3Dプリンターのゴム(エラストマー)フィラメント完全ガイド

3Dプリンター用ゴム(エラストマー)フィラメントとは

3Dプリンターではゴム(エラストマー)のフィラメント材料も登場しています。

これまでゴムの加工も金型を使った量産が中心でしたが、3Dプリンターの材料として登場することで、靭性や柔軟性が求められるプロトタイピングや、パーツ製造に広がりを見せています。

その一方で、ゴム(エラストマー)フィラメントを正確にプリントするためには、さまざまな注意点があり、専用押出ノズルの使用や温度設定、ノズルのスピードなど、最適化しなければならない点が多数あります。

ここでは3Dプリンター用のゴム・エラストマー、ゴムライク材料の特長や種類、更には注意点と対策などについてご紹介します。

3Dプリンター用ゴム(エラストマー)フィラメント材料

3Dプリンター用ゴム(エラストマー)フィラメントの強みと弱み

3Dプリンター用ゴム(エラストマー)フィラメントには、他のフィラメント材料には無い機能があります。耐摩耗性、耐衝撃性、柔軟性、引張強度、耐薬品性に優れる素材です。

TPU(熱可塑性ポリウレタン)が一般的な素材で、3Dプリンター用フィラメントになることで、1個単位からゴムパーツを作ることが可能です。

工業用ゴムパーツの試作からエンドユーザー向けの消費者製品のプロトタイプまで幅広い用途に使用できます。

ゴム(エラストマー)フィラメントの強み

ゴム(エラストマー)フィラメントの最大の強みが柔軟性です。そのほか柔軟性からくる耐衝撃性、靭性などを持っています。

柔軟性:

ゴム(エラストマー)フィラメントの一番の強みが、他の材料には無い弾力性や柔軟性です。ベースはTPU(熱可塑性ポリウレタン)で作られていることが多く、柔軟性もさまざまな軟らかさのものがあります。この柔軟性を活かした機能性プロトタイプや試作品を作ることができます。

耐衝撃性:

ゴム(エラストマー)フィラメントで作られた造形モデルは、その軟らかさから優れた耐衝撃性を発揮します。この耐衝撃性を活かし、カバーやケースなどの機能性プロトタイプにも使用されます。

振動吸収:

ゴム(エラストマー)フィラメントは同時に振動吸収性がある造形モデルにも最適です。

ゴム(エラストマー)フィラメントの弱み

ゴム(エラストマー)フィラメントの最大の弱点が造形自体が難しいという点があげられます。このゴム(エラストマー)フィラメントの注意点と対策はのちに詳しくご紹介します。

3Dプリンター用ゴム(エラストマー)の特性

  • 耐摩耗性:高い耐摩耗性を誇る。
  • 耐衝撃性:衝撃などに強い特性を持つ。
  • 耐薬品性:酸やアルカリなど薬品による変化が少ない。
  • 引張強度:引っ張った時にも破れにくい。
  • 靭性・曲げ疲労性:ねじったり曲げたりした時にも壊れにくい。

3Dプリンター用ゴム(エラストマー)フィラメントでできること

3Dプリンター用ゴム(エラストマー)フィラメントでできることはさまざまです。自動車業界や機械製品、航空宇宙産業の工業用や、消費者向け製品など、さまざまな分野の製品開発を効率化してくれます。

製品開発の効率化:リードタイムの短縮

3Dプリンター用ゴム(エラストマー)フィラメントを使用することで、製品開発の効率化を実現できます。従来ゴム製品の試作には、金型や鋳型を使用して行われるのが一般的でしたが、TPU(熱可塑性ポリウレタン)を使用することで、大幅に効率化できます。

3DCADデータから1個単位で3Dプリントすることができるため、データから最短で数時間で試作品をアウトプットすることが可能です。

さらに、形状違いやマイナーチェンジのプロトタイプも、一度に3Dプリントすることが可能です。特に、柔軟性や耐久性などが求められるゴムパーツでは、3Dプリンターを利用することで、試作品のプリントと検証が驚くほど迅速にできます。

リードタイムの短縮は必然的にコスト削減につながります。また製品開発のサイクルが早まることで、より高品質で競争力のある製品開発が可能となります。

製品開発の効率化:コスト削減

TPU(熱可塑性ポリウレタン)などのゴム(エラストマー)フィラメントを製品開発に使用することでコストを削減することができます。3Dデータから1個単位から作ることができるので、型を作るよりもはるかに安価に作れます。

