Lựa chọn độ cứng bờ và thiết kế bộ phận đàn hồi của vật liệu dẻo TPU: giải pháp ứng dụng từ vòng đệm đến miếng đệm giảm chấn

Giới thiệu: Hệ thống độ cứng bờ của vật liệu dẻo

TPU (polyurethane nhiệt dẻo) là vật liệu dẻo được sử dụng rộng rãi nhất trong in 3D FDM. Đặc điểm cốt lõi của nó là phạm vi độ cứng có thể điều chỉnh và độ đàn hồi tuyệt vời. Shore Hardness là tiêu chuẩn để đo độ cứng của vật liệu dẻo và được chia làm 2 thang đo: Shore A (đối với cao su mềm) và Shore D (đối với cao su cứng). Phạm vi độ cứng của vật liệu TPU để in FDM thường là 60A-95A (Shore A), bao gồm phạm vi rộng từ "cao su mềm" đến "đế cứng". Với mỗi lần tăng độ cứng Shore 5A, độ cứng của vật liệu tăng khoảng 15-20% và mô đun đàn hồi tăng 20-30%. Chọn độ cứng thích hợp là bước đầu tiên trong việc thiết kế các bộ phận đàn hồi, nó quyết định trực tiếp đến các đặc tính chính như độ kín, đệm và khả năng chống mài mòn của bộ phận.

So sánh hiệu suất của TPU với các độ cứng khác nhau

Shore 60A-70A (TPU mềm): Cảm giác mềm mại, tương tự như cục tẩy hoặc silicone mềm. Độ giãn dài khi đứt là 500-700%, mô đun đàn hồi là 2-5 MPa và biến dạng nén vĩnh viễn lớn (20-30%). Thích hợp để sản xuất gioăng phớt mềm, miếng đệm giảm chấn, bản lề mềm và ống bảo vệ linh hoạt. Nhược điểm là khả năng chống mài mòn kém và khả năng chống rách thấp. Shore 80A-85A (TPU có độ cứng trung bình): Cảm giác vừa phải, giống lốp ô tô hay đế giày thể thao. Độ giãn dài khi đứt là 400-600%, mô đun đàn hồi là 10-20 MPa và độ biến dạng vĩnh viễn khi nén là 15-20%. Đây là phạm vi độ cứng được sử dụng rộng rãi nhất và phù hợp để sản xuất vòng đệm, bộ giảm xóc, bộ phận chịu mài mòn và khóa đàn hồi. Cân bằng hiệu suất tổng thể. Shore 90A-95A (TPU bán cứng): Có cảm giác cứng, tương tự như đế cứng hoặc nhựa kỹ thuật. Độ giãn dài khi đứt là 200-400%, mô đun đàn hồi là 30-60 MPa và biến dạng vĩnh viễn khi nén là 10-15%. Thích hợp để sản xuất con dấu cứng, bản lề kỹ thuật, bánh răng chịu mài mòn và giá đỡ bán cứng. Nó gần giống với hiệu suất của nhựa kỹ thuật và vẫn duy trì độ đàn hồi. Độ cứng của TPU trên Shore 95A gần bằng nhựa cứng và ưu điểm đàn hồi của nó bị suy yếu. Các vật liệu cứng như nylon hoặc ABS thường được sử dụng thay thế.

