Introduzione: sistema di durezza Shore dei materiali flessibili
TPU (poliuretano termoplastico) è il materiale flessibile più utilizzato nella stampa 3D FDM. Le sue caratteristiche principali sono la gamma di durezza regolabile e l'eccellente elasticità. La durezza Shore è uno standard per misurare la durezza dei materiali flessibili ed è diviso in due scale: Shore A (per gomma morbida) e Shore D (per gomma dura). La gamma di durezza dei materiali TPU per la stampa FDM è solitamente 60A-95A (Shore A), coprendo un'ampia gamma dalla "gomma morbida" alla "suola dura". Per ogni aumento di 5 A della durezza Shore, la rigidità del materiale aumenta di circa il 15-20% e il modulo elastico aumenta del 20-30%. La scelta della durezza appropriata è il primo passo nella progettazione di parti elastiche, che determina direttamente proprietà chiave come tenuta, ammortizzazione e resistenza all'usura delle parti.
Confronto delle prestazioni del TPU con diverse durezze
Shore 60A-70A (TPU morbido): è morbido, simile a una gomma o al silicone morbido. L'allungamento a rottura è del 500-700%, il modulo elastico è di 2-5 MPa e la deformazione permanente a compressione è ampia (20-30%). Adatto per la produzione di guarnizioni morbide, cuscinetti ammortizzanti, cerniere morbide e manicotti protettivi flessibili. Gli svantaggi sono la scarsa resistenza all'usura e la bassa resistenza allo strappo. Shore 80A-85A (TPU di durezza media): sensazione media, simile a quella degli pneumatici delle auto o delle suole delle scarpe sportive. L'allungamento a rottura è del 400-600%, il modulo elastico è di 10-20 MPa e la deformazione permanente a compressione è del 15-20%. Questa è la gamma di durezza più utilizzata ed è adatta per la produzione di anelli di tenuta, ammortizzatori, parti resistenti all'usura e fibbie elastiche. Equilibrio complessivo delle prestazioni. Shore 90A-95A (TPU semirigido): sembra duro, simile alle suole dure o ai tecnopolimeri. L'allungamento a rottura è del 200-400%, il modulo elastico è di 30-60 MPa e la deformazione permanente a compressione è del 10-15%. Adatto per la produzione di guarnizioni rigide, cerniere tecniche, ingranaggi resistenti all'usura e staffe semirigide. È vicino alle prestazioni dei tecnopolimeri e mantiene comunque l'elasticità. La durezza del TPU superiore a Shore 95A è vicina a quella della plastica dura e il suo vantaggio in termini di elasticità è indebolito. Di solito vengono utilizzati materiali rigidi come nylon o ABS.
Design dell'anello di tenuta e selezione della durezza
Gli anelli di tenuta sono una delle applicazioni più tipiche della stampa TPU. Principio di selezione della durezza: le guarnizioni statiche (come O-ring e guarnizioni) possono scegliere una durezza più morbida (70A-80A), che può ottenere la tenuta con una piccola quantità di compressione; le guarnizioni dinamiche (come le guarnizioni dei pistoni, le guarnizioni rotanti) devono scegliere una durezza media (85A-90A) per bilanciare tenuta e resistenza all'usura; le guarnizioni ad alta pressione (come i sistemi idraulici) devono scegliere una durezza più elevata (90A-95A) per evitare un'eccessiva deformazione che porta al guasto della guarnizione. Punti di progettazione: si consiglia che la forma della sezione trasversale dell'anello di tenuta sia circolare (a forma di O) o rettangolare (guarnizione piatta) per evitare la concentrazione di sollecitazioni causata da forme complesse; la dimensione della scanalatura di tenuta deve essere calcolata con precisione e la compressione dell'anello di tenuta è solitamente del 10-25%; la direzione di stampa raccomanda che la superficie di tenuta sia perpendicolare alla direzione della grana dello strato per evitare perdite causate dalla separazione tra gli strati; la superficie di tenuta può essere rivestita con olio o grasso siliconico per ridurre l'attrito e prolungare la durata. Caso: Un'azienda produttrice di cilindri idraulici ha utilizzato il TPU 85A per stampare le guarnizioni dei pistoni per sostituire le parti originali stampate a iniezione in gomma nitrilica. Il costo è stato ridotto del 70% e il ciclo di consegna è stato ridotto da 2 settimane a 1 giorno.
Design dei cuscinetti ammortizzanti e prestazioni di ammortizzazione
La progettazione dei cuscinetti ammortizzanti deve considerare fattori quali l'assorbimento dell'energia d'impatto, la velocità di rimbalzo, la resistenza alla fatica, ecc. Principio di selezione della durezza: per ambienti con vibrazioni ad alta frequenza (come le basi dei motori), scegliere una durezza più elevata (85A-90A) per fornire un supporto rigido sufficiente; per ambienti con impatti a bassa frequenza (come i cuscinetti tampone), scegliere una durezza più morbida (70A-80A) per fornire un migliore assorbimento di energia; Le attrezzature pesanti (come le basi delle macchine utensili) richiedono un design multistrato: il TPU 90A-95A viene utilizzato per lo strato inferiore per fornire supporto e il TPU 80A-85A viene utilizzato per lo strato intermedio. Il TPU assorbe l'impatto e lo strato superficiale utilizza TPU 70A-75A per proteggere il terreno. Design geometrico: i cuscinetti ammortizzanti sono generalmente progettati con forma cilindrica o prismatica, con uno spessore della parete di 8-15 mm. Lo spessore della parete consigliato è 8-15 mm. Se è troppo sottile, l'effetto di assorbimento degli urti sarà scarso, mentre se è troppo spesso la stabilità sarà insufficiente. Una struttura a nido d'ape o una struttura cava può essere progettata internamente per aumentare la quantità di compressione e ridurre la rigidità. La superficie può essere progettata con texture antiscivolo (come motivi a rombi e motivi ondulati) per aumentare l'attrito e prevenire lo spostamento. Test delle prestazioni: si consiglia di testare la deformazione permanente di compressione secondo lo standard ISO 4652 (dovrebbe essere 100.000 cicli).
Parametri chiave per la stampa FDM di TPU
La stampa di TPU è più difficile. Il problema principale è che la morbidezza del materiale provoca una scarsa alimentazione del filo e l’ostruzione degli ugelli. Requisiti dell'attrezzatura: si consiglia di utilizzare un estrusore Bowden o un estrusore a trasmissione diretta. L'azionamento diretto è più adatto per TPU morbido (
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