Selección de dureza Shore y diseño de piezas elásticas de materiales flexibles de TPU: soluciones de aplicación desde anillos de sellado hasta almohadillas amortiguadoras

Introducción: Sistema de dureza Shore de materiales flexibles

El TPU (poliuretano termoplástico) es el material flexible más utilizado en la impresión 3D FDM. Sus características principales son un rango de dureza ajustable y una excelente elasticidad. La dureza Shore es un estándar para medir la dureza de materiales flexibles y se divide en dos escalas: Shore A (para caucho blando) y Shore D (para caucho duro). El rango de dureza de los materiales de TPU para la impresión FDM suele ser de 60A-95A (Shore A), cubriendo una amplia gama desde "goma blanda" hasta "suela dura". Por cada aumento de 5 A en la dureza Shore, la rigidez del material aumenta aproximadamente entre un 15 y un 20 % y el módulo elástico aumenta entre un 20 y un 30 %. Elegir la dureza adecuada es el primer paso en el diseño de piezas elásticas, lo que determina directamente propiedades clave como el sellado, la amortiguación y la resistencia al desgaste de las piezas.

Comparación de rendimiento de TPU con diferentes durezas

Shore 60A-70A (TPU suave): Se siente suave, similar a una goma de borrar o silicona blanda. El alargamiento de rotura es del 500-700%, el módulo de elasticidad es de 2-5 MPa y la deformación permanente por compresión es grande (20-30%). Adecuado para la fabricación de sellos blandos, almohadillas amortiguadoras, bisagras blandas y fundas protectoras flexibles. Las desventajas son una pobre resistencia al desgaste y una baja resistencia al desgarro. Shore 80A-85A (TPU de dureza media): Tacto medio, similar a neumáticos de coche o suelas de calzado deportivo. El alargamiento de rotura es del 400 al 600 %, el módulo de elasticidad es del 10 al 20 MPa y la deformación permanente por compresión es del 15 al 20 %. Este es el rango de dureza más utilizado y es adecuado para la fabricación de anillos de sellado, amortiguadores, piezas resistentes al desgaste y hebillas elásticas. Equilibrio general del desempeño. Shore 90A-95A (TPU semirrígido): se siente duro, similar a las suelas duras o los plásticos de ingeniería. El alargamiento de rotura es del 200 al 400 %, el módulo de elasticidad es del 30 al 60 MPa y la deformación permanente por compresión es del 10 al 15 %. Adecuado para fabricar sellos rígidos, bisagras de ingeniería, engranajes resistentes al desgaste y soportes semirrígidos. Está cerca del rendimiento de los plásticos de ingeniería y aún mantiene la elasticidad. La dureza del TPU por encima de Shore 95A es cercana a la del plástico duro y su ventaja de elasticidad se debilita. En su lugar se suelen utilizar materiales rígidos como el nailon o el ABS.

Diseño del anillo de sellado y selección de dureza

Los anillos de sellado son una de las aplicaciones más típicas de la impresión de TPU. Principio de selección de dureza: los sellos estáticos (como juntas tóricas y juntas) pueden elegir una dureza más suave (70A-80A), que puede lograr el sellado bajo una pequeña cantidad de compresión; los sellos dinámicos (como sellos de pistón, sellos giratorios) deben elegir una dureza media (85A-90A) para equilibrar el sellado y la resistencia al desgaste; Los sellos de alta presión (como los sistemas hidráulicos) deben elegir una dureza más dura (90A-95A) para evitar una deformación excesiva que provoque fallas en el sello. Puntos de diseño: se recomienda que la forma de la sección transversal del anillo de sellado sea circular (en forma de O) o rectangular (junta plana) para evitar la concentración de tensiones causada por formas complejas; el tamaño de la ranura de sellado debe calcularse con precisión y la compresión del anillo de sellado suele ser del 10 al 25%; la dirección de impresión recomienda que la superficie de sellado sea perpendicular a la dirección de la veta de la capa para evitar fugas provocadas por la separación entre capas; la superficie de sellado se puede recubrir con aceite o grasa de silicona para reducir la fricción y prolongar la vida útil. Caso: Una empresa de cilindros hidráulicos utilizó TPU 85A para imprimir sellos de pistón para reemplazar piezas originales moldeadas por inyección de caucho de nitrilo. El costo se redujo en un 70% y el ciclo de entrega se acortó de 2 semanas a 1 día.

Diseño de la almohadilla amortiguadora y rendimiento de la amortiguación

El diseño de las almohadillas amortiguadoras debe considerar factores como la absorción de energía del impacto, la velocidad de rebote, la vida útil de la fatiga, etc. Principio de selección de dureza: para entornos de vibración de alta frecuencia (como bases de motores), elija una dureza más dura (85A-90A) para proporcionar un soporte rígido suficiente; para entornos de impacto de baja frecuencia (como almohadillas amortiguadoras), elija una dureza más suave (70A-80A) para proporcionar una mejor absorción de energía; El equipo pesado (como las bases de máquinas herramienta) requiere un diseño de múltiples capas: se usa TPU 90A-95A para la capa inferior para brindar soporte, y se usa TPU 80A-85A para la capa intermedia que absorbe el impacto, y la capa superficial usa TPU 70A-75A para proteger el suelo. Diseño geométrico: Las almohadillas amortiguadoras suelen tener forma cilíndrica o prismática, con un espesor de pared de 8 a 15 mm. El espesor de pared recomendado es de 8-15 mm. Si es demasiado fino, el efecto de absorción de impactos será deficiente y si es demasiado grueso, la estabilidad será insuficiente. Se puede diseñar internamente una estructura alveolar o una estructura hueca para aumentar la cantidad de compresión y reducir la rigidez. La superficie se puede diseñar con texturas antideslizantes (como patrones de diamantes y patrones ondulados) para aumentar la fricción y evitar el desplazamiento. Prueba de rendimiento: se recomienda probar la deformación permanente por compresión de acuerdo con la norma ISO 4652 (debe ser 100,000 ciclos).

Parámetros clave para la impresión FDM de TPU

La impresión de TPU es más difícil. El principal desafío es que la suavidad del material provoca una mala alimentación del alambre y obstrucción de las boquillas. Requisitos del equipo: Se recomienda utilizar una extrusora Bowden o una extrusora de accionamiento directo. La transmisión directa es más adecuada para TPU blando (5000 horas. Caso 3: Una empresa de equipamiento deportivo utiliza TPU 90A para imprimir almohadillas amortiguadoras para cintas de correr para reemplazar las almohadillas de goma originales. El efecto amortiguador aumenta un 15% y el peso se reduce un 30%. Caso 4: Una empresa de juguetes utiliza TPU 65A para imprimir uniones blandas de muñecas para lograr una impresión integrada de bisagras móviles, lo que reduce el tiempo de montaje en un 80 %. Sugerencias de diseño: el espesor de la pared de las piezas de TPU debe ser uniforme para evitar la concentración de tensiones causada por cambios repentinos; el diseño de la hebilla debe considerar la recuperación elástica del material y se recomienda que la cantidad de precarga sea del 15 al 25%; Se recomienda utilizar un ajuste de interferencia o adhesivo (como cianoacrilato) para conectar TPU a otros materiales, ya que el efecto de conexión roscada es deficiente.