Table of Contents
- Introduktion
- Klassificering av TPU
- För- och nackdelar med TPU-material
- Egenskaperna hos TPU-material (jämfört med PLA)
Översikt
I takt med att 3D-utskrifter fortsätter att revolutionera tillverkningsprocesser inom olika branscher, spelar materialvalet en avgörande roll för att uppnå optimala resultat. Ett sådant material som har fått betydande uppmärksamhet är Termoplastisk Polyuretan (TPU). Kännetecknat av sin unika kombination av flexibilitet, hållbarhet och mångsidighet, har TPU framträtt som ett föredraget val för att skapa funktionella och intrikata 3D-utskrivna objekt. I den här artikeln går vi igenom egenskaperna hos TPU-material och utforskar hur det visar sina förmågor inom 3D-utskriftsvärlden.
Vad är TPU-material?
Introduktion
Termoplastisk polyuretan (TPU) är ett avancerat material som har funnit breda användningsområden inom 3D-utskrifter. Det är ett termoplastiskt elastomer-material med egenskaper mellan plaster och gummi. I grunden är det en blockpolymer, vars kemiska struktur består av alternerande sekvenser av hårda och mjuka segment som bildas genom reaktion av diisocyanat med kortkedjig diol (så kallad kedjeförlängare) och diisocyanat med långkedjig diol. Det har inte bara hög hållbarhet och flexibilitet utan har också god slitstyrka, värmebeständighet och utmärkta kemiska egenskaper, vilket gör att det kan bibehålla prestanda och dimensionsstabilitet över ett brett temperaturområde. Dessutom har det också god oljebeständighet, lösningsmedelsbeständighet och kemisk beständighet, och kan motstå erosion och upplösning av olika kemikalier. Vid 3D-utskrift, som en termoplastisk elastomer som kan smältbearbetas, kan TPU omvandlas till komplexa tredimensionella strukturer genom FDM (Fused Deposition Modeling) eller SLS (Selective Laser Sintering) och andra termoplastiska bearbetningstekniker. Tack vare en utmärkt kombination av fysikaliska, kemiska och termiska egenskaper samt dess miljövänliga natur, har TPU blivit ett materialval för 3D-utskriftsapplikationer inom olika branscher. Ingenjörer, tillverkare och designers inom alla branscher föredrar alltmer TPU för dess unika egenskaper och miljövänliga attribut.
Klassificering av TPU
TPU (termoplastisk polyuretan) är ett elastiskt polymermaterial som används vid 3D-utskrift. TPU kan klassificeras i olika hårdhetsgrader baserat på Shore-hårdhetsskalan. Shore-hårdhetstestet mäter hårdheten hos elastiska material som gummi, polymerer och elastomerer. Ett högre Shore-värde indikerar ett hårdare material.TPU-filament som används vid 3D-utskrift har vanligtvis en Shore-hårdhet på 85A till 95A, vissa speciella typer av TPU-filament har en Shore-hårdhet från 40A till 85A. De kan klassificeras som:
- Mjuk TPU (Shore 85A-88A): Extremt flexibel och elastisk. Kan sträckas upp till 700-1000 % av sin ursprungliga längd. Används typiskt för utskrift av komponenter som kräver hög flexibilitet, såsom telefonfodral och klockarmband.
- Medel-TPU (Shore 90A): Besitter god flexibilitet och hållbarhet. Kan sträckas ungefär 500 % av sin ursprungliga längd. Används för drönarkomponenter, ortopediska inlägg, sportutrustning etc. Detta är den vanligaste typen av TPU som används vid 3D-utskrift.
- Hård TPU (Shore 95A): Fortfarande flexibel men styvare. Maximal sträckning på cirka 200-300 % av ursprunglig längd. Lämplig för applikationer som kräver en viss flexibilitet samt stöd, t.ex. elektroniska kapslingar, innersulor, leksaker, handtag etc.
TPU:s breda justerbarhet av hårdhet kommer från dess unika blockkopolymerstruktur med alternerande hårda och mjuka segment, vilket möjliggör olika nivåer av mjukhet, hårdhet och haptiska egenskaper. PLA:s Shore-hårdhet är nära kopplad till dess kemiska struktur och är svår att förbättra med elementära medel. Därför är TPU ett idealiskt val när subtil känsla, omfattande justerbarhet av hårdhet och hög elasticitet krävs. PLA är mer lämpligt när högre hårdhet och strukturell integritet behövs.
