鋳造ポリウレタン部品への切り替え

Jun 01, 2023

高性能ポリウレタンは、プラスチック、金属、セラミックの利点とゴム部品の弾力性を組み合わせています。

設計エンジニアは伝統的に、耐久性が必要な場合、ゴム、プラスチック、またはスチール製の部品を指定してきましたが、多くの設計エンジニアは、最も要求の厳しい、摩耗、磨耗、衝撃の多い用途向けに、新しい代替品である鋳造ポリウレタンを検討しています。

広くウレタンとも呼ばれる注型ポリウレタンは、ゴム部品の弾性と柔軟性に加えて、ハイテクプラスチック、金属、セラミックの性能上の利点の多くを組み合わせた、丈夫で弾性のある材料です。

高圧プレスで成形される前にシートまたはパンとして準備される最も近い対応物であるゴムとは異なり、ウレタンは液体混合物として安価な低圧の型に注入できます。

この技術を使用すると、高圧の金型やプレスを使用せずに、複雑な金型キャビティを充填できます。 これには多くの利点があり、特に、ゴムやプラスチックの成形よりも工具や製造コストが低く、金属やセラミックよりも材料コストが低いことが挙げられます。

性能の点では、鋳造ポリウレタン部品は多くの場合、セラミックや代替金属よりも軽量であり、脆くなく、ストレスや極端な温度下でもプラスチックのように亀裂が入りません。

鋳造ポリウレタン部品は新品ではありません。 それにもかかわらず、この種の材料の可能性についての認識は、ほとんど知られていないままです。 これはいくつかの要因に起因すると考えられますが、その中でも特に重要なのは、オプションと定式化に対する一般的な理解の欠如です。

たとえば、単にポリウレタン部品を指定するだけではありません。 硬度、弾性、バネ定数、耐薬品性などのさまざまな変数を操作するために使用できる配合物が多数あり、その中には独自のものもあります。

このため、プラスチック、スチール、セラミック、またはゴム部品からポリウレタンへの切り替えの可能性に関心のある設計エンジニアは、多くの場合、ウレタン配合の専門家の支援と指導を求めることが最も効果的です。

カスタムパーツの動作中

これらの部品の利点を示す最近のケーススタディでは、オランダの造船所が、後部湾を通って沖合巡視船に出入りするスピードボートの衝撃と摩耗を吸収できる新しいスリップウェイライナーを必要としたとき、特別に選択したものです。米国最大の耐摩耗性ウレタン製品メーカーの 1 つである Argonics が配合したポリウレタン。

このプロジェクトに関わった、オランダに本拠を置き、さまざまな業界に部品を販売するミュラー・ベルテックス社のオーナー、ラース・ミュラー氏によると、ウレタンライナーは、硬すぎてスピードボートを損傷する傾向にあったナイロンプラスチックライナーの代わりとなったという。

「ライナーは、衝撃、磨耗、海水、紫外線への曝露に耐えながら、スピードボートや巡視船に損傷を与えることなく湾に出入りできるようにする必要がありました」とミュラー氏は言う。

耐久性を最大限に高め、海洋巡視船の後部湾に出入りするスピードボートの衝撃を和らげるために、アルゴニクスオランダの造船所およびミュラー・ベルテックスと協力して、硬度の尺度であるデュロメーターがそれぞれ異なる 2 層の材料で構成されるウレタンスリップウェイライナーを設計しました。

Muller 氏によると、Argonics は、避けられない摩耗や衝撃にさらに耐えられるよう、デュアルデュロメーターライナーを作成するというアイデアを思いつきました。

「ウレタンの硬い上層は切断や引き裂きに対する耐性が高く、下層はパワーボートの衝撃に耐えられるように柔らかいです」とミュラー氏は言います。 同氏は、同社のウレタン配合に関する専門知識が、必要な特性に合わせて材料を最適化し、分離しない強力に結合した層を作成するのに役立ったと付け加えた。

3 社間の継続的な協力により、さらなる製品の改良が行われました。 「私たちは最近、船台ライナーの端を面取りして、海水や砂が背後に入らないようにしました」とミュラー氏は明かします。 「また、ボルト穴のウレタンを硬化して、ねじとアタッチメントをライナーにフィットする位置にしっかりと保持できるようにしました。現場での取り付けを容易にするために、部品の皿穴の正確な位置に合わせてライナーに皿穴部分を追加しました。

