TPU 1巻で硬さを変える：ソールを 3D プリントする方法

1 つのソールに 3 つの異なる役割

ランニングシューズを踏み込むと、前足部はしなる必要があり、アーチは形状を保ち、ヒールは衝撃で崩れてはいけません。この 3 つの部位が求める機能は同じではありません。従来は部位ごとに異なる材料でつくられていました。密度と硬さの異なるフォームブロックを切り出し、貼り合わせて圧着する方法や、別々のパーツを組み合わせる方法です。これらは有効ですが、パーツが増えるごとに金型も接着工程も増え、品質管理も複雑になります。

3D プリントならその工程が不要になります。TPU 1 巻だけを使い、内部構造で調整を任せられます。

インフィルを 40 % に上げるとソールは硬くなるのか

スライキングソフトを開き、インフィル設定には複数のパラメータがあります。最もよく使われるのがインフィル密度で、内部体積のうち材料が占める割合を示します。

同じソールを 15 % と 40 % で出力すると、踏んだときの感触ははっきり違います。密度が低いと内部に空隙が多く変形量大くなって柔らかく、密度が高いと内部構造が密になり等価剛性が上がって支持感が生まれます。

もう一つのパラメータがインフィルパターンで、部品内部で材料がどのような形状を取るかを決めます。同じ 20 % でも、直線・グリッド・Gyroid では負荷時の挙動がまったく異なります。

足にかかる力も一方向だけではありません。着地の瞬間には垂直方向の圧縮に加え、前方向のせん断と引き伸ばしが働きます。

主なインフィルパターンの違い

直線インフィルは材料を一方向に進むよう往来させます。線に沿って押すと剛性がそれなりに出ますが、直交方向に押すと簡単にへこみます。ソール全体の負荷方向は絶えず変わるため、直線のパターンが適切な選択になることはまれです。

グリッドインフィルは 2 方向で交差するので両軸が支持され、隣接層も角度をずらして積層されます。直線より剛性は高いものの、層間の結合点はやや弱くなります。

ハニカムインフィルは水平面内での強度に優れる一方、材料を節約し、印刷も速くなります。鉛直方向では弱いため、上からの圧縮には強いですが、側方向の荷重には向きません。

Gyroid インフィルは連続した空間曲面であり、3 方向すべてに材料が分布します。目立った弱い方向がないため、負荷方向が頻繁に変化する用途に適し、変形も均一になります。近年では柔軟部品の標準的な選択になっています。

同心インフィルは輪郭に沿って内側へ一周ずつ進みます。インフィル線が形状に沿って走るため、プリント部品が一緒に変形します。柔らかさを求めたい場合によく選ばれます。

ソール部位ごとの異なる設定

現在のスライキングソフトは、同一部品内の領域ごとに異なるパラメータを設定できます。アーチを Gyroid 60 % にして形状を保ち、前足部を 20 % まで下げてしなり、ヒールは 30 % から 40 % への遷移にして減衰と回復の両方を兼顾します。3 つの部位を同じ 1 巻から一度にプリントできます。

一体化することで接着層も不要になります。貼り合わせ構造では、剥離や層の分離は多くは接着層から発生します。

壁のループ数も調整できます。ループを増やすと外側が硬くなり、1 から 2 ループに減らすと部品全体を更容易に変形させられます。柔軟部品では一般的な手法です。

レイヤー高、上面と下面のソリッド層数、インフィルと壁の重なり率も、それぞれ異なる方向に手触りを変えます。1 つずつではなくまとめて調整してください。

構造を整えたら、残りは材料が決める

構造が等価剛性、圧縮曲線、変形モードを支配します。その他のいくつかの特性は材料そのもので決まります。

回復性は高分子鎖から生じます。TPU には軟鎖分と硬鎖分があります。軟鎖分は伸びると丸まった状態へ戻ろうとする傾向があり、これはエントロピー弾性です。硬鎖分は物理的架橋点をつくって鎖を拘束し、変形が回復できるようにします。インフィルによる調整はこの性質の上に成り立っています。

引裂き強度も同じ考え方です。インフィル構造は細いストラットを使うため、応力がストラットの接合部に集中します。材料の引裂き強度が十分でなければ、そこから亀裂が広がります。

圧縮永久変形は、繰返し荷重の後にもとの厚さに戻るかどうかを表します。ソールの柔らかさがどれくらい保つかは、主にこの特性に依存し、構造では補えません。

アウトソールは毎日摩擦を受けるため、耐摩耗性も材料特性です。シューズ内部は温かく湿っており、汗が長時間اويةため、ポリエーテル系は加水分解耐性に余裕があります。抗菌性能が要求される場合は抗菌グレードを選べます。

最後にフィラメント径の安定性を確認する

インフィルは体積で計算されます。1 層あたりに押し出す材料量を算出するとき、スライカはフィラメント径を使います。公称 1.75 mm のフィラメントでも実際は 1.7 から 1.8 mm の間で変動し、押し出し量が変わるため実際のインフィル密度は設定値とずれます。

その結果、同じモデルと同じ設定でも、バッチによって柔らかいソールと硬いソールが混ざります。トラブルシュートでは多くの場合まず機器や設定を疑いますが、多くの場合はフィラメント径が原因です。

そのため、径の公差は剛性フィラメントより柔軟部品でより重要です。

出力時に注意すべき点もいくつかあります。TPU は吸湿性があるため、先に乾燥しないと層間にフィラメントがたまります。柔らかいフィラメントは供給経路の安定性を求めるため、ダイレクトドライブならより一貫した結果が得られます。溶融体の十分な塑化と接着のための時間を確保するため、印刷速度を落としてください。リトラクションは専用の設定が必要で、剛性フィラメント用に合わせたパラメータでは、柔らかいフィラメントを変形させてしまい、適切にリtractされません。