För- och nackdelar med TPU-material
|
FÖRDELAR |
NACKDELAR |
|
Utmärkt skikt-till-skikt-bindning |
Svårt för nybörjare att skriva ut framgångsrikt |
|
Mjuk och flexibel |
Fungerar eventuellt inte bra med vissa extruders |
|
Hög brottöjning |
Högre materialkostnad |
|
Utmärkt mekanisk styrka |
Dålig hydrolysbeständighet |
|
God åldringsbeständighet |
Svårt att efterbearbeta |
|
Miljövänlig |
|
Egenskaperna hos TPU-material (jämfört med PLA)
Som ett miljövänligt material moget placerat mellan gummi och plaster, har TPU-material många egenskaper som är oöverträffade jämfört med PLA 3D-utskriftsfilament, vilket gör det till ett föredraget val för vissa applikationer.
Flexibilitet och elasticitet
TPU är känt för sin utmärkta flexibilitet och elasticitet. Som ett termoplastiskt elastomermaterial uppvisar TPU hög elasticitet tack vare sin lösa molekylkedjestruktur och svaga sekundära interaktioner som vätebindningar. Under sträckning kan TPU:s mjuka segment sträckas och röra sig utan att direkt brista, vilket ger TPU överlägsen plastisk deformerbarhet och seghet. Dess brottöjning varierar typiskt från 200 % till 1000 %, vilket vida överträffar PLA:s.
Däremot är PLA ett biologiskt nedbrytbart termoplastiskt polyestermaterial och en relativt styv plast. På grund av sin enkla styva kedjestruktur med brist på kedjemobilitet, bryts PLA lätt sprött vid deformation. PLA:s brottöjning ligger vanligtvis mellan 5-10 %, vilket indikerar dess begränsade plastiska deformerbarhet. Jämfört med PLA gör TPU:s unika kemiska struktur det till ett idealiskt materialval för 3D-utskrift av mjuka delar som kan uppnå en mjukare och mer naturlig känsla än PLA.
Enastående slagtålighet
TPU uppvisar en viss grad av kedjekorslänkning och starka intermolekylära interaktioner som binder samman kedjorna, vilket gör dem mycket motståndskraftiga mot förskjutning eller brott från sina fasta positioner av applicerade spänningar. Följaktligen uppvisar TPU hög slagstyrka och kan absorbera betydande slagenergier utan att gå sönder. Däremot visar den sprödare PLA lägre slagstyrka.
Hög draghållfasthet
TPU uppvisar generellt en draghållfasthet mellan 20–100 MPa, vilket avsevärt överträffar konventionella gummimaterial. Detta beror på närvaron av hårda segmentdomäner i TPU som kan motstå betydande spänningar under applicerade belastningar. Under buffringseffekten av mjuka segmentdomäner är TPU mindre känsligt för tidigt brott och bibehåller sin integritet under stora deformationer. I jämförelse har PLA en sämre draghållfasthet på 50–70 MPa, vilket begränsar dess användningsområden. Sammanfattningsvis uppvisar TPU en överlägsen draghållfasthet i förhållande till både konventionella gummimaterial och PLA, vilket möjliggör bredare tillämpningar.
Hög slitstyrka
TPU:s molekylkedjor interagerar via förstärkta vätebindningar och van der Waals-krafter, vilket förbättrar dess sammanhållningsstyrka och ger TPU en förhöjd rivhållfasthet på 10–80 kN/m. Detta gör att TPU-gjutna delar är mindre benägna att spricka under användning. I kontrast uppvisar PLA en rivhållfasthet på endast 5 kN/m, markant lägre än TPU. TPU uppvisar alltså markant högre motståndskraft mot slitage och rivning i förhållande till PLA, tack vare dess starka intermolekylära interaktioner och höga sammanhållningsstyrka.
Utmärkt utmattningsbeständighet
Segmentkedjorna i TPU kan sträckas och deformeras avsevärt och återfår sin ursprungliga form vid avlastning. Detta gör att de upprepade gånger kan motstå stora deformationer. Samtidigt förblir kedjeförbindelserna stadigt bundna via robusta intermolekylära krafter, mindre benägna att brista under cyklisk belastning. Således uppvisar TPU markant utmattningsbeständighet och förbättrad hållbarhet. Däremot uppvisar PLA sämre utmattningsuthållighet på grund av molekylkedjans glidning.
Överlägsen syra- och alkalibeständighet
TPU innehåller polära vätebindningar och starka intermolekylära interaktioner, vilket ger det ett kompakt tredimensionellt nätverk som är resistent mot erosion och nedbrytning av sura och alkaliska lösningsmedel. Däremot är PLA känsligt för kedjeglidning under sura och alkaliska förhållanden på grund av svagare intermolekylära krafter, vilket kompromissar dess stabilitet. Därför uppvisar TPU markant större syra- och alkalibeständighet och behåller sina egenskaper vid långvarig exponering för lösningar med pH 3-9.
