのか？

Commonly used elastic and thermoplastic plastics for injection molding include self-skinning, flexible, viscoelastic polyurethane foam products and injection molded thermoplastic rubber (TPR), thermoplastic elastomers (TPE), and thermoplastic urethane (TPU). TPU, or thermoplastic polyurethane, is a material that many industries love because it can be melted down and molded again like thermoplastics, but it still has elastic properties. One area where this versatile material really shines is in injection molding; nothing else offers both flexibility and toughness in quite the same way. This article delves into the fundamental properties of TPU, the injection molding process, practical applications, providing comprehensive guidance for industry professionals.

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 injection molding process is alike to that of other thermoplastics but demands precise control over processing parameters and conditions because TPU has unique properties. Below is an in-depth guide to how TPU is processed using injection molding techniques:

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.温度制御： TPUの加工温度範囲は180～230℃である。TPUの細部は最終製品に比例するように、熱もまたTPUの物性を劣化させる要因の一つである。したがって、最終製品の品質を確保するために、製造工程での温度管理は非常に重要です。主な欠点の1つは、TPUは一般的に他の多くの熱可塑性プラスチックに比べて融点がやや低いため、加工装置により精巧な温度制御が必要になることです。

2.射出速度： 非常に速い射出による内部応力や気泡の形成を防ぐためには、中速射出を使用すべきである。また、射出手段が反応速度や金型への充填の均一性に影響し、製品の機械的特性を向上させることも確認されている。材料を金型キャビティに注入する速度が非常に速い場合、空気が材料内に閉じ込められ、金型に気泡のような外観を与える。

3.圧力制御： 保持圧力と保持時間の両方が、製品が寸法的に安定し、魅力的な表面を維持できるような方法で、ちょうどよいものでなければならない。保持圧力が高すぎると内部応力レベルが高くなり、逆に保持時間が短いと収縮や歪みが生じます。一般的に、保持時間は製品の厚みやデザインの複雑さによって異なります。

金型設計

Mold design has a significant influence on the injected TPU molded goods and services. As for flowability of TPU, it is arguably good; however, it should include certain reasonable gate and runner design to avoid poor filling due to the presence of small gates or improper runner design. Besides, the collapsibility feature should be taken into consideration; the draft angle should be set correctly in order not to damage the product at the moment of demolding. Other input parameters include mold surface finish, mold temperature, the former surface finish is important in the prevention of surface defects in the product whereas mold temperature is important since it assists in uniform cooling and thus shortens the cycle time. Key Points to Consider in TPU 射出成形金型設計:

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

The primary runner is the passage that communicants the injection molding machine nozzle to the sub-runner or cavities within the mold: this runner expands inwards at an angle of more than 2 degrees in order to ease removal of runner residues. The sub-runner in multi-cavity molds lies connecting the main runner to each cavity and they should equally spaced or balanced in the mold. Cross-section of runners can be round, semi circular, or rectangular and its ideal diameter should be between 6 to 9mm The runner surface should be polished like that of cavity of the mold to let the flow resistance of the material and to enhance the speed of filler mold.

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・ランナーがキャビティに接続するための通路である。通常、ランナーより小さい断面積を持ち、ランナーシステムの中で最も小さい部分である。ゲートは長方形や円形などどのような形でもよく、寸法は製品の厚さによって異なる。厚さ4mm未満の製品では直径＝1mm、厚さ4～8mmでは直径＝1。肉厚8mm以下は直径1.4mm、肉厚8mm～4mmは直径2、4mm以上は直径2.0～2.7mmとなる。7 mm ゲートの位置は、通常、美観と機能の両方にあまり影響を与えない製品の最も厚い部分、収縮空洞とスワールマークをなくすために金型の壁に対してちょうど90度の位置に決めます。

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

について TPU射出成形 TPU成形の温度、圧力、時間のパラメーターは、適切な可塑化-流動性-冷却効果を達成するカギを握っています。製造されるTPU部品の外観と性能は、これらの基準が正しく満たされているかどうかに直接影響されます。加工工程ですべてが思い通りに進めば、最終製品の外観はほぼ同じになるはずです。

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.バレル温度： バレルの温度の選択は TPU 材料の硬度に基づいています 6 を得ています より高い硬度は TPU により高い溶ける温度があることを意味し、バレルの終わりの温度はまたより高くなります。TPUのバレル加工温度の範囲は177-232℃である。温度分布は通常、ホッパー側または後端からノズルまたは前端に向かって徐々に上昇させ、TPUの温度が可塑化のために着実に上昇するようにする。

2.ノズル温度： ノズル温度は、直進ノズルを使用した場合、液垂れ現象が発生するため、通常、バレルの最高温度より若干低く設定されています。しかし、垂れを防止するためにセルフロッキングノズルを採用すれば、ノズル温度をバレルの最高温度の範囲内に設定することが可能です。

