소개: 유연한 소재의 쇼어 경도 시스템
TPU(열가소성 폴리우레탄)는 FDM 3D 프린팅에서 가장 널리 사용되는 유연한 소재입니다. 핵심 특징은 경도 범위 조절이 가능하고 탄성이 우수하다는 것입니다. 쇼어 경도(Shore Hardness)는 유연한 재료의 경도를 측정하는 표준으로 쇼어 A(부드러운 고무)와 쇼어 D(경질 고무)의 두 등급으로 나뉩니다. FDM 프린팅용 TPU 소재의 경도 범위는 일반적으로 60A~95A(Shore A)로 '부드러운 고무'부터 '단단한 밑창'까지 넓은 범위를 포괄합니다. 쇼어 경도가 5A 증가할 때마다 재료 강성은 약 15-20% 증가하고 탄성 계수는 20-30% 증가합니다. 적절한 경도를 선택하는 것은 탄성 부품 설계의 첫 번째 단계이며 부품의 밀봉, 완충, 내마모성과 같은 주요 특성을 직접적으로 결정합니다.
경도별 TPU 성능 비교
쇼어 60A~70A(소프트 TPU): 촉감이 부드러워 지우개나 부드러운 실리콘과 유사합니다. 파단신율은 500~700%, 탄성계수는 2~5MPa, 압축영구변형량은 크다(20~30%). 소프트 씰, 충격 흡수 패드, 소프트 힌지, 유연한 보호 슬리브 제조에 적합합니다. 단점은 내마모성이 낮고 인열 저항이 낮다는 것입니다. 쇼어 80A-85A(중간 경도 TPU): 자동차 타이어나 스포츠 신발 밑창과 유사한 중간 느낌입니다. 파단 연신율은 400~600%, 탄성 계수는 10~20MPa, 압축 영구 변형률은 15~20%입니다. 가장 널리 사용되는 경도 범위로 씰링 링, 충격 흡수 장치, 내마모 부품, 탄성 버클 제조에 적합합니다. 전반적인 성능 균형. 쇼어 90A-95A(반강성 TPU): 단단한 밑창이나 엔지니어링 플라스틱과 비슷하게 딱딱한 느낌을 줍니다. 파단 연신율은 200~400%, 탄성 계수는 30~60MPa, 압축 영구 변형률은 10~15%입니다. 견고한 씰, 엔지니어링 힌지, 내마모성 기어 및 반강성 브래킷 제조에 적합합니다. 엔지니어링 플라스틱의 성능에 가깝고 여전히 탄력성을 유지합니다. Shore 95A 이상의 TPU 경도는 경질 플라스틱에 가깝고 탄성 이점이 약해집니다. 일반적으로 나일론이나 ABS와 같은 견고한 재료가 대신 사용됩니다.
밀봉 링 디자인 및 경도 선택
밀봉 링은 TPU 인쇄의 가장 일반적인 응용 분야 중 하나입니다. 경도 선택 원리: 정적 씰(예: O-링 및 개스킷)은 더 부드러운 경도(70A-80A)를 선택할 수 있으며, 이는 적은 양의 압축에서도 씰링을 달성할 수 있습니다. 동적 씰(예: 피스톤 씰, 회전 씰)은 씰링과 내마모성의 균형을 맞추기 위해 중간 경도(85A-90A)를 선택해야 합니다. 고압 씰(예: 유압 시스템)은 씰 파손으로 이어지는 과도한 변형을 방지하기 위해 더 단단한 경도(90A-95A)를 선택해야 합니다. 설계 포인트: 밀봉 링의 단면 형상은 복잡한 형상으로 인한 응력 집중을 피하기 위해 원형(O자형) 또는 직사각형(플랫 개스킷)을 권장합니다. 씰링 홈의 크기를 정확하게 계산해야 하며 씰링 링의 압축률은 일반적으로 10-25%입니다. 인쇄 방향은 레이어 간 분리로 인한 누출을 방지하기 위해 밀봉 표면이 레이어 결의 방향과 수직이 되도록 권장합니다. 밀봉 표면을 실리콘 오일이나 그리스로 코팅하여 마찰을 줄이고 수명을 연장할 수 있습니다. 사례: 한 유압 실린더 회사는 원래의 니트릴 고무 사출 성형 부품을 교체하기 위해 피스톤 씰을 인쇄하는 데 85A TPU를 사용했습니다. 비용은 70% 절감되었고 배송주기도 2주에서 1일로 단축되었습니다.
