Seleção de dureza Shore e design de peças elásticas de materiais flexíveis TPU: soluções de aplicação de anéis de vedação a almofadas de absorção de choque

Introdução: Sistema de dureza Shore de materiais flexíveis

TPU (poliuretano termoplástico) é o material flexível mais amplamente utilizado na impressão 3D FDM. Suas características principais são faixa de dureza ajustável e excelente elasticidade. A Dureza Shore é um padrão para medir a dureza de materiais flexíveis e é dividida em duas escalas: Shore A (para borracha macia) e Shore D (para borracha dura). A faixa de dureza dos materiais TPU para impressão FDM é geralmente 60A-95A (Shore A), cobrindo uma ampla faixa de "borracha macia" a "sola dura". Para cada aumento de 5A na dureza Shore, a rigidez do material aumenta em aproximadamente 15-20% e o módulo de elasticidade aumenta em 20-30%. A escolha da dureza apropriada é o primeiro passo no projeto de peças elásticas, que determina diretamente as principais propriedades, como vedação, amortecimento e resistência ao desgaste das peças.

Comparação de desempenho de TPU com diferentes durezas

Shore 60A-70A (TPU macio): É macio, semelhante a uma borracha ou silicone macio. O alongamento na ruptura é de 500-700%, o módulo de elasticidade é de 2-5 MPa e a deformação permanente por compressão é grande (20-30%). Adequado para fabricar vedações macias, almofadas de absorção de choque, dobradiças macias e mangas protetoras flexíveis. As desvantagens são baixa resistência ao desgaste e baixa resistência ao rasgo. Shore 80A-85A (TPU de dureza média): Sensação média, semelhante a pneus de carro ou solas de calçados esportivos. O alongamento na ruptura é de 400-600%, o módulo de elasticidade é de 10-20 MPa e a deformação permanente por compressão é de 15-20%. Esta é a faixa de dureza mais utilizada e é adequada para a fabricação de anéis de vedação, amortecedores, peças resistentes ao desgaste e fivelas elásticas. Equilíbrio geral de desempenho. Shore 90A-95A (TPU semirrígido): Parece duro, semelhante a solas duras ou plásticos de engenharia. O alongamento na ruptura é de 200-400%, o módulo de elasticidade é de 30-60 MPa e a deformação permanente por compressão é de 10-15%. Adequado para fabricação de vedações rígidas, dobradiças de engenharia, engrenagens resistentes ao desgaste e suportes semirrígidos. Está próximo do desempenho dos plásticos de engenharia e ainda mantém a elasticidade. A dureza do TPU acima de Shore 95A é próxima da do plástico rígido e sua vantagem de elasticidade é enfraquecida. Geralmente são usados ​​materiais rígidos como náilon ou ABS.

Design do anel de vedação e seleção de dureza

Os anéis de vedação são uma das aplicações mais típicas da impressão TPU. Princípio da seleção de dureza: As vedações estáticas (como O-rings e juntas) podem escolher uma dureza mais suave (70A-80A), que pode obter vedação sob uma pequena quantidade de compressão; vedações dinâmicas (como vedações de pistão, vedações rotativas) precisam escolher uma dureza média (85A-90A) para equilibrar a vedação e a resistência ao desgaste; vedações de alta pressão (como sistemas hidráulicos) precisam escolher uma dureza mais dura (90A-95A) para evitar deformação excessiva que leve à falha da vedação. Pontos de projeto: Recomenda-se que o formato da seção transversal do anel de vedação seja circular (em formato de O) ou retangular (junta plana) para evitar concentração de tensões causadas por formatos complexos; o tamanho da ranhura de vedação precisa ser calculado com precisão e a compressão do anel de vedação é geralmente de 10 a 25%; a direção de impressão recomenda que a superfície de vedação seja perpendicular à direção da fibra da camada para evitar vazamentos causados ​​pela separação entre as camadas; a superfície de vedação pode ser revestida com óleo ou graxa de silicone para reduzir o atrito e prolongar a vida útil. Caso: Uma empresa de cilindros hidráulicos usou TPU 85A para imprimir vedações de pistão para substituir peças originais moldadas por injeção de borracha nitrílica. O custo foi reduzido em 70% e o ciclo de entrega foi reduzido de 2 semanas para 1 dia.

Design de almofada de absorção de choque e desempenho de amortecimento

O design de almofadas de absorção de choque precisa considerar fatores como absorção de energia de impacto, velocidade de rebote, vida útil de fadiga, etc. Princípio de seleção de dureza: Para ambientes de vibração de alta frequência (como bases de motor), escolha uma dureza mais dura (85A-90A) para fornecer suporte rígido suficiente; para ambientes de impacto de baixa frequência (como amortecedores), escolha uma dureza mais suave (70A-80A) para proporcionar melhor absorção de energia; Equipamentos pesados ​​(como bases de máquinas-ferramentas) requerem um design multicamadas: 90A-95A TPU é usado para a camada inferior para fornecer suporte, e 80A-85A é usado para a camada intermediária, o TPU absorve o impacto e a camada superficial usa 70A-75A TPU para proteger o solo. Desenho geométrico: As almofadas de absorção de choque são geralmente projetadas em formato cilíndrico ou prismático, com espessura de parede de 8 a 15 mm. A espessura de parede recomendada é de 8 a 15 mm. Se for muito fino, o efeito de absorção de choque será fraco e, se for muito grosso, a estabilidade será insuficiente. Uma estrutura em favo de mel ou uma estrutura oca pode ser projetada internamente para aumentar a quantidade de compressão e reduzir a rigidez. A superfície pode ser projetada com texturas antiderrapantes (como padrões de diamante e padrões ondulados) para aumentar o atrito e evitar deslocamento. Teste de desempenho: Recomenda-se testar a deformação permanente por compressão de acordo com a norma ISO 4652 (deve ser 100.000 ciclos).

Parâmetros-chave para impressão FDM de TPU

A impressão de TPU é mais difícil. O principal desafio é que a maciez do material causa má alimentação do arame e entupimento do bico. Requisitos do equipamento: Recomenda-se usar uma extrusora Bowden ou uma extrusora de acionamento direto. O acionamento direto é mais adequado para TPU macio (5.000 horas. Caso 3: Uma empresa de equipamentos esportivos usa TPU 90A para imprimir almofadas de absorção de choque em esteira para substituir as almofadas de borracha originais. O efeito de absorção de choque é aumentado em 15% e o peso é reduzido em 30%. Caso 4: Uma empresa de brinquedos usa TPU 65A para imprimir juntas macias de bonecas para obter impressão integrada de dobradiças móveis, reduzindo o tempo de montagem em 80%. Sugestões de projeto: A espessura da parede das peças de TPU deve ser uniforme para evitar concentração de tensões causadas por mudanças repentinas; o desenho da fivela precisa considerar a recuperação elástica do material, e a quantidade de pré-carga é recomendada entre 15-25%; recomenda-se usar um ajuste de interferência ou adesivo (como cianoacrilato) para conectar o TPU a outros materiais, pois o efeito da conexão roscada é ruim.