Что такое ТPU?
ТPU, или термопластичный полиуретан, - это тип термопластичного эластомера (ТПЭ), широко используемого производителями в автомобильной, транспортной, аэрокосмической промышленности, производстве спортивных товаров и медицинского оборудования. ТPU сочетает в себе высокую прочность пластиковых деталей с эластичностью резиновых деталей, что делает TPU идеальным для применения в тех случаях, когда его необходимо многократно сгибать или сжимать.
Благодаря своей эластичности, TPU часто используется в качестве модификатора ударов для таких изделий, как шлемы, защитная упаковка, антивибрационные изделия, прокладки или уплотнения. TPU также обладает превосходной стойкостью к стиранию и используется в условиях высокого трения, например, в салонах автомобилей или для электрических кабелей и изоляторов. Для применения в этих отраслях, где часто присутствует масло, на ТPU также можно положиться за его устойчивость к масляным пятнам.
Как изготавливаются детали из ТPU?
Изделия из ТPU повсеместно встречаются в повседневной жизни, и их популярность делает их идеальными для массового производства, чаще всего с помощью традиционных процессов литья под давлением. Многие продукты, которые мы считаем резиновыми, на самом деле созданы при помощи материала ТPU.
Литье под давлением является экономически эффективным способом производства деталей в массовых количествах, но имеет ограничения в плане геометрической гибкости или индивидуальной настройки. Детали, отлитые под давлением, стандартизированы для производства в количествах от сотен тысяч до миллионов, поэтому в таких отраслях, как производство медицинского оборудования или спортивных товаров, существует спрос на альтернативы, которые лучше подходят для малосерийного производства или индивидуального изготовления.
Массовое производство также мешает малым предприятиям и стартапам быстро выводить свою продукцию на рынок, так как они зависят от крупных промышленных литьевых машин, производящих продукцию извне.
Зачем нужна 3D-печать с материалом TPU?
3D-печать из материалов TPU и TPE открывает возможности за пределами традиционных рабочих процессов для деталей с большей геометрической сложностью, персонализированных или индивидуальных конструкций, более быстрых итераций и проектирования, а также более рентабельного малосерийного производства.
Существуют различные варианты 3D-печати из ТPU, включая технологии FDM и SLS. По мере развития технологии 3D-печати и материалов число производителей, внедряющих этот процесс в свой производственный процесс, растет в геометрической прогрессии.
3D-печать из ТPU позволяет сократить итерационный цикл для быстрого создания прототипов, а также предоставляет возможность индивидуальной настройки для производства деталей конечного использования. В отраслях, где один из этапов процесса разработки продукции традиционно передается на аутсорсинг (как правило, этап производства серийной продукции), 3D-печать может обеспечить улучшенный и вертикально интегрированный сквозной рабочий процесс.
3D-печать из TPU также может помочь производителям удовлетворить спрос на индивидуальные и персонализированные товары. Согласно исследованию компании Deloitte, в некоторых категориях более 50% потребителей выразили заинтересованность в приобретении персонализированных товаров или услуг, причем большинство из них готовы платить больше за индивидуальный продукт. Напечатанные детали из ТPU идеально подходят для массового изготовления подкладок для шлемов, ортопедических изделий, спортивного оборудования, очков, гарнитур или эргономичных захватных компонентов для технических продуктов.
Порошок TPU 90A от Formlabs позволяет настраивать материал на основе антропометрических данных для таких приложений, как этот персонализированный защитный головной убор (изображение слева). А покрытие протеза руки, напечатанное с помощью TPU 90A, является гибким, прочным и долговечным (изображение справа).
Сравнение: Процессы для 3D-печати ТПУ
Материалом TPU можно печатать на FDM или SLS 3D-принтерах. Каждая технология имеет уникальные преимущества, и перед выбором технологии важно определить, что лучше всего подходит для вашего рабочего процесса и потребностей бизнеса.
Печать материалом ТPU с помощью FDM 3D-принтера
Для предприятий, желающих начать 3D-печать с TPU, недорогой FDM принтер является хорошим вариантом для начального уровня рабочего процесса. Нить TPU стоит недорого и может быть хорошим способом проверки концепций дизайна и внешне похожих прототипов, особенно если конечной целью является массовое производство с помощью традиционных методов литья под давлением.