「ウレタンを使用すると、強度、弾力性、生涯耐久性を 1 つの製品に組み合わせることができます」と Muller 氏は付け加えます。 「エンドユーザーはスリップウェイライナーに非常に熱心です。現在、この用途は造船所に完全に受け入れられており、その船舶ラインの標準製品となっています。」

独自の配合

ウレタンメーカーは、硬度、弾性、バネ定数などのさまざまな特性に合わせてカスタマイズされた配合を作成できますが、独自の配合を開発したメーカーもあります。 たとえば、米国に本拠を置くジャガイモ農業機器メーカーである Double L Global は、ジャガイモの洗浄と選別に使用するコンポーネントに、Argonics の独自の性能ベースのポリウレタン配合物である Kryptane を使用しています。 これには、穏やかなローラー、回転するクリーニングスター、頑丈な耐荷重部品が含まれます。

「私たちが使用するウレタン部品は、ジャガイモを優しく扱うための柔らかく柔軟な部品から、非常に硬い耐荷重部品まで多岐にわたります」と Double L Global のエンジニア、ロイ・ウィザーズ氏は言います。

クリプタンは、滑り、衝撃、摩耗、腐食が定期的に発生する用途に適した、非常に耐摩耗性の高い素材です。

例としては、耐衝撃性および耐摩耗性のプレートが挙げられます。 カーテンやスクリーンを爆破する。 シュート、ビン、ホッパーライナー。 パイプ、継手およびバルブライナー、振動パッド、シールおよびガスケット。 トラックの荷台ライナー、輪止め、クロスオーバーパッドなども含まれます。

ウィザーズ氏によると、Double L Global は、コンベア パスから製品を掃き出すように設計された最近開発されたコンポーネントに独自のウレタンを使用しています。

以前は、コンポーネントは一体化されたポリウレタン パドルとトーション スプリングで構成されていました。 ただし、一体型パドル スプリングでは、スプリングの巻き方が一定していないため、コンポーネントが美的に斜めに見えるため、問題が発生することがよくありました。 また、調整のずれにより、再作業に費用がかかることもよくありました。

より美しく合理化された部品を作成するために、ウィザーズ氏は部品全体をポリウレタンで作ることでねじりバネの性能要件を達成できないか同社に尋ねました。

望ましいスプリング性能を達成するために、ウィザーズ氏は、パーツの断面積とウレタンのデュロメーターの 2 つの設計変数を使用できると感じました。 最初に、彼は性能要件に適合させるために金属製のバネのバネ定数を測定しました。 その後、彼は特別に計算された断面を持つデザインを開発しました。

同社は、計算された断面と異なる材料デュロメーターを備えた 4 つの異なるポリウレタン プロトタイプを納品しました。

次に、Double L Global はプロトタイプを物理的にテストし、それぞれを曲げるのにどれくらいの力が必要か、またどれくらいたわむかを確認しました。 数回の繰り返しの後、正しいデュロメーターと断面が特定され、ウレタン部品の生産が開始されました。 「アルゴニクスはスプリングをウレタンに統合することで、スイープの設計の信頼性と一貫性を向上させるのに役立ちました」とウィザーズ氏は言います。 「今では金属製のスプリングはなく、すべて一体型になっています。」

大成功

スイープコンポーネントは、コンベアからジャガイモを払い落とすのに十分な剛性を持ちながら、岩などの硬い物体に当たった場合には曲がるのに十分な柔軟性を備えているように設計されています。

ウィザーズ氏によると、より経済的なツーリングと複雑な金型キャビティにも充填できる機能は、設計、試作、テストを繰り返す際にエンジニアにとって特に役立ちます。

「射出成形ツールに高額なコストを払いたくないので、私は射出成形による部品の製造を選択する代わりに、Argonics の注型ウレタン部品の方法を選択することが多いです。」と彼は言います。 「一回限りの部品であっても、大量の部品であっても、ウレタンは通常、当社にとってはるかにコスト効率が優れています。」