Мастерство TPU 3D-печати: Полное руководство по гибким, долговечным деталям

Когда-нибудь думали о 3D-печати гибких деталей? Если да, то Термополиуретан или TPU, как он широко известен, определенно материал для добавления в ваш список.

3D-печать TPU предлагает уникальные возможности, недостижимые с другими 3D-печатающими материалами вроде ABS, PLA или нейлона. Сочетая свойства пластика и резины, TPU может производить эластичные, высокодолговечные детали, которые могут легко гнуться или сжиматься.

В сегодняшнем туториале мы изучим выгоды и применения TPU, технологии, поддерживающие материал, а также несколько советов, чтобы сделать 3D-печать с TPU максимально легкой и эффективной.

Посмотрите другие гайды по 3D-печати пластиков:

3D-печать с ABS пластиком: Все, что нужно знать

PLA 3D-печать: Все, что нужно знать

FDM 3D-печать: Сравнение ASA, PETG и PC филаментов

Нейлон 3D-печать: Все, что нужно знать

ULTEM & PEEK: Полное руководство по высокопроизводительным материалам 3D-печати

Что такое TPU?

Термополиуретан (TPU) принадлежит к семейству термопластических эластомеров и сочетает лучшие свойства термопластиков и резины (термофиксов).

Вы можете быть более знакомы с термином TPE — или ThermoPlastic Elastomer. Ранее материал выбора для гибкой 3D-печати, TPE — очень мягкий, резиноподобный пластик, который может гнуться или растягиваться без деформации. Однако его мягкость делает TPE очень сложным материалом для машинных экструдеров для 3D-печати.

TPU, с другой стороны, можно считать более новой версией TPE. TPU обладает резиноподобной эластичностью, высокой разрывной и абразивной стойкостью, высоким удлинением при разрыве, а также термической стабильностью.

Дополнительно, TPU также устойчив к маслам, смазкам и разным растворителям. Будучи более твердым, чем TPE, TPU поэтому также намного легче для 3D-печати.

Плюсы	Минусы	Применения
Эластичный и мягкий материал	Гигроскопичен	Спортивные товары
Может быть очень растяжимым в зависимости от удлинения при разрыве	Склонен к нитям и забивности	Защитные чехлы
Низкая усадка и усаживание	Нужно печатать при низких температурах	Автомобильные втулки
Химически устойчивый	Сложен для постобработки	Вибродемпфирующие компоненты
Хорошая ударная стойкость
Хорошая вибродемпфирующая и шок-оглушающая способность
Доступен в диапазоне цветов

Применения

TPU имеет широкий спектр применений. Например, это хороший вариант для 3D-печати гибких функциональных прототипов или конечных деталей, нуждающихся в гибкости и сжимаемости.

Потребительские товары

Для потребительских товаров TPU идеален для производства аксессуаров, таких как чехлы для телефонов, и компонентов обуви.

В 2015 году New Balance создала беговые кроссовки с 3D-печатанными TPU подъемниками. Используя DuraForm Flex TPU от 3D Systems, 3D-печать и генеративный дизайн, гигант обуви смог достичь высокого уровня гибкости в подъемниках, а также прочности, оптимального веса и долговечности.

Медицина

Еще одно интересное применение TPU — в медицинском секторе. Например, материал может использоваться для создания ортопедических моделей. В 2016 году US-базированная компания Graphene 3D Lab представила проводящий TPU филамент, подходящий для производства гибкой электроники, включая носимые медицинские устройства вроде браслетов.

Автопром

С высокой химической стойкостью к маслам и смазкам, TPU идеален для авто-применений вроде прокладок, сальников, заглушек, трубок и защитных применений.

Один инновационный пример — 3D-печатанный электромобиль китайским стартапом XEV Limited. Автомобиль состоит из около 100 деталей, многие из которых 3D-печатаны с TPU наряду с PLA и нейлоном.

