Всем привет. С вами компания 3Dtool!
Эластомерные филаменты, в обиходе называемые флексами, популярны в немалой степени благодаря широкому выбору вариантов с разными физико-механическими свойствами — от очень мягких до твердых и даже усиленных волоконными наполнителями. Наибольшим спросом пользуются варианты из термопластичных полиуретанов, о которых и поговорим в сегодняшней статье.
Твердость термопластичных полиуретанов
В категорию флексов обычно вносят все эластомерные полимеры, ибо сам термин флекс происходит от английского слова flexible, означающего «гибкий». Состав, однако, может существенно разниться: это могут быть и термопластичные полиэфирные эластомеры, и синтетический каучук, и термопластичные полиуретаны. Наиболее распространены именно полиуретановые варианты разной твердости, причем не только чистые термопласты, но и армированные композиты.
Твердость измеряется методом Шора: стандартные образцы продавливаются нагруженными стержнями или шариками из закаленной стали на приборах, называемых твердомерами или дюрометрами. В зависимости от твердости значения могут быть самыми разными, поэтому для удобства вместо одной шкалы измерений доступны двенадцать. Твердость термопластов, используемых в производстве филаментов, обычно измеряют методами A и D с соответствующими шкалами.
В методе A используются стержни c усеченными конусообразными кончиками и прижимным усилием в один килограмм, а в методе D — с острыми кончиками и прижимным усилием в пять килограмм. Каждая шкала делится на сто единиц, при этом шкалы частично накладываются друг на друга: например, 25 по шкале D соответствует 75 по шкале А. Мягкие материалы обычно классифицируются по шкале А, а твердые — по шкале D, но если сравниваются несколько материалов с относительно невысоким разбросом показателей, можно выбирать наиболее удобную шкалу, вмещающую все рассматриваемые материалы. Каждый образец испытывается пять раз, в разных местах, после чего рассчитывается среднее значение. Чем выше значение, тем выше твердость.
Варианты термопластичных полиуретанов и практическое применение
Если взять для примера термопластичные полиуретаны российской компании «РЭК», самый мягкий — REC Soft Flex с твердостью 70 по шкале Шора А, а самый твердый — REC TPU D70 с показателем 70 по шкале Шора D. Если REC Soft Flex напоминает по твердости мягкую резину, то REC TPU D70 ближе к инженерным пластикам вроде акрилонитрилбутадиенстирола (ABS) или нейлонов.
Мягкие варианты термопластичного полиуретана хорошо подходят в качестве альтернативы резине из натурального или синтетического каучука и используются в производстве разнообразных резинотехнических изделий — от уплотнительных колец и амортизаторов до гибких патрубков, приводных ремней и антифрикционных накладок. Твердые варианты можно использовать в производстве защитных корпусов или ударопрочных креплений. Помимо этого полиуретаны можно найти в подошвах и ортопедических стельках, спортивном инвентаре, различных медицинских приспособлениях вроде катетеров и жгутов.
Более того, доступны композиты на основе термопластичных полиуретанов. Само собой, такие материалы делаются на основе твердых полимеров, ибо армирующие наполнители дополнительно повышают твердость и жесткость. Заодно улучшается износостойкость, а также снижается склонность к усадке: волоконные наполнители помогают стабилизировать геометрию моделей при остывании и тем самым сохранять размерную точность, что немаловажно при 3D-печати изделий с техническими отверстиями, стыками или посадочными местами. Характерным примером служит композит REC TPU GF — твердый полиуретан REC TPU D70, но не в чистой форме, а со стекловолоконным армирующим наполнителем.
Привлекательность термопластичных полиуретанов обусловлена не только высокой ударной вязкостью, но и отличной износостойкостью, широким диапазоном эксплуатационных температур, а также химической стойкостью к горюче-смазочным материалам, щелочам и некоторым кислотам. Более того, полиуретаны хорошо переносят ультрафиолетовое облучение, а потому подходят для продолжительной эксплуатации на открытом воздухе: бывает, что выцветают красители, но сам полимер долговечен, не боится морозов и сохраняет прочность при температурах до 80-90°С.
Особенности 3D-печати
Филаменты из ТПУ могут быть довольно проблематичными при 3D-печати, но все зависит от твердости. Сложности возникают в основном при работе с мягкими материалами, так как эластичность усложняет настройку потока и ретракта, увеличивает нагрузку на подающие механизмы за счет повышенного трения в длинных направляющих трубках, а также может приводить к зажевыванию. Оптимальный вариант — использовать директ-экструдеры, то есть головки с подающими механизмами прямо на головках.
Этот момент необходимо учитывать и при использовании систем автоматической смены филамента, например AMS от Bambu Lab или CFS от Creality. Как правило, производители таких систем не рекомендуют использовать эластичные материалы. С другой стороны, для многоцветной 3D-печати или даже выращивания изделий из нескольких филаментов с разной твердостью можно использовать такие 3D-принтры, как Snapmaker U1.
Вместо системы автоматической смены филамента этот аппарат оснащен тулченджером, то есть системой автоматической смены инструмента. 3D-принтер принимает четыре головки с директ-подачей филаментов и индивидуальной настройкой параметров, так что хорошо справляется даже с эластичными полимерами.
