Сравнение TPU и других материалов

TPU представляет собой термопластичный эластомер, отличающийся высокой гибкостью, прозрачностью, устойчивостью к маслам и абразивному износу. Благодаря своему блочно-сополимерному строению, в котором присутствуют мягкие и жесткие сегменты, TPU обладает эластичностью и высокой прочностью на разрыв. Жесткие сегменты могут быть как ароматическими, так и алифатическими. Обычно используются ароматические сегменты, но алифатические предпочтительны, когда важны цвет и устойчивость к воздействию солнечного света.

Материал  сочетает свойства термопластов и эластомеров. Он отличается стойкостью к сжатию и растяжению, превосходя по этим параметрам популярные материалы, такие как PLA и ABS. Эти качества обусловлены химическим составом TPU, который включает жёсткие и мягкие сегменты, влияющие на твёрдость и гибкость материала. Изменяя долю наполнителя, можно добиться большей гибкости конечной детали. Это также отражается на прозрачности, мягкости на ощупь и адгезии. TPU является многофункциональным полимером, который придаёт напечатанным изделиям уникальные характеристики. 

Другим преимуществом TPU является возможность окрашивания различными методами, что делает его более универсальным для применения. TPU широко используется для производства проводов и кабелей, где требуется сочетание гибкости и прочности, а также в изготовлении плёнок и листов, шлангов и трубок, спортивных товаров, таких как ласты и очки для плавания. Однако, выбирая этот материал следует помнить, что TPU обладает большей твёрдостью по сравнению с другими термопластичными эластомерами, а при горении выделяет резкий запах. Поверхность изделий из TPU может ощущаться более грубой по сравнению с другими эластичными материалами. Детали, напечатанные из TPU, не подходят для использования с пищевыми продуктами.

TPU имеет более высокую температуру стеклования (порядка 80°C) по сравнению с PLA (60-65°C), что делает его подходящим для использования при более высоких температурах. Он также хорошо переносит низкие температуры, не становясь хрупким. TPU часто используется в FDM печати. Здесь проявляется ещё одно преимущество материала — отсутствие неприятного запаха, характерного для ABS-пластика во время печати. 

Свойства и характеристики TPU

TPU был впервые разработан в 1959 году компанией Lubrizol Engineered Polymers под брендом ESTANE TPU как инновационный материал, который можно перерабатывать методом плавления. Он обладает высокой прочностью и гибкостью, что делает его уникальным материалом, находящимся на границе между пластиком и резиной. Одной из ключевых характеристик TPU является его изменяемая твердость: материал может быть как очень мягким, так и жестким. TPU может быть как прозрачным, так и окрашенным, с гладкой или текстурированной поверхностью. Среди основных свойств TPU — отличная прочность на разрыв, высокая эластичность и устойчивость к истиранию.

Физико-химические свойства

Как говорилось выше, TPU — это полимер, который сочетает в себе как свойства пластика, так и свойства резины. Этот материал обладает также устойчивостью к различным химическим веществам и температурным воздействиям.

Одним из важных параметров при выборе термопластичного эластомера является его твердость по Шору, которая измеряет гибкость (шкала А) или жесткость (шкала D) материала. Этот показатель определяется по стандарту ISO 868 и варьируется от 0 до 100 баллов. Чем выше значение, тем жестче материал. TPU может различную твердость по шкале А и D, что делает его универсальным для различных применений.

Параметры печати и настройки для TPU

Температура

При печати TPU рекомендуются следующие параметры:

• Температура экструдера: от 220°C до 250°C.

• Температура стола: от 40°C до 60°C.

• Использование охлаждающего вентилятора.

• Не требуется закрытая камера для печати.

• Для лучшего сцепления с поверхностью рекомендуется использовать дополнительную адгезию.

Рекомендованная температура печати для TPU составляет около 230°C, с допустимым диапазоном от 220°C до 250°C. Хотя подогреваемый стол не является обязательным, настоятельно рекомендуется чтобы его температура была в диапазоне от 40°C до 60°C. Для печати TPU также рекомендуется использование охлаждающего вентилятора.

Скорость печати:

Рекомендуется снижать скорость печати при работе с TPU, поскольку эластичность материала затрудняет равномерную подачу филамента, что может привести к засорам и ошибкам. Оптимальная скорость печати составляет 20-30 мм/с. Чем ниже скорость, тем выше вероятность успешной печати без необходимости регулярной очистки сопла. Эти параметры касаются не только основного процесса печати, но и первого слоя, поддержки, периметров и ретракции.

Рабочая поверхность:

Для лучшего прилипания TPU используется поверхность из PEI или синяя малярная лента, а также клеевые составы. TPU отлично прилипает к PEI-поверхностям, но требуется осторожность, чтобы избежать склеивания детали с поверхностью после печати. 

