Współcześnie coraz bardziej zauważalna jest światowa tendencja do personalizacji, potrzebą chwili staje się dostarczanie produktów dopasowanych do oczekiwań klientów a druk 3D odgrywa w tym coraz większą rolę przenosząc personalizację na zupełnie nowy poziom. Wystarczy spojrzeć na przykłady wykorzystania druku 3D w modzie czy też szeroko pojętej medycynie, także estetycznej.
Bardzo często produkty personalizowane wymagają użycia materiałów elastycznych czy sprężystych i wtedy od razu na myśl przychodzi zastosowanie gumy jako idealnego wyboru. Ale czy gumę można wydrukować w 3D? Krótka odpowiedź brzmi: nie. Dlatego szukamy alternatywnych materiałów, które zachowują się podobnie, ale mogą być drukowane w 3D – takimi materiałami są elastomery i niektóre polimery. Łącząc zalety tworzyw termoplastycznych i elastomerów, otrzymujemy nową klasę materiałów o nazwie elastomery termoplastyczne (ang. TPE – ThermoPlastic Elastomers) czyli elastyczne filamenty do druku 3D.
W tym artykule przyjrzymy się kilku różnym rodzajom TPE, a także innemu rodzajowi elastycznego filamentu zwanego miękkim PLA. Mamy nadzieję, że po przeczytaniu tego artykułu będziesz mógł lepiej dobrać odpowiedni jego rodzaj dla twoich potrzeb!
Przegląd materiałów
Elastomery termoplastyczne (TPE) to polimery, które wykazują elastyczność podobną do usieciowanej gumy. Stopień elastyczności materiału zależy od rodzaju TPE i struktury chemicznej danego gatunku. Ponadto ten rodzaj elastomerów ma zalety przetwórcze tworzyw termoplastycznych, co jest dla nas dobrą wiadomością bo dzięki temu doskonale nadają się także do druku 3D.
Próbując zorientować się w różnych TPE, możesz być zdezorientowany. Dzieje się tak, ponieważ TPE to szeroka kategoria materiałów, która obejmuje kilka innych typów, takich jak np.: TPU. Ważne jest również, aby pamiętać, że nie wszystkie odmiany elastycznego filamentu będą oferowane jako TPE, podtyp TPE lub w ramach jakiejkolwiek innej rozpoznawalnej klasyfikacji materiałów. Niemniej jednak większość z nich będzie należeć do jednej z kategorii przedstawionych w tym artykule.
Cechy TPE
- Elastyczny i miękki
- Doskonała odporność na zmęczenie
- Dobre właściwości elektryczne
- Doskonałe tłumienie drgań
- Wysoka udarność (odporność na uderzenia)
- Doskonała odporność na chemikalia i warunki atmosferyczne
- Dobra odporność na rozdarcie i ścieranie
- Możliwość recyklingu
- Odporność na niskie i wysokie temperatury (-30 do +140 °C)
- Dobra absorpcja wstrząsów
Wymagania dotyczące druku 3D
- Temperatura ekstrudera: 210 – 260 ºC (różnie)
- Temperatura stołu: Niepodgrzewany – 110 ºC (różnie)
- Prędkość druku: 5 – 30 mm/s (utrzymuj ją na niskim poziomie, szczególnie na początku)
- Przyczepność do stołu: zalecany klej w sztyfcie lub aerozolu
- System ekstrudera: zalecany napęd bezpośredni
- Wentylator chłodzący: zalecany
Wyzwania
- TPE ze względu na ich miękkość stwarzają problemy niektórym ekstruderom
- Ponieważ materiały TPE są higroskopijne więc pochłaniają wilgoć z powietrza. Nieprawidłowo przechowywany materiał zawilgotnieje i w trakcie drukowania będzie „strzelał” i skwierczał a wydruk nie będzie dobry jakościowo.
- Należy pamiętać, że TPE jest szczególnie wrażliwy na szybkie zmiany prędkości i kierunku ruchu w ekstruderze, np.: w czasie retrakcji. Czasami filament może się wygiąć w trakcie przechodzenia przez ekstruder.