Thiết kế vòng đệm và lựa chọn độ cứng

Vòng đệm là một trong những ứng dụng tiêu biểu nhất của in TPU. Nguyên tắc lựa chọn độ cứng: Phớt tĩnh (như vòng chữ O và miếng đệm) có thể chọn độ cứng mềm hơn (70A-80A), có thể đạt được độ kín dưới một lượng nén nhỏ; phốt động (như phốt piston, phốt quay) cần chọn độ cứng trung bình (85A-90A) để cân bằng độ kín và khả năng chống mài mòn; phốt áp suất cao (như hệ thống thủy lực) cần chọn độ cứng cứng hơn (90A-95A) để tránh biến dạng quá mức dẫn đến hỏng phốt. Điểm thiết kế: Hình dạng mặt cắt ngang của vòng đệm nên là hình tròn (hình chữ O) hoặc hình chữ nhật (miếng đệm phẳng) để tránh sự tập trung ứng suất do hình dạng phức tạp gây ra; kích thước của rãnh bịt kín cần được tính toán chính xác và độ nén của vòng bịt thường là 10-25%; hướng in khuyến nghị rằng bề mặt niêm phong phải vuông góc với hướng của hạt lớp để tránh rò rỉ do sự tách biệt giữa các lớp; bề mặt bịt kín có thể được phủ bằng dầu hoặc mỡ silicon để giảm ma sát và kéo dài tuổi thọ. Trường hợp: Một công ty xi lanh thủy lực đã sử dụng TPU 85A để in các vòng đệm piston nhằm thay thế các bộ phận đúc phun cao su nitrile nguyên bản. Chi phí giảm 70% và chu kỳ giao hàng được rút ngắn từ 2 tuần xuống còn 1 ngày.

Thiết kế đệm giảm chấn và hiệu suất đệm

Thiết kế đệm giảm chấn cần xem xét các yếu tố như hấp thụ năng lượng va chạm, tốc độ bật lại, tuổi thọ mỏi, v.v. Nguyên tắc lựa chọn độ cứng: Đối với môi trường rung động tần số cao (chẳng hạn như đế động cơ), hãy chọn độ cứng cao hơn (85A-90A) để cung cấp đủ độ cứng hỗ trợ; đối với môi trường tác động tần số thấp (như đệm đệm), hãy chọn độ cứng mềm hơn (70A-80A) để hấp thụ năng lượng tốt hơn; Thiết bị nặng (chẳng hạn như đế máy công cụ) yêu cầu thiết kế nhiều lớp: TPU 90A-95A được sử dụng cho lớp dưới cùng để hỗ trợ và 80A-85A được sử dụng cho lớp giữa TPU hấp thụ va đập và lớp bề mặt sử dụng TPU 70A-75A để bảo vệ mặt đất. Thiết kế hình học: Đệm giảm chấn thường được thiết kế dạng hình trụ hoặc hình lăng trụ, có độ dày thành từ 8-15 mm. Độ dày thành khuyên dùng là 8-15 mm. Nếu quá mỏng thì hiệu quả hấp thụ sốc sẽ kém, nếu quá dày thì độ ổn định sẽ không đủ. Cấu trúc tổ ong hoặc cấu trúc rỗng có thể được thiết kế bên trong để tăng mức độ nén và giảm độ cứng. Bề mặt có thể được thiết kế với các họa tiết chống trượt (như hoa văn kim cương và hoa văn lượn sóng) để tăng ma sát và chống dịch chuyển. Kiểm tra hiệu suất: Nên kiểm tra biến dạng vĩnh viễn khi nén theo tiêu chuẩn ISO 4652 (phải 100.000 chu kỳ).

Các thông số chính để in FDM của TPU

In TPU khó hơn. Thách thức chính là độ mềm của vật liệu khiến việc cấp dây kém và tắc nghẽn vòi phun. Yêu cầu về thiết bị: Nên sử dụng máy đùn Bowden hoặc máy đùn truyền động trực tiếp. Truyền động trực tiếp phù hợp hơn với TPU mềm ( 5000 giờ. Trường hợp 3: Một công ty thiết bị thể thao sử dụng TPU 90A để in miếng đệm giảm chấn máy chạy bộ thay thế miếng cao su nguyên bản. Hiệu quả giảm sốc tăng 15% và trọng lượng giảm 30%. Trường hợp 4: Một hãng đồ chơi sử dụng TPU 65A để in các khớp búp bê mềm đạt được tính năng in tích hợp bản lề di động, giảm 80% thời gian lắp ráp. Gợi ý thiết kế: Độ dày thành của các bộ phận TPU phải đồng đều để tránh sự tập trung ứng suất do thay đổi đột ngột; thiết kế khóa cần xem xét khả năng phục hồi đàn hồi của vật liệu và lượng tải trước được khuyến nghị là 15-25%; Bạn nên sử dụng miếng dán hoặc chất kết dính chống nhiễu (chẳng hạn như cyanoacrylate) để kết nối TPU với các vật liệu khác vì hiệu quả kết nối ren kém.