Тип подачи:

Директ-экструдер считается лучшим вариантом для печати TPU, поскольку филамент имеет меньшую дистанцию до хотенда, что снижает вероятность засоров и ошибок. При использовании системы Bowden филамент проходит более длинный путь до экструдера, что может привести к скручиванию TPU и засорам.

Общие рекомендации

• Используйте экструдер прямой подачи (direct drive): Меньшее расстояние до хотенда снижает вероятность забивания и скручивания филамента.

• Снижайте скорость подачи: TPU склонен к сжатию и образованию пробок на высоких скоростях, поэтому рекомендуется медленная и стабильная подача филамента (например, 20 мм/с). TPU, как и любой другой резиноподобный материал, сложно контролировать на высоких скоростях из-за его эластичности, что может привести к сминанию материала.

• Правильное расположение катушки: Установите катушку с TPU так, чтобы филамент вытягивался вниз. Это снижает риск застреваний при подаче материала.

• Корректные настройки в 3D-редакторе (слайсере): Чтобы минимизировать образование нитей, настройте принтер так, чтобы он избегал перемещений через открытые участки модели. 

Преимущества и недостатки TPU

Преимущества:

• Прочность. Материал обладает высокой прочностью, что делает его идеальным для создания деталей, которые должны выдерживать значительные нагрузки. Кроме того он устойчив к износу, что позволяет использовать его в решениях с повышенными требованиями к нагрузкам.

• Эластичность. TPU имеет высокую степень эластичности. Это позволяет печатать детали, которые могут растягиваться и сжиматься без разрыва. Такие свойства материала могут быть полезны для создания гибких соединений, уплотнений и протезов.

• Ударопрочность и амортизация. Эластомерная структура позволяет материалу поглощать и распределять энергию удара. Это свойство особенно полезно в таких отраслях, как автомобильная промышленность, спорт, медицина и защитное оборудование.

• Простота использования. Несмотря на свои свойства, TPU относительно прост в использовании на большинстве FDM принтеров. По сравнению с другими резиноподобными материалами он жестче, а потому менее требователен к принтеру и позволяет легче контролировать параметры печати, что уменьшает количество проблем, возникающих в процессе.

Недостатки:

• Образование нитей (stringing): TPU склонен к образованию нитей. Их можно легко удалить после печати, но это требует дополнительного времени и может негативно сказаться на качестве поверхности. Для предотвращения рекомендуется оптимизировать настройки принтера.

• Сложности с экструдером типа Bowden: При использовании экструдеров Bowden нужно быть особенно осторожным, так как филамент может скручиваться и застревать из-за большого расстояния от подающего ролика до хотенда.

• Трудности с постобработкой: TPU сложно обрабатывать после печати. Шлифовка и улучшение поверхности могут быть затруднительными. Существуют эксперименты с нагревом напечатанных деталей в духовке для придания глянцевой поверхности, но этот процесс требует особой осторожности, т.к. при этом сложно контролировать равномерность нагрева.

Применение TPU

TPU открывает широкий спектр возможностей для различных отраслей. В обувной индустрии из него изготавливают эластичные подошвы, а в медицине — ортопедические модели. В аэрокосмической отрасли TPU используется для разработки датчиков и инструментов, а в автомобилестроении — для создания шин и амортизаторов. Кроме того, его можно встретить в спортивном оборудовании для создания защитных элементов.

Этот материал идеально подходит для конечных изделий, функциональных прототипов, концептуальных моделей и кастомизированных компонентов. TPU часто используется для производства чехлов для телефонов, так как он отлично защищает устройство от ударов и повреждений.

Чехлы для телефонов и планшетов: TPU часто используется для создания ударопрочных и гибких чехлов благодаря способности поглощать удары, вибрации и нагрузки.

Шины и амортизаторы: Из TPU также изготавливаются колеса, а также другие резиновые части, используемые для амортизации ударов.

Вставки Air Bumps из TPU в автомобилях Citroën Cactus

Обувь: TPU применяют для создания подошв в 3D-печати обуви, а также для роликовых колес и приводных ремней.

Подошва кроссовок, напечатанная TPU

Хранение TPU

TPU является гигроскопичным материалом, то есть он поглощает влагу из воздуха. Без герметичной упаковки TPU филамент может начать терять свои свойства уже через несколько дней. Для предотвращения этого используются специальные контейнеры для хранения филамента. Если не хранить TPU правильно, результатом могут быть печати с грубой и неровной поверхностью, с большим количеством нитей и пор.