Однако TPU может быть сложным материалом для 3D-печати на FDM-принтерах, поскольку мягкий и растяжимый материал может легко засорить экструдер, что приводит к техническим проблемам и снижению успешности печати. 3D-печать с TPU на FDM-принтерах также предполагает ограниченную свободу дизайна, меньшую точность размеров деталей и видимые линии слоев.
Детали из ТPU, напечатанные методом FDM, анизотропны, то есть их прочность не одинакова по разным осям или плоскостям напряжения - другими словами, приложение силы к детали из ТPU, напечатанной методом FDM, в одном направлении будет иметь другой эффект, чем приложение той же силы в другом направлении. Для деталей из ТPU, которые часто приходится тянуть, растягивать, сжимать и скручивать, эта анизотропия представляет собой настоящую проблему для любой детали, которая должна быть функциональной, даже на стадии создания прототипа.
Пластик TPU для FDM принтеров
Многие производители FDM принтеров и материалов предлагают TPU-филаменты с различными свойствами материала. TPU филаменты, как правило, немного тверже эластичных материалов, предлагая твердость около 95A по Шору, но это можно скорректировать путем изменения параметров печати или дизайна.
3D-печать материалом ТPU с помощью SLS технологии
Технология SLS идеально подходит для более высокопроизводительных и функциональных приложений, таких как функциональные прототипы для тестирования или малосерийное производство товаров конечного использования, таких как ортопедические изделия, подкладки для шлемов и т.д. Пользователи SLS могут использовать исключительную прочность и гибкость TPU, чтобы быстрее вывести свою продукцию на рынок. Высокая прочность на разрыв позволяет создавать долговечные, эластомерные детали, а доступность систем SLS, таких как Fuse Series, обеспечивает низкую стоимость каждой детали.
Напечатанные детали из TPU с помощью SLS технологии идеально подходят для применения в тех случаях, когда сложная геометрия необходима или полезна для производительности. Самонесущий характер технологии SLS означает, что при печати не требуются поддержки, а также возможна сложная геометрия с внутренними каналами, решетчатыми или аккордеонными конструкциями коллекторного типа. В таких областях, как защитные головные уборы или стельки для обуви и ортопедические изделия, резиновые решетчатые структуры обеспечивают высокую прочность на сжатие, что повышает эффективность продукта.
Материалы из TPU для SLS 3D-принтеров
Существует множество систем SLS, которые предлагают порошковый материал TPU. Многие из этих систем представляют собой крупные промышленные машины со сложными требованиями к инфраструктуре, такими как системы вентиляции, большая площадь, или многочисленные требования к электрическим цепям и электрооборудованию. С появлением более доступных систем SLS, таких как Fuse Series от Formlabs, 3D-печать TPU на системах с порошковым слоем стала более доступной и недорогой.
Порошок TPU 90A Powder от Formlabs безопасен для кожи, что открывает возможности в сфере производства носимых вещей и медицинского оборудования, где нормы безопасности ограничивают использование многих напечатанных деталей. С TPU 90A Powder инженеры и дизайнеры могут использовать свободу дизайна 3D-печати, высокую прочность на разрыв и удлинение резины, а также безопасные для кожи качества многих традиционно формованных термопластов - и все это в одном рабочем процессе.
3D-печать с помощью порошка TPU 90A от Formlabs и SLS принтеров серии Fuse проста и может быть легко интегрирована в существующий рабочий процесс SLS или стать первым материалом SLS, с которого вы начнете. Материал печатает в воздушной среде и не требует инертной атмосферы, как некоторые SLS материалы.
Кроме того, детали из TPU не используют Surface Armor (полуспеченную оболочку вокруг деталей из более жестких порошков) на принтерах серии Fuse, поэтому процесс удаления порошка довольно прост с помощью машины для пост-обработки Fuse Sift. Хотя TPU 90A не имеет Surface Armor, все равно рекомендуется использовать дробеструйную обработку, чтобы удалить весь лишний порошок с деталей, обеспечивая более чистый и легкий материал для работы.
