Выбор твердости по Шору и проектирование упругих деталей из гибких материалов ТПУ: прикладные решения от уплотнительных колец до амортизирующих прокладок

Введение: система твердости гибких материалов по Шору

ТПУ (термопластичный полиуретан) — наиболее широко используемый гибкий материал в 3D-печати FDM. Его основными характеристиками являются регулируемый диапазон твердости и отличная эластичность. Твердость по Шору является стандартом измерения твердости гибких материалов и делится на две шкалы: Шор А (для мягкой резины) и Шор D (для твердой резины). Диапазон твердости материалов ТПУ для печати FDM обычно составляет 60–95 А (по Шору А), охватывая широкий диапазон от «мягкой резины» до «жесткой подошвы». На каждые 5А увеличения твердости по Шору жесткость материала увеличивается примерно на 15-20%, а модуль упругости увеличивается на 20-30%. Выбор подходящей твердости является первым шагом в проектировании упругих деталей, который напрямую определяет такие ключевые свойства, как уплотнение, амортизация и износостойкость деталей.

Сравнение характеристик ТПУ различной твердости

Шор 60–70А (мягкий ТПУ): на ощупь он мягкий, похож на ластик или мягкий силикон. Удлинение при разрыве составляет 500-700 %, модуль упругости 2-5 МПа, остаточная деформация при сжатии велика (20-30 %). Подходит для изготовления мягких уплотнителей, амортизирующих прокладок, мягких петель и гибких защитных рукавов. Недостатками являются плохая износостойкость и низкая устойчивость к разрыву. Твердость по Шору 80A–85A (ТПУ средней твердости): средние ощущения, похожи на автомобильные шины или подошвы спортивной обуви. Удлинение при разрыве составляет 400-600 %, модуль упругости 10-20 МПа, остаточная деформация при сжатии 15-20 %. Это наиболее широко используемый диапазон твердости, который подходит для изготовления уплотнительных колец, амортизаторов, износостойких деталей и эластичных пряжек. Общий баланс производительности. Shore 90A–95A (полужесткий ТПУ): на ощупь твердый, похожий на твердую подошву или конструкционный пластик. Удлинение при разрыве составляет 200-400 %, модуль упругости 30-60 МПа, остаточная деформация при сжатии 10-15 %. Подходит для изготовления жестких уплотнений, инженерных петель, износостойких шестерен, полужестких кронштейнов. По своим характеристикам он близок к конструкционным пластикам и при этом сохраняет эластичность. Твердость ТПУ выше 95А по Шору близка к твердому пластику, а его преимущество в эластичности ослаблено. Вместо них обычно используются жесткие материалы, такие как нейлон или АБС-пластик.

Дизайн уплотнительного кольца и выбор твердости

Уплотнительные кольца — одно из наиболее типичных применений печати ТПУ. Принцип выбора твердости: Статические уплотнения (такие как уплотнительные кольца и прокладки) могут выбирать более мягкую твердость (70–80 А), что позволяет обеспечить уплотнение при небольшом сжатии; динамические уплотнения (такие как поршневые уплотнения, вращающиеся уплотнения) должны выбирать среднюю твердость (85–90 А), чтобы сбалансировать уплотнение и износостойкость; уплотнения высокого давления (например, гидравлические системы) должны выбирать более высокую твердость (90–95 А), чтобы избежать чрезмерной деформации, приводящей к выходу уплотнения из строя. Расчетные точки: Форма поперечного сечения уплотнительного кольца рекомендуется быть круглой (О-образной) или прямоугольной (плоская прокладка), чтобы избежать концентрации напряжений, вызванной сложной формой; размер уплотнительной канавки нужно точно рассчитать, а сжатие уплотнительного кольца обычно составляет 10-25%; направление печати рекомендует, чтобы поверхность уплотнения была перпендикулярна направлению волокон слоя, чтобы избежать утечек, вызванных разделением слоев; Уплотняющая поверхность может быть покрыта силиконовым маслом или смазкой для уменьшения трения и продления срока службы. Пример: Компания по производству гидравлических цилиндров использовала ТПУ 85А для печати уплотнений поршня взамен оригинальных деталей из нитрилового каучука, отлитых под давлением. Стоимость снижена на 70%, а цикл доставки сокращен с 2 недель до 1 дня.

Дизайн амортизирующих подушек и характеристики амортизации

При разработке амортизирующих подушек необходимо учитывать такие факторы, как поглощение энергии удара, скорость отскока, усталостная долговечность и т. д. Принцип выбора твердости: для сред с высокочастотной вибрацией (например, в основаниях двигателей) выберите более высокую твердость (85–90 А), чтобы обеспечить достаточную жесткую поддержку; для низкочастотных ударных сред (например, буферных подушек) выберите более мягкую твердость (70–80 А), чтобы обеспечить лучшее поглощение энергии; Тяжелое оборудование (например, основания станков) требует многослойной конструкции: ТПУ 90А-95А используется для нижнего слоя для обеспечения поддержки, средний слой 80А-85А используется для поглощения ударов, а поверхностный слой использует ТПУ 70А-75А для защиты земли. Геометрический дизайн: Амортизирующие накладки обычно имеют цилиндрическую или призматическую форму с толщиной стенок 8-15 мм. Рекомендуемая толщина стенки 8-15 мм. Если он слишком тонкий, эффект амортизации будет плохим, а если слишком толстый, устойчивость будет недостаточной. Сотовая или полая структура может быть спроектирована внутри для увеличения степени сжатия и снижения жесткости. Поверхность может иметь противоскользящую текстуру (например, ромбовидный или волнистый узор) для увеличения трения и предотвращения смещения. Испытание производительности: рекомендуется проверять остаточную деформацию сжатия в соответствии со стандартом ISO 4652 (должно быть 100 000 циклов).

Основные параметры для FDM-печати из ТПУ

Печать из ТПУ сложнее. Основная проблема заключается в том, что мягкость материала приводит к плохой подаче проволоки и засорению сопел. Требования к оборудованию: Рекомендуется использовать экструдер Боудена или экструдер с прямым приводом. Прямой привод больше подходит для мягкого ТПУ (5000 часов. Случай 3: Компания по производству спортивного оборудования использует ТПУ 90А для печати амортизирующих подушечек беговой дорожки взамен оригинальных резиновых подушечек. Амортизирующий эффект увеличен на 15%, а вес уменьшен на 30%. Случай 4: Компания по производству игрушек использует ТПУ 65А для печати шарниров мягких кукол, чтобы обеспечить интегрированную печать подвижных петель, сокращая время сборки на 80%. Предложения по проектированию: Толщина стенок деталей ТПУ должна быть одинаковой, чтобы избежать концентрации напряжений, вызванной внезапными изменениями; конструкция пряжки должна учитывать упругое восстановление материала, а величина предварительной нагрузки рекомендуется составлять 15–25 %; Для соединения ТПУ с другими материалами рекомендуется использовать посадку с натягом или клей (например, цианакрилат), так как эффект резьбового соединения плохой.