Рекомендуемые решения для хранения и сушки филамента:

Сушильная камера FlashForge Filament Drying Station

Профессиональное оборудование Filament Drying Station работает со многими видами пластиков, в том числе высокотемпературными и наполненными материалами. Максимальный нагрев до 120℃ и конвекция горячего воздуха обеспечивают максимально быструю качественную сушку одновременно до 6 катушек весом 1 кг или до 2 катушек массой 2,5 кг.

Устройство eBOX для подачи и сушки пластика ESUN

Устройство поддерживает оптимальные температурные условия для хранения пластика, сушит, защищает от пыли и влаги, что способствует сохранению изначальных свойств филамента даже при длительном хранении. Важно отметить также дополнительную функцию взвешивания, что помогает оценить остаток материала и значительно облегчает процесс печати. Также eBOX подходит для использования в качестве устройства для подачи филамента с диаметром нити 1,75 / 2,85 / 3 мм для всех FDM принтеров и пластика.

SUNLU S2 Filament Dryer

Сушка разогревается до 70°C и работает с филаментами стандартного диаметра нити 1,75 мм/2,85 мм/3,00 мм. Это означает, что его можно использовать с различными материалами, включая PLA, PLA+, PETG, ABS, а также с PA и PC. Это делает его универсальным и удобным вариантом.

Некоторые пользователи помещают катушки с TPU в духовку при температуре около 70°C на 30 минут или час для избавления от влаги. Однако следует помнить, что при таком подходе всегда есть риск, что нагрев будет неравномерным и материал может быть испорчен. Кроме того не рекомендуется сушить материалы в оборудовании, которое используется для приготовления пищи.

Основные производители и стоимость TPU

Среди ведущих производителей TPU для 3D-печати выделяются компании, такие как Raise3D. Их филамент TPU-95A Premium совместим с большинством FDM принтеров, и может растягиваться до 330% перед разрывом. Филамент доступен в трёх цветах.

Компания eSUN предлагает линейку материалов eTPU. Отличительной чертой является широкий ассортимент цветов, включающий как чистый прозрачный так и другие цвета на его основе.

Также стоит упомянуть компанию REC, которая предлагает широкий ассортимент не только филаментов, но и порошков для 3D-печати.

Средняя стоимость за катушку филамента TPU составляет 4000 ₽. Цена может отличаться в зависимости от характеристик материала и размера упаковки. Например: 

eTPU-95A пластик Esun

Гибкий пластик с высокой упругостью, влагонепроницаемостью и гидролитической стойкостью. eTPU-95A подходит для использования в функциональных деталях, благодаря высокой прочности, износостойкости и устойчивости к УФ-излучению. Кроме того, пластик отличается высокой степенью прозрачности.

TPU Soft пластик Bestfilament

TPU Soft гибкий и очень мягкий термопластик, однако прочный, устойчивый к износу и слабо подвержен воздействию бензина и масел. Он отличается повышенной стойкостью к многократному сжатию и истиранию.

TPU-95A Premium пластик Raise3D

Материал гибкий и эластичный с высокой ударной прочностью и долговечностью. TPU-95A Premium обладает свойствами, подобными резине.

TPU D70 пластик REC

TPU D70 обладает высокой химической стойкостью к различным веществам, таким как масла, бензины, щелочи и некоторые кислоты. Более того, материал стойкий к деформации, что делает его идеальным выбором для создания деталей с необходимыми характеристиками.

3D-принтеры для печати TPU

FlashForge Adventurer 5M Pro

Adventurer 5M Pro имеет область построения 200х200х200 мм и обладает впечатляющей максимальной скоростью печати, достигающей 600 мм/с. Это позволяет ускорить выполнение проектов и сократить время ожидания готовых изделий. Кроме того, экструдер способен достигать 280°C, расширяя возможности для использования различных материалов. 

FlyingBear S1

Конструкция CoreXY, обладающая автономной системой с двумя осями Z обеспечивает стабильность и точность на протяжении всего процесса печати . Область построения FlyingBear S1 220x220x250 мм в то время, как скорость печати достигает 500 мм/с.

Picaso 3D Designer Classic

С возможностью установки экструдера с температурой нагрева 410⁰С, Picaso Designer Classic значительно расширяет возможности печати разными материалами. Вместе с закрытой камерой печати и интеллектуальными функциями, это особенно полезно. Более того, область построения составляет 200х200х210 мм, а толщина слоя 10 мкм. 

Формы материала TPU

Хотя TPU часто используется в виде филамента для 3D печати, его также можно найти в форме порошка и гранул.