Области применения 3D-печати с ТPU
Существуют проверенные рабочие процессы для традиционного изготовления деталей из ТPU, и эти рабочие процессы по-прежнему идеально подходят для массового производства резиновых изделий. Однако 3D-печать из ТPU является отличной альтернативой во многих ситуациях, в том числе там, где необходима скорость или простота использования, быстрое прототипирование, производство по требованию и изготовление по индивидуальному заказу. От начала процесса проектирования, когда необходимы быстрые прототипы, до окончательного проектирования деталей конечного использования, даже массовых потребительских товаров по индивидуальному заказу, 3D-печать с материалом ТPU может сделать рабочие процессы быстрее и эффективнее, не жертвуя механическими свойствами или точностью.
Быстрое прототипирование
3D-печать с использованием TPU позволяет предприятиям вывести мощности по созданию прототипов «под одну крышу», сократить сроки изготовления и снизить затраты, которые ранее взимались сервисными бюро или механическими мастерскими.
Например, прототипирование спортивного шлема требует возможности изготовления жесткой оболочки, а также мягкой амортизации внутри. Инновационные компании работают над созданием новых решетчатых структур и технологий гашения ударов для этих подушек, и ТPU - идеальный материал.
Однако эксперименты с новыми конструкциями и геометрией делают традиционные методы изготовления инструментов непомерно дорогими, а привлечение сторонних конструкторских бюро может занять недели. Возможность использовать один рабочий процесс и один тип технологии как для жесткой внешней оболочки, так и для мягкой внутренней подушки означает, что эти новаторы смогут проводить итерации с гораздо большей скоростью. Эти шлемы должны будут пройти обширные физические испытания, поэтому для одного раунда тестирования потребуется десять амортизирующих подушек. Такие объемы слишком велики для тщательного ручного изготовления амортизирующей поверхности, но слишком малы для экономически эффективного традиционного литья из ТPU. Решение - собственная 3D-печать.
SLS 3D-принтеры Fuse могут легко печатать несколько резиновых решетчатых структур из порошка TPU 90A с небольшими вариациями для тестирования различных конструкций. Изменяя конструкцию самой детали, например, меняя толщину стенок, можно производить детали с разным уровнем твердости для различных применений или в качестве итераций после тестирования.
Рабочий процесс c Fuse Series обеспечивает доступ к множеству материалов с широким диапазоном механических свойств, позволяет вести разработку и производство на собственном производстве и управлять проектированием множества различных типов компонентов с помощью одной технологии. TPU 90A Powder открывает совершенно новый тип изделий, которые можно непосредственно создавать прототипы с помощью 3D-печати, используя ту же надежную платформу Fuse Series.
Вспомогательные средства для производства
Если вы не занимаетесь производством, вам будет трудно понять разницу между типами производственных приспособлений. Однако суть остается неизменной, идет ли речь об оснастке, кронштейне, корпусе или одном из многих других способов удержания станков вместе - когда это нужно, это действительно нужно. ТPU - это ответ на проблему, с которой сталкиваются многие производители: как предотвратить чрезмерный износ своих производственных технологий стоимостью в миллионы долларов.
Мягкие на ощупь производственные приспособления могут помочь продлить срок службы тяжелого оборудования, смягчая определенные удары или обеспечивая захват идеальной формы. Когда уплотнения или прокладки рвутся после многолетнего использования, оператор может мгновенно напечатать замену и восстановить работу производственной линии за несколько часов, а не ждать новую деталь несколько дней или недель.
Добавление возможностей для работы с материалами является для производителей своего рода страховкой - оно защищает их от поломки детали или неисправного компонента машины, которого они не ожидали. Чем больше механических свойств они могут обеспечить собственными силами, тем больше они страхуют себя от задержек в цепочке поставок и высоких затрат на ремонт со стороны OEM-производителей. С помощью резиновых напечатанных деталей теперь можно ремонтировать или заменять по требованию совершенно новые компоненты оборудования. Избежав остановки заводской линии или технологического процесса, можно сэкономить тысячи долларов в день.