Тулченджеры хороши еще и тем, что они обеспечивают быструю смену материала за счет отсутствия необходимости в выгрузке старого филамента и загрузке нового. В традиционных AMS эта процедура может занимать пару минут при каждой смене, тогда как на замену головок целиком уходит всего несколько секунд. В результате достигается как колоссальная экономия времени, так и материалов, ведь к каждому из экструдеров приписан свой филамент, а значит при переходе с одного материала на другой не приходится прочищать сопла.
Помимо этого Snapmaker U1 демонстрирует высокую производительность за счет алгоритмов активного гашения вибраций (Input Shaping), развивая скорости позиционирования до 500 мм/c с ускорениями до 20 м/с^2. Столик подогревается, а сверху аппарат можно накрыть опциональным колпаком и получить полностью закрытый рабочий объем.
AMS и тулченджеры позволяют выращивать не только многоцветные модели, но и изделия из нескольких материалов, устраняя необходимость в сборке.
На иллюстрация выше и ниже приведен пример мультиматериальной 3D-печати: красный корпус резервуара выращен из полилактида (PLA), а черные уплотнители — из мягкого термопластичного полиуретана. Аналогичным образом можно печатать, например, жесткие защитные контейнеры с интегрированной мягкой подбивкой, либо встроенные гибкие соединения и защелки.
Термокамеры при 3D-печати термопластичными полиуретанами необязательны. В большинстве случаев можно обойтись подогревом столика и штатными адгезионными покрытиями: наиболее популярны в последнее время гладкие и фактурные полиэфиримидные (PEI) покрытия, хорошо схватывающиеся с большинством полимеров. Риски отлипания и закручивания наиболее высоки при 3D-печати больших моделей, так как в таких случаях наиболее выражена усадка. Если стандартных покрытий и подогрева столика не хватает, закрытая камера будет полезна, а адгезию с рабочей поверхностью можно улучшить с помощью клея. Что интересно, термопластичные полиуретаны могут крепко схватываться со стеклянными столиками, причем так сильно, что модели может быть сложно отодрать без повреждения столика или самих изделий. В таких случаях клеи тоже выручают, предлагая сбалансированную адгезию — не слишком сильную и не слишком слабую.
В крайних случаях можно выстраивать вспомогательные структуры — рафты или бримы, берущие начальные деформации на себя и увеличивающие площадь соприкосновения с рабочей поверхностью. Конечно, такие структуры увеличивают расход материала и требуют механической постобработки. К счастью, полимерные рафты и бримы, равно как и поддержки, довольно легко срезаются острыми лезвиями.
Обдув укладываемых слоев желательно ставить на низкие значения, либо не использовать вообще. Это чревато образованием «паутины», особенно при использовании мягких полиуретанов, но тонкие нити легко удаляются вручную, зато обеспечивается оптимальная когезия слоев, что более важно при 3D-печати технических изделий.
Скорость и дистанцию ретракта необходимо настраивать индивидуально, но в качестве начальных значений можно взять 10-20 мм/c и 1 мм для мягких вариантов и 20-40 мм/c и 3 мм для твердых. Нагрев столика также зависит от материала, как правило рекомендуется диапазон от 30 до 60°С. Конкретные температурные параметры лучше всего брать прямо с инструкций на катушках. Превышать допустимые температуры экструзии и столика нежелательно: первое может привести к тепловой деструкции полимера, а второе — к появлению так называемых «слоновьих ног», то есть утолщений в основаниях моделей из-за расплющивания под нагрузкой.
При работе с композиционными материалами, такими как REC TPU GF, необходимо использовать износостойкие сопла. Армирующие наполнители — и стекловолокно, и углеволокно — крайне абразивны и очень быстро приводят латунные сопла в негодность. В таких случаях необходимо оборудовать экструдеры соплами из закаленной стали, либо еще более долговечного карбида вольфрама.
Последний момент — хранение. Термопластичные полиуретаны довольно гигроскопичны, то есть с охотой впитывают влагу, что может приводить к различным дефектам из-за вскипания расплава в экструдерах. Филаменты желательно хранить в герметичных контейнерах или пакетах с силикагелем: это поможет избежать впитывания влаги или накапливания росы, а также запыления. Наиболее надежный вариант — просушивать филаменты непосредственно перед 3D-печатью или даже во время 3D-печати, если 3D-принтер оборудован сушилками с прямой подачей материалов в головки. Предварительное просушивание рекомендуется при температуре 70°С в течение как минимум четырех часов.
Ознакомиться с нашим ассортиментом филаментов из термопластичных полиуретанов от REC, Bestfilament и eSUN можно по этой ссылке.
3Dtool — российский дистрибьютор и интегратор 3D-оборудования, станков с ЧПУ и промышленной робототехники.
Связаться с нами можно:
По телефону: 8 (800) 775-86-69
Электронной почте: Sales@3dtool.ru
На нашем сайте: 3dtool.ru
Наши материалы также доступны в Telegram канале, на Dzen и в группе Вконтакте