충격 흡수 패드 설계 및 쿠션 성능
충격 흡수 패드 설계에서는 충격 에너지 흡수, 반발 속도, 피로 수명 등과 같은 요소를 고려해야 합니다. 경도 선택 원리: 고주파 진동 환경(예: 모터 베이스)의 경우 충분한 견고한 지지력을 제공하기 위해 더 단단한 경도(85A-90A)를 선택합니다. 저주파 충격 환경(예: 완충 패드)의 경우 더 부드러운 경도(70A-80A)를 선택하여 더 나은 에너지 흡수를 제공합니다. 중장비(예: 공작 기계 베이스)에는 다층 설계가 필요합니다. 하단 레이어는 90A-95A TPU를 사용하여 지지력을 제공하고, 80A-85A는 중간 레이어 TPU가 충격을 흡수하고, 표면 레이어는 70A-75A TPU를 사용하여지면을 보호합니다. 기하학적 디자인: 충격 흡수 패드는 일반적으로 벽 두께가 8-15mm인 원통형 또는 프리즘 모양으로 설계됩니다. 권장되는 벽 두께는 8-15mm입니다. 너무 얇으면 충격흡수 효과가 떨어지고, 너무 두꺼우면 안정성이 부족합니다. 압축량을 늘리고 강성을 줄이기 위해 내부적으로 벌집 구조 또는 중공 구조를 설계할 수 있습니다. 마찰을 증가시키고 변위를 방지하기 위해 표면을 미끄럼 방지 텍스처(예: 다이아몬드 패턴 및 물결 패턴)로 디자인할 수 있습니다. 성능 테스트: ISO 4652 표준(20% 미만이어야 함)에 따라 압축 영구 변형을 테스트하고 ASTM D5992 표준(100,000사이클 이상이어야 함)에 따라 동적 피로 수명을 테스트하는 것이 좋습니다.
TPU FDM 프린팅의 주요 매개변수
TPU 프린팅은 더 어렵습니다. 가장 큰 문제는 재료의 부드러움으로 인해 와이어 공급 불량과 노즐 막힘이 발생한다는 것입니다. 장비 요구 사항: Bowden 압출기 또는 직접 구동 압출기를 사용하는 것이 좋습니다. 직접 구동은 소프트 TPU(5000시간입니다. 사례 3: 한 스포츠 장비 회사는 90A TPU를 사용하여 원래 고무 패드를 대체하기 위해 런닝머신 충격 흡수 패드를 인쇄했습니다. 충격 흡수 효과는 15% 증가하고 무게는 30% 감소했습니다. 사례 4: 한 장난감 회사는 65A TPU를 사용하여 부드러운 인형 관절을 프린팅하여 이동식 경첩의 통합 프린팅을 달성하고 조립 시간을 80% 단축했습니다. 설계 제안: TPU 부품의 벽 두께는 갑작스러운 변화로 인한 응력 집중을 방지하기 위해 균일해야 합니다. 버클 디자인은 재료의 탄성 회복을 고려해야 하며 예압량은 15-25%를 권장합니다. TPU를 다른 소재에 연결하려면 나사산 연결 효과가 좋지 않으므로 억지끼워맞춤이나 접착제(예: 시아노아크릴레이트)를 사용하는 것이 좋습니다.