3.金型温度： 金型をセットする温度は、TPU部品の基材特性と表面粗さに大きな影響を与えます。これは、TPUの結晶化度や加工するパーツのサイズなどの影響を受けます。金型温度は、例えば水など、一定の温度を持つ別の冷却媒体を使って調節するのが一般的です。さらに、結晶化度の増加や初期金型温度とは別に、硬度の高いTPUは架橋の程度が異なります。例えば、硬度480AのTexinの適切な金型温度範囲は20〜30℃、硬度591Aの金型温度は30〜50℃、硬度355Dの適切な金型温度は40〜65℃である。金型温度が低いと、溶融物の一部が他の部分より先に凝固するため、流動線が発生し、球晶の成長が制限されるため、材料の結晶化度が低くなります。この結果、成形後の収縮が生じ、部品の性能にばらつきが生じる。

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。

様々な分野でのTPUの実用化

TPUのユニークな特性により、多くの分野で広く応用されている。以下は主な応用分野と詳細な分析である：

自動車産業

1.ダッシュボードとコントロールパネル TPUは柔軟性と耐摩耗性に優れているため、自動車の内装部品に使用できる。TPUのダッシュボードやコントロールパネルは触り心地がよく、衝撃エネルギーを分散させるので安全です。TPU素材は音や揺れを吸収し、より快適な運転体験を提供します。

2.ヘッドランプシール： ヘッドランプのアセンブリに見られる自動車用シールは、天候に耐え、効果的にシールできなければならない。TPUは暑さ寒さに強く、雨水がヘッドランプに浸入しないため、ヘッドランプがすぐに摩耗することはありません。TPUは紫外線に強いため、長時間日光にさらされても劣化したり黄色くなったりすることはありません。

3.バンパー： 今日、TPUは自動車産業、特にバンパーの製造への応用で絶大な知名度を誇っている。TPUには優れた弾性があり、衝撃を受けた際に多くのエネルギーを吸収し、自動車を保護します。これはまた、その優れた耐摩耗性のためにバンパーの耐久性を向上させます。TPU保護バンパーは、それ故に安全性を高める歩行者や他の車に対する脆弱性の減少のために車に有利である。

医療業界

TPUは主に医療器具や、医療現場で一度使用された後に廃棄されるようなアイテムに利用されている。そのため、カテーテル、輸液チューブ、手術用手袋など、生体適合性が高く、滅菌が容易でなければならないものの製造に適しています。具体的な用途をいくつか紹介しよう：

1.医療用カテーテル TPUカテーテルは非常に柔軟で生体適合性に優れているため、体内で長期間使用することができ、しかも反応を起こすことがない。TPUカテーテルは、カテーテル内に入る体液と化学反応を起こしたり、さまざまな医療状況で機械的な障害を起こしたりすることがなく、患者に不快感を与えることもない。

2.手術用手袋： TPU手袋は柔らかく丈夫なので、外科医が手術をしている間、非常に柔軟で快適であり、細菌汚染を最小限に抑えることができる。TPU手袋は耐穿刺性と耐薬品性に優れているため、手術中により安全で信頼性が高い。

3.輸液チューブ： TPUは輸液中でもその性質が変化せず、試薬との相互作用もない。現在の外科手術で使用されているTPU輸液チューブは、血液や薬剤の付着をサポートしないため、感染の可能性を低減します。

電子・電気産業

1.スマホケース TPUは主に、衝撃を保持する能力だけでなく、透明でなければならないため、ケースとなる。TPUケースはまた、携帯電話の落下による損傷などから携帯電話を保護し、同時に携帯電話の外観と感触を与えます。TPUケースはTPU素材を使用しているため、色やデザインなど用途は多岐にわたる。

2.ケーブルジャケット： TPUは耐摩耗性と耐油性が高いため、ケーブル・ジャケット用途に広く使用されている。TPUジャケットは、ケーブルの厳しい気候条件下での状態変化を促進し、耐久性を向上させます。TPU素材は、高温や低温にさらされても柔軟性が保たれるため、産業分野での使用に適しています。

フットウェアとテキスタイル

1.スポーツシューズの靴底： TPUは弾力性があり、耐摩耗性に優れているため、スポーツシューズの靴底に適している。また、TPUソールは軽量で非常に丈夫なため、スポーツ活動中の十分なクッション性を保証し、靴の履き心地も非常によくなります。これは、TPU素材がさまざまなスポーツ要件に適合するよう、さまざまなソール構造で製造できることを意味している。

2.機能性テキスタイル： TPUフィルムは、防水性と透湿性を兼ね備えた素材として、アウトドアスポーツやミリタリーなどのシーンで汎用的に使用されています。TPUフィルムは、防水性と透湿性を併せ持つフィルムとして、様々な過酷な環境下で使用されています。TPU素材は、このような高湿度、高ストレス環境下でも防水性、通気性を発揮します。

結論

TPUの優れた特性により、射出成形業界で広く使用されている。進化し続ける射出成形技術とその加工問題の習得により、TPUの応用分野はさらに広がるだろう。将来、射出成形のプロセスにおけるTPUの位置づけは、新しい技術と顧客の要求が高まるにつれて、さまざまな分野で高性能を提供する有用なものになるだろう。

TPUの基本的な特性に関する知識に基づいている、 射出成形技術この論文は、TPUの射出成形分野への幅広い応用、応用と加工、問題点と対策、今後の展開と動向など、TPUという高機能材料の可能性を広げるために有益なものである。この論文が発表されたことで、これらの実務者は、射出成形の進歩に取り組む中で、TPUを取り入れ、利用することができるだろう。