Förbättrad olje- och lösningsmedelsbeständighet
TPU:s täta tredimensionella struktur förhindrar många kemiska lösningsmedelsmolekylers inträngning och verkan, vilket ger TPU hög resistens mot många vanliga lösningsmedel. PLA:s öppna struktur och svaga intermolekylära krafter gör det lätt att lösa upp och penetrera av många organiska lösningsmedel. Därför är TPU mer lämpligt för miljöer som involverar oljor och organiska lösningsmedel.
Överlägsen oxidationsbeständighet
TPU innehåller antioxidanter för att förhindra oxidation, och dess kompakta molekylstruktur gör det svårt för syremolekyler att tränga igenom, vilket därmed förbättrar dess oxidantbeständighet. Utan tillsatta antioxidanter och med en öppen struktur som tillåter syreinträde, är PLA benäget för kedjebrott och nedbrytning vid oxidation. Således överträffar TPU:s oxidationsbeständighet och livslängd vida de för PLA.
Förbättrad strålningsbeständighet
TPU:s täta struktur och robusta intermolekylära interaktioner gör det svårt för strålningsenergi att direkt påverka och förstöra dess molekylkedjor. PLA:s svagare intermolekylära krafter gör det känsligt för molekylkedjebrott och nedbrytning under strålning. Därför uppvisar TPU större strålningsbeständighet och strålningsstabilitet jämfört med PLA.
De mest lämpliga parametrarna för 3D-utskrift (med SUNLU TPU-material som exempel)
Till skillnad från konventionella styva 3D-utskriftsmaterial som polymjölksyra (PLA), utgör TPU:s mycket elastiska och flexibla natur större utmaningar för 3D-utskriftsprocesser. Särskilt för dem med begränsad erfarenhet, och kan lätt leda till misslyckade utskrifter.
För att uppnå optimala resultat vid 3D-utskrift med TPU, används filamentet SUNLU TPU här som en fallstudie för rekommenderade parametrar och viktiga överväganden som är följande:
Utskriftsparametrar:
- Extruderingstemperatur: 205-230°C. Högre temperaturer inom detta intervall kan säkerställa tillräcklig smältning av TPU.
- Extrudermultiplikator: 1,05-1,15 gånger. För distal extrudering är utskriftshastigheten 20-30 mm/s och indragningshastigheten 10-20 mm/s. För proximal extrudering kan konventionella utskriftshastigheter användas, och hastigheten kan reduceras lämpligt med 15-25% för mer komplexa modeller. Indragningshastigheten reduceras med 10-20% av den normala hastigheten. Lägre hastigheter inom dessa intervall möjliggör tillräckligt flöde av TPU och ökar framgångsfrekvensen.
- Extruderingsbredd: 0,40+/-0,02 mm. Filamentdiameter: 1,75+/-0,10 mm. Inställningarna bör bestämmas omfattande baserat på extrudermunstyckets parametrar. Alltför stora storlekar utöver dessa toleranser är svåra att kontrollera.
- Använd speciella extrudermunstycken för TPU-material, såsom 0,6 mm diameter och TPU-filamentfoder. Konventionella extrudermunstycken kan potentiellt orsaka igensättning och försämra utskriftskvaliteten.
- Undvik vidhäftning av utskriftsbädden. Använd stålnät, dubbelsidigt självhäftande papper eller PET-ark för att underlätta borttagning.
Viktiga överväganden:
- Proximal extrudering rekommenderas på grund av dess inneboende fördelar vid matning av flexibelt filament.
- Inaktivera fläkten för att kontrollera att temperaturen på modellen sjunker till mindre än 5°C/min. Använd en innesluten skrivare för att undvika att fukt påverkar utskriftskvaliteten.
- Begränsa modellens höjd. För hög höjd utöver detta referensvärde är benägen att svaja i toppen, vilket påverkar framgångsfrekvensen.
- TPU-material bör förseglas och förvaras i en torr och ventilerad miljö med en relativ luftfuktighet under 60 % för att förhindra fuktskador.
Om dessa rekommendationer och viktiga överväganden implementeras på lämpligt sätt, kan de bidra till att möjliggöra högkvalitativ 3D-utskrift med flexibla TPU-material som SUNLU TPU-filament.