また微妙なデザインバリエーションを作る場合も、型を余分に作る必要がなく、造形に必要な分の材料費だけで済み、低コストで実現できます。

3Dプリンター用ゴム(エラストマー)フィラメントで作れるもの

3Dプリンター用ゴム(エラストマー)フィラメントは柔軟性が求められるパーツやプロダクトの試作や製造に使用することができます。

特にTPU(熱可塑性ポリウレタン)のフィラメントは、靭性や耐摩耗性、耐薬品性などに優れていることから、自動車や航空宇宙などのゴムパーツの試作や、シューズ、サンダルなどのソール・靴底といった履物のプロトタイピングなどに最適です。

工業用ゴムパーツの試作・製造

TPU(熱可塑性ポリウレタン)などのゴム(エラストマー)フィラメントは、自動車や航空宇宙産業、機械産業といった工業用のパーツ製造、試作品を作ることができます。

こうした工業用途、特に自動車業界などでは、さまざまなゴムパーツを使用します。また、工業用のゴム・エラストマー素材として優れた耐摩耗性、引張強度、靭性を持ちホースやカバー、キャップ、パッキンといった柔軟性が求められるさまざまなパーツの3Dプリントに最適です。

3Dプリンター用ゴム(エラストマー)フィラメント材料

靴、シューズ・サンダルなど消費者向け製品の開発

3Dプリンター用ゴム(エラストマー)フィラメントは、消費者向けの製品のプロトタイピングもできます。例えば、弾力性が求められるシューズのボディやソールには3Dプリント用ゴムが最適です。

これまでシューズのソールなどの試作は金型で作られていましたが、TPUフィラメントのようなエラストマー材料を使えば、コストやリードタイムをはるかに効率化することができます。

3Dプリンター用ゴム(エラストマー)フィラメント材料

機能性試験用パーツ

3Dプリンター用のゴム(エラストマー)フィラメントは基本的に耐摩耗性や耐衝撃性に優れる造形ができることから、機能性試験用のパーツにも最適です。

TPU(熱可塑性ポリウレタン)フィラメントの造形は、作るパーツの形状や太さなどによっても、物性がことなるため、幅広い用途に使えます。

因みにTPUフィラメントの硬さは、ポリマーの配合具合によって異なるため、フィラメントの種類やメーカーによってショア硬度が異なります。

3Dプリンター用ゴム(エラストマー)フィラメント材料

軟らかいゴム製品

ゴム(エラストマー)フィラメントはまた、柔らかいゴム製品の製作に最適です。特にその特性である柔軟性や耐衝撃性を活かした製品を作ることができます。例えばスマートフォンケースなどのカバーや、伸縮性が求められる製品などに最適です。

3Dプリンター用ゴム(エラストマー)フィラメント材料

ゴム(エラストマー)フィラメントの種類

3Dプリンター用ゴム(エラストマー)フィラメントは、低価格な家庭用3Dプリンターで登場しています。種類はメーカーごとにさまざまですが、プリント安定性などにバラつきがあり、使用する3Dプリンターも制約があります。

デスクトップや家庭用(低価格)3Dプリンターのゴム(エラストマー)フィラメント

3Dプリンター用ゴム(エラストマー)フィラメントは、これまで家庭用(低価格)3Dプリンターの材料が中心でした。そのほとんどがTPU(熱可塑性ポリウレタン)フィラメントで、メーカーはさまざまです。ここではPolyMakerのPolyFlex TPU95をご紹介します。

3Dプリンター用ゴム(エラストマー)フィラメント材料

PolyFlex TPU95(PolyMaker製)

PolyFlex TPU95は、PolyMakerのTPU(熱可塑性ポリウレタン)フィラメントです。ショア硬度95Aの硬さを持つフィラメント材料で元の長さの3倍以上伸びる(400%を超える大きな破断伸びを誇る)伸縮性に富んだゴム材料です。

紫外線硬化性樹脂のゴムライクな材料と比べると、非常に柔らかく柔軟性を持つ造形モデルのプリントに最適です。

特にPolyMaker製のフィラメントは、プリント適正が高く、8段階の品質管理プロセスと厳格な室内試験を経て生産されるため、正確な造形モデルを作ることができます。

