Термопластичный полиуретан — это материал, за которым будущее

Происхождение и основные свойства

Термопластичный полиуретан – это полимерный материал, сочетающий в себе твердость крепкого пластика и эластичность природного каучука. Появился материал в 60-х годах минувшего века, когда группа американских ученых впервые его синтезировала. В зависимости от основного компонента, итоговые свойства материала могут существенно меняться.

Основой для сырья могут быть:

• простые полиэфиры;
• сложные полиэфиры;
• алифатический изоцианат.

Если в составе полиуретана преобладает простой полиэфир, то основными свойствами полученного вещества станет повышенная стойкость к гидролизу, морозоустойчивость, высокая износостойкость. Дополнительно вещество не будет подвержено действию микроорганизмов.

В случае, когда основу составляют сложные полиэфиры, у готового материала будут несколько иные особенности – дополнительно увеличивается предел прочности на растяжение, износостойкость и появляется возможность быстрого восстановления изначальной формы.

Полиуретан на основе третьего компонента приобретает повышенный уровень сопротивляемости ультрафиолетовому излучению и высокую степень пластичности при отрицательных температурах.

В зависимости от приоритетных свойств готовой продукции, разнятся сферы его применения. Одной из особенностей материала является возможность на изначальной стадии получения вещества задавать и корректировать необходимые параметры, тем самым расширяя область использования. Получают материал в основном методом литья из гранулята – сегментов прямоугольной, круглой или линзовидной формы.

Полимер BASF

Одним из высококачественных материалов является полимер BASF, производством которого занимается ведущий производитель в своей отрасли – немецкий концерн BASF. Потребителями продукции концерна являются кожевенная, автомобильная, строительная и многие другие виды промышленности. Особыми физико-механическими свойствами характеризуется полиуретановый эластомер, сравнимый по твёрдости со сталью, по упругости он похож на каучук и по износостойкости превосходит чугун.

TPU — твердый или эластичный

Материал TPU состоит из ряда полимеров, которые обладают собственными свойствами. Поэтому его твердость может зависеть от смеси полимеров. Температура, при которой нить ТПУ будет выдавливаться, составляет 220–250 градусов.

Нагреваемая сборочная платформа не требуется. Но при ее использовании температура не должна превышать 60 градусов. Экструдерная система должна выдерживать эластичные и сжимаемые материалы до постоянной температуры 250 градусов.

Термопластичный полиуретан обладает превосходным уровнем гибкости. Но это также зависит от настроек программного обеспечения для 3D-печати. При использовании низкого уровня заполнения (твердости детали, подлежащей печати), 3D-печатный дизайн также будет более гибким.

Это позволяет создавать объекты, которые являются более эластичными или более жесткими. Когда речь идет о 3D-печати, материал TPU требует передачи большего количества энергии, чем множество других нитей.

Тем не менее, по сравнению с другими материалами нет проблем деформации, которые могут возникнуть при термическом шоке.

Преимущества полиуретана

Качественный термопластичный полиуретан имеет множество положительных свойств:

• Устойчив к изнашиванию.
• Устойчив к агрессивным средам.
• Холодостойкий.
• Отлично восстанавливает первоначальное положение.
• Крепкий при изгибе и ударах.
• Виброгасящий и шумопоглощающий.
• Устойчивый к продольному изгибу и эластичный.
• Сохраняет стабильность размеров.
• При раздирании и пробивании очень прочный.
• Допускает повторную переработку.

Производство TPU-материала

Компоненты ТПУ химически обрабатывают, и в виде гранул загружают в бункер автомата, оттуда происходит шнековая подача в камеру разогрева.

На термопластавтоматах изготавливают бруски, полосы, листы – простые формы. Разогретая пластичная масса из гранул полиуретана выдавливается через отверстие заданной конфигурации в машине. Процесс называется экструзия.

Для изготовления сложных деталей применяют процесс инжекции – впрыска пластичной массы в литьевую форму.

Перед переработкой требуется произвести сушку сырья: 6 часов при 80 градусах или 2 часа при 100 градусах.

Готовые изделия две — три недели держат в тёплом помещении. Так достигаются параметры эксплуатации вещи. Для сокращения сроков выдержки изделия помещают в печь на 16 часов и сушат при температуре 105 градусов.

Особенности материала TPU

Материал ТПУ обладает рядом особенностей. Это делает его отличным выбором для широкого спектра применений. Он устойчив к истиранию, воздействию масел, химических веществ и износу. Что делает его идеальным для использования в таких отраслях, как автомобилестроение.

Печатные детали из TPU также устойчивы к низким температурам. Это означает, что они не становятся хрупкими и с ними трудно работать.

По сравнению с TPE, который также является гибкой нитью, ТПУ немного легче печатать. И он лучше сохраняет свои эластичные свойства при более низких температурах. Материал TPU также имеет более высокую стойкость к истиранию. И более высокую стойкость к маслам и смазкам.

