Einführung: Shore-Härtesystem flexibler Materialien
TPU (thermoplastisches Polyurethan) ist das am häufigsten verwendete flexible Material im FDM-3D-Druck. Seine Hauptmerkmale sind der einstellbare Härtebereich und die hervorragende Elastizität. Die Shore-Härte ist ein Standard zur Messung der Härte flexibler Materialien und ist in zwei Skalen unterteilt: Shore A (für Weichgummi) und Shore D (für Hartgummi). Der Härtebereich von TPU-Materialien für den FDM-Druck liegt üblicherweise bei 60A-95A (Shore A) und deckt damit einen weiten Bereich von „weichem Gummi“ bis „harter Sohle“ ab. Mit jeder Erhöhung der Shore-Härte um 5A erhöht sich die Materialsteifigkeit um etwa 15–20 % und der Elastizitätsmodul um 20–30 %. Die Wahl der geeigneten Härte ist der erste Schritt bei der Konstruktion elastischer Teile, die direkt wichtige Eigenschaften wie Abdichtung, Dämpfung und Verschleißfestigkeit der Teile bestimmt.
Leistungsvergleich von TPU mit unterschiedlichen Härten
Shore 60A-70A (weiches TPU): Es fühlt sich weich an, ähnlich einem Radiergummi oder weichem Silikon. Die Bruchdehnung beträgt 500–700 %, der Elastizitätsmodul beträgt 2–5 MPa und die bleibende Druckverformung ist groß (20–30 %). Geeignet für die Herstellung von Weichdichtungen, stoßdämpfenden Polstern, Weichscharnieren und flexiblen Schutzhüllen. Die Nachteile sind eine schlechte Verschleißfestigkeit und eine geringe Reißfestigkeit. Shore 80A-85A (TPU mittlerer Härte): Mittlere Haptik, ähnlich wie Autoreifen oder Sportschuhsohlen. Die Bruchdehnung beträgt 400–600 %, der Elastizitätsmodul 10–20 MPa und die bleibende Druckverformung 15–20 %. Dies ist der am weitesten verbreitete Härtebereich und eignet sich zur Herstellung von Dichtungsringen, Stoßdämpfern, verschleißfesten Teilen und elastischen Schnallen. Gesamtleistungsbilanz. Shore 90A-95A (halbstarres TPU): Es fühlt sich hart an, ähnlich wie harte Sohlen oder technische Kunststoffe. Die Bruchdehnung beträgt 200–400 %, der Elastizitätsmodul 30–60 MPa und die bleibende Druckverformung 10–15 %. Geeignet für die Herstellung starrer Dichtungen, technischer Scharniere, verschleißfester Zahnräder und halbstarrer Halterungen. Es kommt der Leistung technischer Kunststoffe nahe und behält dennoch seine Elastizität. Die Härte von TPU über Shore 95A liegt nahe an der von Hartplastik und sein Elastizitätsvorteil ist geschwächt. Stattdessen werden meist starre Materialien wie Nylon oder ABS verwendet.
Dichtungsringdesign und Härteauswahl
Dichtungsringe sind eine der typischsten Anwendungen des TPU-Drucks. Prinzip der Härteauswahl: Statische Dichtungen (wie O-Ringe und Dichtungen) können eine weichere Härte (70A-80A) wählen, wodurch eine Abdichtung bei geringer Kompression erreicht werden kann; Dynamische Dichtungen (z. B. Kolbendichtungen, Rotationsdichtungen) müssen eine mittlere Härte (85A-90A) wählen, um Dichtung und Verschleißfestigkeit in Einklang zu bringen. Hochdruckdichtungen (z. B. Hydrauliksysteme) müssen eine härtere Härte (90A-95A) wählen, um eine übermäßige Verformung zu vermeiden, die zum Versagen der Dichtung führt. Konstruktionspunkte: Es wird empfohlen, die Querschnittsform des Dichtungsrings kreisförmig (O-förmig) oder rechteckig (Flachdichtung) zu gestalten, um Spannungskonzentrationen durch komplexe Formen zu vermeiden. Die Größe der Dichtungsnut muss genau berechnet werden, und die Kompression des Dichtungsrings beträgt normalerweise 10-25 %; Die Druckrichtung empfiehlt, dass die Dichtungsfläche senkrecht zur Richtung der Schichtmaserung verläuft, um Leckagen durch die Trennung zwischen den Schichten zu vermeiden. Die Dichtfläche kann mit Silikonöl oder -fett beschichtet werden, um die Reibung zu verringern und die Lebensdauer zu verlängern. Fallbeispiel: Ein Hersteller von Hydraulikzylindern verwendete 85A-TPU zum Drucken von Kolbendichtungen als Ersatz für Original-Spritzgussteile aus Nitrilkautschuk. Die Kosten wurden um 70 % gesenkt und der Lieferzyklus von 2 Wochen auf 1 Tag verkürzt.