Klasyfikacja
TPE można podzielić na sześć kategorii w oparciu o ich strukturę chemiczną. Są one również rozróżniane na podstawie wartości twardości wg. Shore’a. Poniżej omówimy gatunki TPE które nadają się do druku 3D:
- Termoplastyczny poliuretan (TPU)
- Termoplastyczny kopoliester (TPC)
- Termoplastyczny poliamid (TPA)
- Termoplastyczny styren (TPS)
TPU – termoplastyczny poliuretan
Termoplastyczny poliuretan (TPU) jest najpopularniejszym rodzajem TPE stosowanym w druku 3D. W porównaniu do innych elastycznych filamentów, wykazuje większą sztywność, co pozwala na jego łatwiejsze ekstrudowanie. Charakteryzuje się również przyzwoitą wytrzymałością i wysoką trwałością.
Cechy
- Wysoki zakres elastyczności (zazwyczaj od 600-700%)
- Twardość Shore’a między 60A a 55D
- Doskonała drukowalność
- Półprzezroczysty
- Dobra odporność chemiczna na oleje i smary
- Wysoka odporność na ścieranie
Wymagania wstępne dotyczące druku 3D
- Temperatura ekstrudera: 210 – 230 ºC
- Temperatura stołu: Nieogrzewany – 60 ºC
- Prędkość druku: 5 – 30 mm/s
- Przyczepność stołu: Kapton lub dedykowany klej
- System ekstrudera: zalecany napęd bezpośredni
- Wentylator chłodzący: niezalecany dla pierwszych warstw
Wyzwania
- Jeśli temperatura drukowania będzie zbyt wysoka, może dojść do powstawania nitek.
- Jeśli temperatura drukowania będzie zbyt niska, przyczepność międzywarstwowa będzie słaba.
- Niska odporność na promieniowanie UV.
Zastosowania przemysłowe
- Wkładki do butów
- Pasy przemysłowe
- Buty narciarskie
TPC – termoplastyczny kopoliester
Kopoliester termoplastyczny (TPC) to estry kopolieterowe z naprzemiennymi sekwencjami glikoli długołańcuchowych lub krótkołańcuchowych o losowej długości. Mają one zarówno twarde, jak i miękkie segmenty. Segmenty twarde to zwykle krótkołańcuchowe jednostki estrowe, podczas gdy segmenty miękkie to zwykle alifatyczne polietery i glikole poliestrowe.
TPC jest uważany za materiał klasy inżynieryjnej, co może wyjaśniać, dlaczego nie pojawia się tak często w hobbystycznym świecie druku 3D.
Cechy
- Niska gęstość
- Elastyczność w zakresie 350 – 530%
- Twardość Shore’a w zakresie od 40 do 72D
- Dobra odporność chemiczna
- Wysoka wytrzymałość
- Dobra stabilność termiczna
- Odporność na wysokie temperatury
Wymagania wstępne dotyczące druku 3D
- Temperatura ekstrudera: 220 – 260 ºC
- Temperatura stołu: 90 – 110 ºC
- Prędkość druku: 5 – 30 mm/s
Wyzwania
- TPC charakteryzuje się mniejszym wydłużeniem przy zerwaniu niż TPU. W związku z tym nie może być używany do bardzo elastycznych zastosowań.
Zastosowania przemysłowe
- Mieszki
- Samorozprężalne stenty polimerowe
TPA – termoplastyczny poliamid
Termoplastyczny poliamid (TPA) jest chemicznym kopolimerem TPE i wysoce elastycznego nylonu. W rezultacie uzyskujemy połączenie gładkiej, błyszczącej tekstury pochodzącej z nylonu i elastyczności TPE.
Cechy
- Wysoka elastyczność w zakresie 370 – 497%
- Twardość Shore’a między 75 a 63A
- Wyjątkowa trwałość
- Dobra drukowalność
- Dobra odporność na ciepło
- Dobra przyczepność warstw
Wymagania wstępne dotyczące druku 3D
- Temperatura ekstrudera: 220 – 230 ºC
- Temperatura stołu: 30 – 60 ºC
- Prędkość druku: 5-30 mm/s
- Przyczepność stołu: Zalecane kleje na bazie PVA
- System ekstrudera: napęd bezpośredni lub Bowden
Wyzwania
- TPA absorbuje wilgoć i dlatego powinno być przechowywane w suchym i szczelnym miejscu.