Материал TPU в форме гранул используется в процессе литья под давлением или для принтеров, печатающих пеллетами. Важное требование к гранулам это однородный размер и низкая влажность гранул. Это позволит избежать дефектов, таких как пузырьки и полости, а также поможет обеспечить равномерный нагрев материала. Литье под давлением обычно происходит при температуре 170-220°C. Давление впрыска должно быть достаточно высоким, обычно около 600-1500 бар, чтобы обеспечить полное заполнение формы и избежать образования пустот. Охлаждение и отверждение TPU проходят при комнатной температуре, однако возможно применение охлаждающих систем для ускорения процесса.

К преимуществам данного подхода можно отнести высокую эффективность. Например, циклы производства могут занимать всего 30-60 секунд. Также сильной стороной материала можно считать высокую точность изделий, если, конечно, соблюдены требования по работе с материалом.

Недостатком литья под давлением из TPU является его экономическая неэффективность, поэтому этот метод применяется только в тех случаях, когда преимущества материала превосходят связанные с ним затраты. Себестоимость производства из гранул TPU может быть выше по сравнению с другими материалами, такими как полиэтилен или полипропилен. Стоимость килограмма TPU примерно в 2 раза выше цены за килограмм полиэтилена.

Для SLS печати используется материал в форме порошка. Печать TPU на SLS 3D-принтерах является достаточно сложным процессом из-за специфических физических и химических свойств материала. Для успешной печати необходимы точные параметры работы устройства. Рабочая температура в камере принтера должна быть строго поддержана в диапазоне 150-180°C, что обеспечивает спекание материала без его разрушения. Контроль за температурными перепадами особенно важен при печати TPU, так как этот материал склонен к деформации из-за высокой чувствительности к перегреву. Мощность энергии лазера также требует точной настройки: использование слишком высокой мощности приведет к неравномерному спеканию частиц и ухудшению свойств деталей, а недостаточная мощность может привести к неполному спеканию порошка. По сравнению с печатью полиамидом TPU требует большего контроля и более тонкой настройки параметров печати. Также важно регулярно просушивать порошок для поддержания стабильного качества печати. 

Важным преимуществом использования TPU на SLS-принтерах является минимизация необходимости в поддерживающих структурах, что позволяет более эффективно расходовать материал. Кроме того, этот процесс снижает объём отходов, так как несформировавшийся порошок может быть переработан и использован повторно. Однако недостатками остаются сравнительно длительное время печати и необходимость тщательной постобработки для удаления остаточного порошка.

Важные инновации

Последние разработки в области термопластичного полиуретана (TPU) привели к появлению инновационных решений, которые направлены на решение ключевых экологических проблем, таких как загрязнение микропластиками. Например, компания Algenesis в сотрудничестве с Университетом Калифорнии в Сан-Диего разработала биоразлагаемый TPU, который значительно ускоряет процесс разложения микропластиков в естественной среде. Эти микропластики разлагаются под воздействием обычных почвенных микроорганизмов, превращая их в безвредные вещества, такие как углекислый газ и питательные вещества. Этот материал также изготовлен из биобазированных ресурсов, что делает его более устойчивым и менее загрязняющим, чем традиционные пластики, основанные на продуктах нефтехимии. 

Также наблюдается рост применения TPU с улучшенными механическими характеристиками, такими как повышенная устойчивость к износу и улучшенные амортизирующие свойства. В результате внедрения новых технологий, TPU можно использовать в более широком спектре приложений, включая производство спортивной обуви, автомобильных компонентов и медицинских устройств. Такой TPU не только обеспечивает долговечность, но и устойчив к воздействию внешней среды, что делает его идеальным для экстремальных условий эксплуатации. 

Прогнозы на будущее показывают, что развитие TPU, ориентированного на устойчивость, а также улучшенные характеристики, такие как высокопрочные композиты на основе графена и углеродных нанотрубок, откроет новые возможности для его применения. Ожидается, что такие материалы смогут значительным образом повысить эффективность производства, сократить потребление ресурсов и минимизировать воздействие на окружающую среду.

Заключение

TPU благодаря своим уникальным свойствам является одним из самых перспективных материалов для аддитивного производства и других отраслей. Его гибкость, прочность и устойчивость к износу делают его востребованным в таких областях, как автомобилестроение, медицина и спорт. Совершенствование технологий печати и улучшение свойств TPU, таких как повышение термостойкости и долговечности, открывают новые возможности для использования этого материала. В будущем ожидается усиление внимания к экологическим аспектам, включая разработку биоразлагаемых TPU, что позволит сократить загрязнение микропластиками и улучшить устойчивость производства.

Если у вас остались вопросы про термопластику TPU - не стесняйтесь задавать их в комментариях. Подписывайтесь на нашу рассылку, чтобы не пропустить еще больше обзоров на расходные материалы!

Реклама. OOO "3Д Вижн". ИНН: 7802253640