Доступные TPU материалы

Производитель материала	Бренд материала	Твердость Shore A	Ключевые свойства	Технология
3D Systems	DuraForm TPU Elastomer	Твердость Shore A может варьироваться	Абразивная и разрывная стойкость / Легко обрабатываемое / Удлинение при разрыве 200%	SLS
Prodways	TPU-70A	70A	Высокое разрешение / Удлинение при разрыве выше 300%	SLS
Advanc3D	Adsint TPU 80 shA	80A	Хорошая абразивная и химическая стойкость / Удлинение при разрыве 600%	SLS
Sinterit	Flexa Soft	40-55A	Удлинение при разрыве 137%	SLS
Sinterit	Flexa Black	80-90A	Удлинение при разрыве 155%	SLS
Sinterit	Flexa Grey	70-90A (регулируемая)	Удлинение при разрыве 137%	SLS
Sinterit	Flexa Bright	79A	Удлинение при разрыве 317%	SLS
LUVOCOM	LUVOSINT® TPU 92 Shore A	88A	Высокая прочность и абразивная стойкость / Удлинение при разрыве 500%	SLS
Lubrizol	Estane® 3D TPU F70D-045TR UV	70D	Низкотемпературная гибкость и УФ-стойкость	FFF, SLS, Multi Jet Fusion (MJF)
Lubrizol	Estane® 3D TPU F50D-045SR GP	50D	Высокая жесткость с отличной химической и масляной стойкостью	FFF, SLS, MJF
Lubrizol	Estane® 3D TPU F98A-030CR HC	98A	Отличные механические свойства, низкая усадка и усаживание	FFF, SLS, MJF
Lubrizol	Estane® 3D TPU F75D-035 TR UV	75D	Предлагает высокий модуль и отличные атрибуты обработки	FFF, SLS, MJF
Ninjatek	Ninjaflex TPU	85A	Абразивная стойкость 20% лучше ABS и 68% лучше PLA / Устойчива к химикатам / Удлинение при разрыве 660%	FFF
Ninjatek	Cheetah TPU	95A	Отличная ударная прочность / Абразивная стойкость 40% лучше ABS и 76% лучше PLA / Удлинение при разрыве 580%	FFF
Ninjatek	Armadillo TPU	75D	Жесткий, абразивно-стойкий, вязкий / Отличные способности к мосту и практически никакой варпинг	FFF
Polymaker	PolyFlex™ TPU95	95A	Легко обрабатываемое / Удлинение при разрыве 330%	FFF
rigid.ink	rigid.ink TPU	94A	Вязкий и долговечный / Удлинение при разрыве 500%	FFF
MatterHackers	MatterHackers PRO TPU	95A	Устойчива к абразии, смазке и маслу	FFF
Fillamentum	Flexfill TPU	92A и 98A	Масляная стойкость с отличной межслойной адгезией	FFF

3D-печать с TPU: Технологии

Если вы хотите исследовать 3D-печать с этим гибким материалом, есть две основные технологии для выбора: Селективное лазерное спекание (SLS) и Моделирование методом слоевого наплавления (FDM).

Давайте погрузимся в возможности каждой.

Селективное лазерное спекание

Селективное лазерное спекание (SLS) — порошковая плавленческая 3D-печатающая технология, использующая лазерный луч для селективного плавления и спекания порошкового материала.

SLS предлагает много преимуществ для промышленного производства, так как технология способна производить функциональные детали с отличными механическими свойствами. Кроме того, SLS не требует поддерживающих структур, позволяя свободно-формовые детали без следов удаления поддержок. Однако детали потребуют некоторой формы постобработки для достижения лучшего поверхностного финиша.

Изначально технология использовалась с различными типами нейлона, но с недавними достижениями в материаловом исследовании, теперь возможно спекание TPU порошка.

В настоящее время есть несколько производителей на рынке, предлагающих TPU порошок с различными степенями твердости Shore:

— 3D Systems предлагает свой проприетарный DuraForm TPU Elastomer, совместимый с его Pro 60 HD-HS 3D принтером.

— Французский AM-специалист Prodways имеет TPU-70A в своем материальном портфолио с удлинением при разрыве более 300%. С TPU-70A твердость Shore может регулироваться на основе энергетического ввода.

— В 2017 году немецкий материаловый производитель Advanc3D представил материал Adsint TPU 80 shA, заявленный как самый растяжимый коммерчески доступный материал для SLS технологии.

Советы по дизайну при использовании TPU порошков

Минимальная толщина стенки
1.5 мм — минимальная толщина стенки при использовании TPU порошка. Детали, 3D-печатанные со стенками 1.5 мм, будут очень гибкими, но вы также можете сделать деталь более жесткой, увеличив толщину стенки до 3 мм.