Нить из ТПУ, в отличие от других более жестких термопластов, обладает большей гибкостью. Он также имеет отличную межслойную адгезию. А также не скручивается и не расслаивается во время процесса 3D-печати. Конечно, при использовании правильных настроек.

Процесс изготовления полиуретана

Изготовление полиуретана осуществляется с использованием метода сложных и простых олигоэфиров с толуилендиизоцианатом в присутствии диаминов или гликолей (удлинителей цепей). Чаще всего в процессе не применяют растворители, в большинстве своем производители стремятся к тому, чтобы полимер не имел химических сшивок. Производство полиуретана в России приобрело большие масштабы и потребителям предлагаются разнообразные эластомеры разного назначения.

Ключевые характеристики

Вне зависимости от преобладающего вещества в составе термопластичного полиуретана, полученные материалы обладают целым рядом общих характеристик и полезных свойств.

Термопластичный полиуретан, характеристики:

• материал стойкий к погодным условиям и хорошо держит форму;
• высокая прочность при деформации на изгиб и растяжениях;
• хорошие свойства шумопоглощения и виброгашения;
• возможность окрашивания в любой цвет;
• высокая степень износостойкости.

Кроме того, полимер обладает хорошей устойчивостью к морской воде, жирам, не подвержен воздействию микробов или бактерий. Для дополнительной прочности полимер может быть армирован стекловолокном. Материал имеет высокий уровень устойчивости к естественному старению и допускает повторную переработку.

Отличия от других пластмасс

Изделия из TPU-материала характеризуются высокой степенью твёрдости, ими нивелируют воздействие сильных механических нагрузок.

При высокой твердости детали эластичны, прочны и устойчивы к деформации, не раскалываются при ударе.

Полиуретановая продукция устойчива к воздействию абразивных веществ твёрдого состояния, с помощью которых полируют и шлифуют поверхности.

Термопластичный полиуретан идёт на изготовление простых и сложных форм, и толстых изделий.

На ТПУ не селится плесень и микробы.

Отрасли, которые используют материалы TPU в 3D-печати

Существует много различных отраслей, которые используют 3D-печать TPU. Потому что ее функции предлагают им ряд преимуществ.

Спортивные товары и обувь

Поскольку спортивные товары должны быть гибкими и износостойкими, материал TPU является идеальным выбором. Во многих видах спорта его можно найти в учебных пособиях, водном снаряжении и тренажерах.

Обувь должна выдерживать низкие температуры, гибкость и быть устойчивой к воде и химическим веществам. Поэтому 3D печать TPU отлично подходит для производства спортивных товаров.

SLEM, инновационный и образовательный центр для обувной промышленности, попросил Tractus3D сотрудничать в проекте 3D-печати для обуви. Цель состоит в том, чтобы исследовать, как количество отходов материала может быть максимально уменьшено, исследуя новые и существующие методы для быстрой настройки цифровых моделей для каждого клиента.

SLEM обнаружил, что технология FDM и другие подходы, такие как изготовление из плавленой нити (FFF), возможно, представляют собой наиболее экономически эффективное решение для индивидуальной настройки подошв.

Обувь, созданная с использованием этих процессов, особенно эффективна при подборе дизайна подошвы в соответствии с уникальными потребностями владельца. От формы и комфорта до нужного и специфического применения, такого как спорт.

В будущем конечной целью для обувных компаний будет печать подошв в течение одного дня. Чтобы обеспечить быстрый переход от получения данных о клиентах к оптимизации дизайна, производства и доставки клиентам.

Авиационно-космическая отрасль

Авиакосмическая отрасль также серьезно относится к использованию 3D-печати TPU. Поскольку она также расширила свое использование, точно понимая, что она может предложить. Его также можно найти в приборных панелях и датчиках.

Автомобильная промышленность

Автомобильная промышленность внедрила материал TPU в процесс производства автомобилей. В последние годы использование значительно возросло. Поэтому его часто можно встретить в приборных панелях, датчиках и рычагах. А также во многих других областях.

Преимущества и минусы

Плюсы TPU-материала:

1. ТПУ переносит нагрузки большие, нежели резина, эластичнее в два раза, прочнее в два раза, легко восстанавливается после деформации. Данный материал не реагирует на масла, не сцепляется с грязью и изнашивается в три раза медленнее.
2. Полиуретан легче металла, эластичнее, не электропроводен, имеет высокое сопротивление к абразиву. Соотношение стоимости к долговечности – в пользу TPU.
3. Низкая плотность полимера 1,280 г/см3 по сравнению с резиной 1,500 г/см3 и сталью 7,800 г/см3 уменьшает вес готового изделия.
4. За счет добавок можно производить полимерный материал с программируемым коэффициентом трения.
5. Существует возможность выпускать продукцию со свойством растяжения в 6 раз.
6. Вещество допускает, нагрев до 120 градусов

Пресс формы для литья пластика Оставить запрос

Но, термопластичный полиуретан имеет и минусы:

1. Технология переработки отходов химического вещества – объект постоянных научных разработок. Трудность переработки производственных отходов – основной минус вещества.
2. Сфера применения может превратить положительные свойства вещества в минусы.
3. В автомобилестроении TPU применяют для шарнира из двух втулок и прокладки между ними. Шарнир применяют в передней и задней подвесках, для крепления двигателя и коробки передач. Прокладку делают из резины и из полиуретана. Но изделия из ТПУ жёстче, деформируется скручиванием, а на морозе твердеют и легко разрушаются.
4. В обувной промышленности тоже используют TPU, но он не пропускает воздух, что вредно отражается на здоровье ног.