- Możliwe wystąpienie podwijania i wyginania z powodu skurczu
Zastosowania przemysłowe
- Sporty zimowe, zwłaszcza sprzęt narciarski
- Piłki golfowe
- Produkty medyczne, takie jak cewniki
TPS – termoplastyczny styren
W porównaniu z innymi elastycznymi materiałami do druku 3D, TPS który jest kopolimerem blokowym styrenu opartym o SEBS (styren/etylen/butadien/styren), wykazuje bardziej gumopodobną haptykę i lepsze właściwości antypoślizgowe. Właściwością tego materiału jest też doskonała przyczepność międzywarstwowa, która tworzy wyjątkową gładką powierzchnię, co czyni go idealnym wyborem na uchwyty urządzeń, a także na małe serie uszczelek i uszczelnień. Ponadto, dobra adhezja do ABS i PP pozwala na drukowanie części wielomateriałowych.
Cechy
- Elastyczność w zakresie 280%
- Twardość Shore’a 89A
- „Miękki” w dotyku
- Antypoślizgowy
- Niewielka higroskopijność
- Doskonała przyczepność międzywarstwowa
- Dobrze znosi niskie temperatury
Wymagania wstępne dotyczące druku 3D
- Temperatura ekstrudera: 260 – 280 ºC
- Temperatura stołu: 70 – 90 ºC
- Prędkość druku: 10-30 mm/s
- Przyczepność stołu: PEI, klej
- System ekstrudera: napęd bezpośredni lub Bowden
Wyzwania
- Ze względu na zawartość styrenu zalecane jest drukowanie w dobrze wentylowanym pomieszczeniu na drukarce wyposażonej w odpowiedni filtr powietrza.
Zastosowania przemysłowe
- Funkcjonalne części elastyczne
- Uchwyty urządzeń
- Uszczelnienia i uszczelki
Miękkie PLA
Na koniec wspomnieć jeszcze należy o miękkim PLA (Soft PLA) – jest to ogólny termin stosowany do specjalnych mieszanek PLA, które są bardziej elastyczne. Ze względu na własności i zachowanie niektórzy nazywają go „twardą gumą”.
W porównaniu do innych elastycznych materiałów, jest znany ze swojej wytrzymałości i trwałości. Drukowanie z niego jest podobne do drukowania standardowego PLA, z tym wyjątkiem, że należy użyć niższej prędkości i wyższej temperatury stołu.
Właściwości
- Ulega biodegradacji
- Twardość Shore’a między 90 a 92A
- Wysoka wytrzymałość
- Dobra trwałość
Wymagania wstępne dotyczące druku 3D
- Temperatura ekstrudera: 220 – 235 ºC
- Temperatura stołu: 100 ºC
- Prędkość druku: 10 – 30 mm/s
- System ekstrudera: napęd bezpośredni lub Bowden
Wyzwania
- Ze względu na wysoką miękkość, mogą wystąpić problemy podczas ładowania filamentu.
Zastosowania przemysłowe
- Zatyczki
- Sprężyny
- Pasy
Podsumowanie
Jak widać, rodzina elastycznych materiałów TPE jest dość szeroka – w ramach każdego typu znajdziecie filamenty o różnym stopniu twardości i elastyczności a dodatkowo możliwe jest jeszcze manipulowanie twardością drukowanego elementu np. przez zmianę ilości drukowanych ścianek i gęstości wypełnienia. Dobierając odpowiedni materiał do konkretnych zastosowań warto wspomóc się tabelką z początku tego artykułu i na jej podstawie wybrać twardość która nas interesuje. Oczywiście nic nie zastąpi wydruku testowego, ale jest wtedy duża szansa, że dobór będzie od razu odpowiedni.
Filamenty elastyczne różnych producentów, takich jak BASF, KIMYA, Ultimaker czy Polymaker, znajdziesz oczywiście w naszym sklepie:
Artykuł powstał na podstawie oryginalnej treści z serwisu All3DP: https://all3dp.com/2/flexible-3d-printing-filament-which-should-you-chose/
Musisz być Zalogowany aby napisać komentarz.