3Dプリンター用ゴム(TPU/TPE/ TPC/PBAT系)
フィラメントとは
靭性や柔軟性のプロトタイプに最適な材料
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。ゴム系のフィラメントは主にTPU/TPE/ TPC/PBAT系の4種類に分かれます。
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。
ゴム・エラストマーフィラメントの特徴・用途から注意点まで
その一方で、ゴム・エラストマーTPU/TPE/ TPC/PBAT系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TPU/TPE/PBAT系フィラメントの特長や種類、更には注意点と対策などについてご紹介します。
3Dプリンターを使用するすべての方々がより良いモノづくりができるようになれば幸いです。
3Dプリンター用ゴム(TPU/TPE/ TPC/PBAT系)
フィラメントの強みと弱み
3Dプリンター用ゴム(TPU/TPE TPC//PBAT系)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(TPU/TPE/ TPC/PBAT系)フィラメントの強み
ゴム・エラストマー(TPU/TPE/ TPC/PBAT系)の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。
1.柔軟性
ゴム(TPU/TPE/ TPC/PBAT系)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)やTPE(熱可塑性エラストマー)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。
2.耐衝撃性
ゴム(TPU/TPE/ TPC/PBAT系)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。
3.振動吸収
ゴム(TPU/TPE/ TPC/PBAT系)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(TPU/TPE/ TPC/PBAT系)フィラメントの弱み
ゴム・エラストマー(TPU/TPE/ TPC/PBAT系)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(TPU/TPE/ TPC/PBAT系)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(TPU/TPE/ TPC/PBAT系)
フィラメントでできること
3Dプリンター用ゴム(TPU/TPE/ TPC/PBAT系)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。
製品開発のリードタイム短縮
3Dプリンター用ゴム(TPU/TPE/ TPC/PBAT系)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(TPU/TPE/ TPC/PBAT系)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(TPU/TPE/ TPC/PBAT系)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。
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(TPU/TPE/ TPC/PBAT系エラストマー)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。
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(TPU/TPE/ TPC/PBAT系エラストマー)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。
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。
ゴム・エラストマー(TPU/TPE/ TPC/PBAT系エラストマー)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、主にTPU(熱可塑性ポリウレタン系)、TPE(熱可塑性エラストマー系)、TPC/PBAT(ポリエステル系)の3種類に分かれています。
TPU系、TPE系、TPC/PBAT系の違い
TPU系とTPE系とTPC系、PBAT系の違いですが、主に以下のような特長があります。
TPU系 | 熱可塑ポリウレタン。硬度は比較的高め(90以上など) |
TPE系 | 熱可塑性エラストマー。硬度は比較的柔らかめ(60以上など) |
TPC/PBAT系 | 熱可塑性ポリエステル系エラストマーのフィラメント |
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。
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
PolyFlex TPU90(PolyMaker製)
PolyFlex TPU90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90Aの硬さを持つフィラメント材料で紫外線にも強いフィラメント材料です。
PolyFlex TPU90のスペック
カラー:ブラック、ホワイト、グレイ、ティール、クリア
重量:750g
フィラメント径:1.75 mm ±0.05 mm
プリント温度:210℃~230℃
プリントスピード:30mm/s~60mm/s
プリントベッド温度:0℃~45℃
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
PolyFlex TPU95-HF(PolyMaker製)
PolyFlex TPU95-HF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、通常の95に比べてプリントスピードを向上させました。また紫外線にも強いフィラメント材料です。
PolyFlex TPU95-HFのスペック
カラー:ブラック、ホワイト、グレイ、ティール、クリア
重量:750g