カラーはホワイト、ブラック、イエロー、オレンジの4色をそろえ、デスクトップで手軽にゴム製品の造形が可能です。

3Dプリンター用ゴム(エラストマー)フィラメント材料

PolyFlex TPU95のスペック

  • カラー:ブラック、ホワイト、イエロー、オレンジ
  • 重量:750g
  • フィラメント径:1.75 mm ±0.05 mm
  • プリント温度:220℃~235℃
  • プリントスピード:30mm/s~90mm/s
  • プリントベッド温度:0℃~60℃
  • ベッド表面:のり付きガラス、ブルーテープ、BuilTak®
  • 冷却ファン:ON
  • 価格:7,980円(税込み)

PolyFlex TPU95の物性

  • 100%モジュラス:9.4±0.3 Mpa
  • 引張強さ:29±2.8 Mpa
  • 破断点伸び:330.1±14.9 Mpa
  • ショア硬度:95A
  • 乾燥設定:70℃で12時間
  • 推奨サポート材料:PolyDissolve™S1

3Dプリンター用ゴム(エラストマー)フィラメントの注意点と対策

安価な家庭用(低価格)やデスクトップの3DプリンターでTPU(熱可塑性ポリウレタン)などのゴム(エラストマー)フィラメントを使用する場合には、いくつかの注意点があります。

不具合の種類

ゴム(エラストマー)フィラメントで3Dプリントすると以下のような不具合が起きる可能性があります。

造形物のゆがみ

ゴム(エラストマー)フィラメントの不具合として発生しやすいのが造形物のゆがみです。TPUは柔軟性と弾力性がある柔らかい材料であることから、積層の過程において歪む可能性があります。

ノズル詰まり

TPU(熱可塑性ポリウレタン)などゴム(エラストマー)フィラメントの不具合としてノズル詰まりもおきます。

FDM タイプの3Dプリンターは、ノズルの内部にフィラメントを押し出すギアがついており、フィラメントも柔らかいためギア部分に絡まりノズルが詰まる不具合がおきます。

対策

歪みやノズル詰まりを防ぐためには、最適な温度設定の他に、専用の押出ノズルを使用したり、プリントスピードの設定を最適化したりすることが求められます。以下の設定をおススメします。

専用押出ノズルを使用する

ゴム(エラストマー)フィラメントを正しくプリントするためには、専用の押出ノズルを使用するのがベストです。

TPU(熱可塑性ポリウレタン)などのゴムフィラメントは、他のプラスチックとは違い、フィラメントそのものが柔らかく、非常に不安定です。そのためTPUに求められる冷却効率やノズル径が最適化された押出ノズルが必要です。

例えば、UP 3DプリンターのUP 300では、TPU専用に冷却効率を高めた押出ノズルを使用することができます。冷却効率は、加熱して柔らかくなったTPUを瞬時に硬化させるのに必要です。

UP300 3Dプリンター

ノズル温度とプリントベッドを最適化する

ゴム(エラストマー)フィラメントでは、ノズル温度と造形プレートであるプリントベッド温度のバランスも大切です。例えば、UP 300とTPU専用ノズルでPolyFlex TPU95を使用する場合には、ノズル温度を230℃、造形プレートの温度を50度にするとミスが無い造形が可能になります。

プリントスピードを最適化する

TPUフィラメントは他のフィラメントと比べて柔らかいため、プリントスピードも遅いスピードに設定します。メーカーごとにプリントスピードは異なりますが、20mm/s、30mm/sから早くても35mm/sが理想的です。

プリントスピードを上げると、フィラメントがノズルのギアに絡まりやすくなります。また、ゆっくりと積層されることで、しっかりと密着しゆがみもすくなくなります。

フィラメントスプールの位置を最適化する

フィラメントスプールの位置を最適化することで、ノズル詰まりを解消できる可能性があります。押出機の駆動ギア(ホイール)は少しずつフィラメントをノズルに取り込もうと回転しますが、フィラメントスプールの動きは引き込みつつ少量を巻き戻す動きをとります。

TPU(熱可塑性ポリウレタン)は弾性があることから、引っ張られながら引き伸ばされてしまいます。一例としてスプールをプリンターの上などに取り付けて、フィラメントが引っ張られる抵抗を減らすことで改善することがあります。

まとめ

3Dプリンター用ゴム(エラストマー)フィラメントは、他の硬質プラスチックにはない独得の柔軟性でゴム製品の試作などに利用することが可能です。その反面、プリント設定や造形安定性には、細心の注意が求められます。

またフィラメント材料と3Dプリンターの互換性などもあり(押出ノズルや造形プレート、プリント速度など)、PolyFlex TPU95とTPU専用ノズルを持つUP300 3Dプリンターのように、最適な組み合わせを見つけることが重要です。

2019.6.19 投稿者:i-maker

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