Stoßdämpfendes Polsterdesign und Dämpfungsleistung
Beim Design stoßdämpfender Polster müssen Faktoren wie Absorption der Aufprallenergie, Rückprallgeschwindigkeit, Ermüdungslebensdauer usw. berücksichtigt werden. Prinzip der Härteauswahl: Wählen Sie für Umgebungen mit hochfrequenten Vibrationen (z. B. Motorbasen) eine härtere Härte (85A-90A), um ausreichend starren Halt zu bieten; Wählen Sie für niederfrequente Aufprallumgebungen (z. B. Pufferpolster) eine weichere Härte (70A-80A), um eine bessere Energieabsorption zu gewährleisten. Schwere Geräte (z. B. Werkzeugmaschinensockel) erfordern ein mehrschichtiges Design: 90A-95A TPU wird für die untere Schicht verwendet, um Halt zu bieten, und 80A-85A wird für die mittlere Schicht verwendet. TPU absorbiert Stöße, und die Oberflächenschicht verwendet 70A-75A TPU, um den Boden zu schützen. Geometrisches Design: Stoßdämpfende Pads haben normalerweise eine zylindrische oder prismatische Form mit einer Wandstärke von 8–15 mm. Die empfohlene Wandstärke beträgt 8-15 mm. Ist es zu dünn, ist die Stoßdämpfung schlecht, ist es zu dick, ist die Stabilität unzureichend. Im Inneren kann eine Wabenstruktur oder eine Hohlstruktur konstruiert werden, um die Kompression zu erhöhen und die Steifigkeit zu verringern. Die Oberfläche kann mit rutschfesten Texturen (z. B. Rautenmuster und Wellenmuster) gestaltet werden, um die Reibung zu erhöhen und ein Verrutschen zu verhindern. Leistungstest: Es wird empfohlen, die bleibende Kompressionsverformung gemäß der Norm ISO 4652 zu testen (sollte 100.000 Zyklen betragen).
Wichtige Parameter für den FDM-Druck von TPU
TPU-Druck ist schwieriger. Die größte Herausforderung besteht darin, dass die Weichheit des Materials zu einer schlechten Drahtzufuhr und einer Verstopfung der Düse führt. Geräteanforderungen: Es wird empfohlen, einen Bowden-Extruder oder einen Direktantriebsextruder zu verwenden. Der Direktantrieb eignet sich besser für weiches TPU (5000 Stunden. Fall 3: Ein Sportartikelhersteller verwendet 90A-TPU, um stoßdämpfende Pads für Laufbänder zu drucken, um die ursprünglichen Gummipads zu ersetzen. Die stoßdämpfende Wirkung wird um 15 % erhöht und das Gewicht um 30 % reduziert. Fall 4: Ein Spielzeugunternehmen verwendet 65A-TPU zum Drucken weicher Puppengelenke, um einen integrierten Druck beweglicher Scharniere zu erreichen und so die Montagezeit um 80 % zu reduzieren. Designvorschläge: Die Wandstärke von TPU-Teilen sollte gleichmäßig sein, um Spannungskonzentrationen durch plötzliche Änderungen zu vermeiden; Bei der Konstruktion der Schnalle muss die elastische Erholung des Materials berücksichtigt werden. Die Vorspannung sollte 15–25 % betragen. Es wird empfohlen, zum Verbinden von TPU mit anderen Materialien eine Presspassung oder einen Klebstoff (z. B. Cyanacrylat) zu verwenden, da der Gewindeverbindungseffekt schlecht ist.
Reichen Sie ein Modell, eine Zeichnung, ein Bild oder schriftliche Notizen ein. Ingenieure prüfen Material, Verfahren, Endbearbeitung und Lieferung basierend auf der tatsächlichen Anwendung.