フィラメント径:1.75 mm ±0.05 mm
プリント温度:200℃~220℃
プリントスピード:40mm/s~100mm/s
プリントベッド温度:20℃~50℃
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
Ultrafuse TPU85A(BASF製)
Ultrafuse TPU85Aは、BASF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85Aの硬さを持つフィラメント材料で、高い耐摩耗性と低温柔軟性、引張強度をもっています。
Ultrafuse TPU85Aのスペック
カラー:ブラック、ホワイト、グレイ、ティール、クリア
重量:750g
フィラメント径:1.75 mm ±0.05 mm
プリント温度:200℃~220℃
プリントスピード:40mm/s
プリントベッド温度:40℃
HPフィラメント・スーパーフレキシブル(ホッティ―ポリマー製)
HPフィラメント・スーパーフレキシブルはホッティーポリマー製で、植物由来のPLA樹脂に加え、ホッティポリマー独自に開発されたエラストマー材料を配合した軟質フィラメントです。
HPフィラメント・スーパーフレキシブルのスペック
カラー:ブラック、ホワイト、グリーン、レッド、オレンジ、ブルー、肌色
重量:500g、250g
フィラメント径:1.75 mm ±0.05 mm
プリント温度:200℃~240℃
プリントスピード:40mm/s
HPフィラメント・スーパーフレキシブル蓄光(ホッティ―ポリマー製)
HPフィラメント・スーパーフレキシブル蓄光はホッティーポリマー製で、植物由来のPLA樹脂に加え、ホッティポリマー独自に開発されたエラストマー材料を配合した軟質フィラメントです。太陽光や蛍光灯で光を蓄えることが可能で、暗くなった場所で発光します。
HPフィラメント・スーパーフレキシブル蓄光のスペック
カラー:ナチュラル
重量:500g、250g
フィラメント径:1.75 mm ±0.05 mm
プリント温度:200℃~240℃
プリントスピード:20mm/s
Raise3D 純正TPU95A(Raise3D製)
Raise3D 純正TPU95Aは、Raise3Dの開発するRaisePro2,Pro3、Pro3Plus、E2などに最適化されたフィラメント材料です。柔軟性が高く、ショア硬度95Aの硬さです。
Raise3D 純正TPU95Aのスペック
カラー:ブラック
重量:1kg
フィラメント径:1.75 mm ±0.05 mm
プリント温度:210℃~230℃
プリントスピード:25-50mm/s
Flashforge TPCフィラメント 85A(Flashforge製)
Flashforge TPCフィラメントはポリエステル系エラストマーのフィラメント材料です。ショア硬度85Aの硬さで、クッション、ハンドル、タイヤのグリップ等、に最適です。
Flashforge TPCフィラメント 85Aのスペック
カラー:ホワイト
重量:500g
フィラメント径:1.75 mm ±0.05 mm
プリント温度:220-240℃
プリントスピード:20mm/s以下
Flashforge PBATフィラメント(Flashforge製)
Flashforge PBATフィラメントは生分解性の熱可塑性ポリエステル樹脂で作られており柔軟性のある造形が可能です。
Flashforge PBATフィラメントのスペック
カラー:ホワイト
重量:1kg
フィラメント径:1.75 mm ±0.05 mm
プリント温度:180-230℃
プリントスピード:20-40mm/s以下
エラストマー(TPU/TPE/ TPC/PBAT系)推奨の3Dプリンターとは
TPUフィラメントは熱収縮によって反りが発生しやすいフィラメント材料です。そのため多くの3DプリンターがTPUに対応しているとはいえ、反りの影響で大きい造形物が難しい傾向にあります。
Creator4S(Flashforge)
Creator4SはFlashforgeが開発する業務用3Dプリンターです。新たに庫内温度の加熱機能を搭載した大型のFDM3Dプリンターで、エラストマー(TPU/TPE/ TPC/PBAT系)フィラメントでも30cm近い造形物が3Dプリント可能です。またTPU以外にも20種類の材料に対応しています。
造形サイズ 400mm x 350mm x 500mm (ABSはW350mm x D300mm x H350mm) |
対応材料 20種類(TPU~カーボンファイバー配合材料まで) |
RaisePro3
Raise3Dの代表的3DプリンターがRaisePro3です。RaisePro3は最新のFDM 3Dプリンターで、AI搭載によりプラットフォームのノズル位置合わせを補正、専用ソフトとの高い安定性によって高いプリント性能を誇ります。
造形サイズ 300×300×300mm |
対応材料 TPU~カーボンファイバー配合材料まで |
Raise E2
RaiseE2はRaise3Dのデスクトップタイプの3Dプリンターです。ナイロン(PA)からPLA、TPUなど幅広い材料に対応しており、専用ソフトウェアとオートキャリブレーション機能によって非常に高い安定性を誇っています。
造形サイズ 330×240×240 mm |
対応材料 PA、PLA、TPU、PCなど |
3Dプリンター用ゴム(TPU/TPE/ TPC/PBAT系)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。
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(TPU/TPE/ TPC/PBAT系)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(TPU/TPE/ TPC/PBAT系)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。
ノズル温度とプリントベッドを最適化する
ゴム(TPU/TPE/ TPC/PBAT系)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。
プリントスピードを最適化する
ゴム(TPU/TPE/ TPC/PBAT系)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。
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