Минимальный размер элемента
При проектировании деталей для вашей TPU детали, обеспечьте, чтобы они были минимум 0.5 мм в размере. Для видимости рельефных и гравированных деталей, их высота и ширина не должны быть меньше 1.5 мм.

Сложные дизайны
Как порошковая кроватевая технология, SLS может создавать замкнутые и замковые детали, устраняя необходимость собирать индивидуально напечатанные компоненты. Для успеха имейте в виду, что зазор между деталями должен быть минимум 1 мм. Для крупных объектов зазор должен увеличиваться.

Отверстия для удаления порошка
Полость в вашей детали может быть полезна, так как она сокращает время печати и экономит материал. Однако, делая это, не забудьте учесть в дизайне отверстия с диаметром минимум 1.5 мм для помощи в удалении порошка, застрявшего внутри вашей детали после процесса печати.

Моделирование методом слоевого наплавления

FDM технология также может использоваться с TPU филаментами.

Есть два главных преимущества использования FDM вместо SLS при производстве TPU деталей: во-первых, FDM менее дорог и во-вторых, обычно быстрее производить TPU детали с филаментами, чем с порошками.

С другой стороны, 3D-печать с TPU филаментами используя FDM приведет к менее размерно-точной детали, с видимыми печатающими слоями, которые не могут быть сглажены. Дополнительно, поскольку TPU мягкий материал, особенно по сравнению с ABS и PLA термопластиками, TPU филаменты могут гнуться в механизме экструдера, приводя к закручиванию филамента и забивности экструдера. Однако мягкость материала делает межслойную адгезию в TPU печатях сильной и долговечной.

5 советов для 3D-печати с TPU филаментами

Базовые требования к принтеру:

• Температура экструдера: 225-250°C
• Тип экструдера: Direct Drive экструдер рекомендуется
• Нагретой печатающий стол: 50 ±10 °C
• Охлаждение: вентилятор охлаждения детали рекомендуется (средняя или высокая настройка)
• Камера: не необходима
• Строительная поверхность: лента Kapton (PEI), синяя малярная лента

Температура печати

Рекомендуемый диапазон температуры экструзии между 225-250°C в зависимости от типа 3D-принтера и TPU филамента. Однако имейте в виду, что печать с более высокими температурами позволит филаменту быстрее плавиться и легче течь из сопла.

Скорость

TPU обычно печатает лучше на более медленных скоростях. Хорошая практика — установить половину средней скорости (15 мм/с – 20 мм/с) для обеспечения высококачественных печатей.

Множитель экструзии

Множитель экструзии — настройка 3D-принтера, позволяющая контролировать, сколько филамента выходит из сопла или просто скорость экструзии. Поскольку TPU филаменты могут неправильно экструдироваться в процессе печати, приводя к неправильному склеиванию слоев и периметров. Один способ справиться с этой проблемой — слегка увеличить ваш множитель экструзии.

Ретракция

Ретракция — механизм в 3D-принтере, который тянет филамент назад в экструдер как средство предотвращения подтека расплавленного филамента. Эта функция очень полезна с жесткими филаментами вроде PLA и ABS, однако с TPU филаментами ретракции могут быть сложными и приводить к забивности. Поэтому настоятельно рекомендуется отключить ретракцию для предотвращения растяжения и сжатия гибкого филамента в сопле.

Равны и юбки

Равн — это отбрасываемая горизонтальная поверхность поверх которой деталь печатается, и она используется для предотвращения варпинга. Однако, поскольку TPU детали обычно не варпятся, равны не рекомендуются при 3D-печати с TPU, не в последнюю очередь потому, что они могут вызывать дополнительные печатающие проблемы из-за высоких печатающих скоростей. Напротив, мудро напечатать юбку — несколько петель материала вокруг печати — для проверки течения филамента и обеспечения успеха первых нескольких слоев.

Заключение

TPU — высоко полезный материал, предоставляющий уникальные свойства и широкий диапазон возможных применений.

Однако 3D-печать с TPU может быть сложной из-за уникальных свойств материала, поэтому важно понимать возможности и ограничения TPU перед печатью. С этим руководством мы надеемся, что вы теперь хорошо на пути к успешному производству ваших 3D-печатанных TPU деталей.