ТPU может использоваться для демпферов вибрации в автомобильных и аэрокосмических испытаниях, а также в качестве оснастки для промышленных процессов, таких как термоформовка деталей уникальной формы. На автомобильных заводах большие роботизированные системы работают на порталах, которые должны наклоняться и поворачиваться. Индивидуальные подушки и мягкие корпуса могут помочь этим машинам избежать трения и продлить срок их службы.
Низкий объем и индивидуальные готовые к носке изделия
В индустрии спорта, моды и носимых технологий предложение возможностей персонализации является обязательным для брендов, стремящихся захватить большую долю рынка. Затраты, связанные с оснасткой, делали малосерийное или единичное производство практически невозможным, пока доступная 3D-печать не открыла эту возможность.
До появления TPU большинство материалов были слишком жесткими для рынка спортивных товаров или носимых вещей. От подошв для обуви, которые могут быть подобраны в соответствии с точным размером ноги и распределением веса человека, до футбольных шлемов, разработанных для предотвращения ударов, и ремешка для часов, отлитого по форме вашего запястья - возможности безграничны.
Медицинские устройства
Обладая исключительной долговечностью и прочностью, TPU идеально подходит для протезирования, ортопедии, специальных приспособлений для пациентов и медицинского оборудования. Возможность 3D-печати гибких и прочных деталей конечного применения создает новые возможности для медицинских работников благодаря сочетанию высокой прочности на разрыв и удлинения при разрыве резиновых материалов со свободой дизайна и долговечностью SLS 3D-печати.
TPU является гибким эластомером, что делает его идеальным для 3D-печати таких медицинских деталей, как:
3D-печать в здравоохранении, хотя и является развивающейся областью, ограничена строгими требованиями к материалам - как к сертификатам безопасности, так и к их прочности и механическим свойствам. TPU открывает больше возможностей для различных применений в здравоохранении, предлагая еще один инструмент в ящике с инструментами.
Практический пример: прототипирование в компании по производству игрушек и электронных велосипедов: Radio Flyer и TPU
Компания Radio Flyer, которой доверяют и любят семьи уже более 100 лет, является производителем культового оригинального Маленького красного вагончика (Little Red Wagon®), который был включен в Национальный зал славы игрушек. Они остаются на вершине рождественского списка подарков каждого ребенка как ведущий мировой производитель игрушек, включая повозки, скутеры, трехколесные велосипеды, картинги, электровелосипеды и другие инновационные продукты.
3D-печать является важной частью процесса разработки Radio Flyer, и инженер-конструктор, Агостино Лобелло, обнаружил, что TPU 90A Powder помогает создавать действительно функциональные прототипы. "Высокая степень сцепления с поверхностью уникальна по сравнению с другими материалами TPE/TPU, с которыми мне приходилось работать. С этой точки зрения, по ощущениям он больше похож на наш литьевой TPE/TPU, что очень интересно для создания прототипов. В настоящее время следующей лучшей альтернативой этому процессу был бы прототипный инструмент и инжекция реального TPE или других уретанов, так что это более выгодно по стоимости и времени", - говорит Лобелло.
Использование порошка TPU 90A на принтерах Fuse помогает компании Radio Flyer создавать функциональные прототипы таких деталей, как эти рули с мягкими ручками для велосипеда Flyer™ L885.
3D-печать с материалом ТPU на принтерах серии Fuse
Доступный рабочий процесс SLS 3D-печати с использованием порошка TPU открывает перед производителями возможности для улучшения процесса проектирования путем высококачественного итерационного прототипирования или для производства индивидуальных деталей конечного использования.
Экосистема Fuse SLS, включающая принтеры и Fuse Sift, компактна, доступна и недорога. Порошок Formlabs TPU 90A Powder позволяет создавать новые приложения и оптимизировать рабочие процессы за счет создания прочных, гибких и изотропных деталей, которые ранее требовали формовки. Собственные решения для производства резиноподобных деталей предоставят вам больше контроля и гибкости в процессе проектирования и производства, независимо от того, к какой сфере применения или отрасли вы относитесь. Порошок TPU 90A от Formlabs имеет рейтинг безопасности для кожи, что открывает дополнительные возможности для здравоохранения и производства носимых вещей.