TPU 3D печать — советы

Когда дело доходит до печати с нитью из TPU, важно понимать ее сильные и слабые стороны. Как получить максимальную отдачу от этого материала? При принятии решения начать с материала TPU важно учитывать возможные проблемы. Чтобы вы знали, чего ожидать.

Оптимизация скорости подачи

Часто лучше использовать постоянную скорость подачи, которая является медленной при 3D-печати с гибкими нитями. Это связано с тем, что материал является эластичным. И может стать неконтролируемым, если есть какие-либо внезапные изменения в скорости печати.

Увеличение скорости печати может привести к сжатию нити накала. Что может привести к застреванию. Часто может потребоваться несколько попыток найти оптимальную скорость печати для 3D-печати на материале ТПУ. Однако хорошей отправной точкой является скорость 35 мм/с.

Чтобы добиться этого, используя термопластичный полиуретан, печатайте на более низких высотах слоя. При этом следя за тем, чтобы они находились в диапазоне от 0,1 мм до 0,2 мм.

При более низкой высоте слоя существует потребность в меньшем количестве пластика. А это означает, что экструдер подает с более низкой скоростью. Что уменьшает нагрузку на нить.

Используйте отрицательный допуск и избегайте использования плотов

При проектировании детали, которая является гибкой и требует установки поверх другого объекта, стоит рассмотреть возможность использования отрицательного допуска между деталями. Это будет гарантировать, что гибкая часть имеет возможность удобно растягиваться над другим объектом.

При использовании гибкой нити, такой как материал TPU, важно избегать использования плотов. Потому что базовые слои со скоростью имеют более высокую скорость экструзии. А это может привести к проблемам.

Оптимизируйте настройки отвода

TPU очень чувствительный к быстрым движениям, таким как отводы. Поскольку материал TPU является гибким и эластичным. Следовательно, для успешной 3D-печати с использованием нити TPU крайне важно оптимизировать параметры втягивания, чтобы ограничить перемещения.

Крайне важно начать с небольшого количества втягивания при использовании более медленной скорости. Чтобы помочь с любым возможным просачиванием из экструдера (hot-end).

Сократить расстояние

Общее мнение в пользу 3D-печати гибких материалов с помощью экструдера Direct Drive. Тем не менее, вы можете достичь тех же результатов, используя правильные настройки на 3D-принтере с экструдером Bowden.

Для пути, по которому нить проходит в зону расплава, важно иметь жесткие допуски. Которые могут предотвратить любое изгибание или скручивание.

Размещение катушки

Когда дело доходит до 3D-печати TPU, пара изменений в катушке материала может иметь большое значение. Обычно ведущее колесо экструдера вытягивает нить в сопло. Это приводит к тому, что катушка нити разматывает небольшое количество пластика в процессе.

Однако, поскольку TPU является эластичным, нить будет растягиваться при вытягивании. Что может привести к недостаточной экструзии. Поэтому установите катушку над принтером так, чтобы нить раскручивалась вниз. Это может уменьшить любое сопротивление.

Отрасли применения

Термопластичный полиуретан, свойства которого могут меняться в зависимости от способа производства и основного вещества, успешно применяется в различных сферах – автомобильная промышленность, кабельная продукция, производство товаров народного потребления.

В автомобилестроении материал используется для изготовления ручек переключателей элементов изоляции салона, из него изготавливают амортизационные опоры шасси, солнцезащитные козырьки и декоративные элементы.

Полимер прекрасно подходит для изоляции проводки, в качестве оплетки силовых кабелей или для создания шлангов высокого давления.

Касаемо товаров народного потребления, то здесь материалу нет равных. Больше всего из ТПУ изготавливают обувных подошв. Они обладают высокой стойкостью к морозам (зимняя обувь), эластичностью и прочностью, а высокая эргономичность, износостойкость и антисептические свойства сделали эти подошвы основным элементом любой обуви (повседневная, защитная, спортивная).

При производстве товаров для спорта, туризма и отдыха термопластичные полиуретаны также играют важную роль. В качестве примеров можно привести наконечники для лыж, ботинки для зимних видов спорта (сноуборд, коньки), ролики для скейтов, различные крепежные и соединительные элементы.