Användning av TPU-material
Tack vare sin unika kemiska struktur och utmärkta fysikaliska och mekaniska egenskaper, har TPU använts i stor utsträckning inom många områden. Det återspeglas främst i:
- Tillverkning av skor
TPU besitter överlägsen elasticitet och nötningsbeständighet, vilket gör det till ett optimalt material för skosulor och överdelar. Ledande sportvarumärken som Adidas och Nike använder TPU i tillverkningen av löparskors sulor, överdelar och olika andra komponenter för att förbättra komfort, stöd och hållbarhet samtidigt som de ger en mycket elastisk och ergonomisk bärupplevelse för slutanvändarna. Dessutom kan TPU tillverkas i komplexa geometrier för att tillgodose olika designkrav.
- Sportutrustning
TPU:s överlägsna draghållfasthet, brottöjning och hållbarhet gör att det används i stor utsträckning vid tillverkning av olika sportutrustningar som kajaker, cykeldäck och styren, klätterförankringar, simglasögon, snowboardpjäxor och gymnastikmattor för att förbättra säkerhet, stabilitet och ergonomi. Sådan utrustning uppvisar utmärkt slitstyrka och lång livslängd. TPU-materialens enastående formbarhet och elasticitet kan effektivt dämpa slagkrafter. TPU kan också tillverkas i ett brett spektrum av geometrier och dimensioner för att tillgodose kraven för olika sportapplikationer.
- Tekniska plaster
Tack vare TPU-materialens överlägsna fysiska och mekaniska egenskaper kan de fungera som gångbara alternativ till metaller för tekniska plaster såsom växlar, lager, bussningar och rördelar för att uppnå samtidigt minskad vikt och ökad hållbarhet. Trots sin flexibilitet uppvisar även 3D-utskrivna TPU-komponenter hög slagstyrka, stressmotstånd och utmattningshållfasthet.
- Fordonsindustrin
TPU:s smidiga känsla, väderbeständighet och kemiska motståndskraft gör det till ett optimalt val för interiörkomponenter i bilar. Det används i stor utsträckning i rattöverdrag, växelspaksknoppar, instrumentpaneler, dörrpaneler etc. Dessa delar uppvisar robust hållbarhet och förmåga att motstå tuffa förhållanden som extrem värme och kyla. Överlägsen slagtålighet och elasticitet ökar också fordonssäkerheten.
- Medicin och hälsovård
TPU:s biokompatibilitet och smidighet gör det till en avgörande beståndsdel i medicintekniska produkter och hälsovårdsprodukter som syrgasmasker, katetrar, ortodontiska fästen, rullstolar och kryckor. Dessa enheter uppvisar utmärkt biokompatibilitet och en försumbar potential för ogynnsamma reaktioner hos människor. De kan också tillverkas i en mängd olika geometrier och dimensioner för att tillfredsställa olika medicinska tillämpningar. Vidare uppvisar de hållbarhet och förmåga att motstå långvarig användning och tuffa förhållanden.
- 3D-utskrift
TPU-materialens flexibilitet och seghet ger dem överlägsna 3D-utskriftsmöjligheter. Till exempel används SUNLU TPU-material i stor utsträckning i 3D-utskrivna skosulor, mobiltelefonfodral, UAV-komponenter och väskor. Deras 3D-utskrivna artiklar har komplexa geometrier, låg vikt och hög elasticitet. TPU-material uppvisar också robust syra- och alkalibeständighet samt exceptionell korrosionsbeständighet. Från vardagsföremål till mode-projekt, allt kan 3D-printas.
Slutsats
Sammanfattningsvis bekräftar de utbredda användningsområdena för TPU-material dess överlägsna prestanda och enorma potential inom området för avancerade material. Tack vare sina unika egenskaper och mångsidighet har TPU blivit ett ovärderligt material för 3D-utskrifter. I synnerhet uppvisar SUNLU TPU en framstående flexibilitet, hållbarhet och kemisk beständighet, vilket gör det till ett materialval för slutanvändare. Genom att förstå SUNLU TPU:s specifika utskriftsparametrar och utnyttja dess fördelar kan hobbyister frigöra potentialen hos TPU i 3D-utskriftsprojekt. Vare sig det gäller konsumentvaror, industrikomponenter eller medicintekniska produkter, möjliggör SUNLU TPU-material nya konstruktioner och tillämpningar och katalyserar fler innovativa produkter. Med den fortsatta utvecklingen av 3D-utskriftsteknik kommer TPU att spela en avgörande roll i att forma och driva framtidens additiv tillverkning.
——————————————————
