Kaj je TPU?
TPU ali termoplastični poliuretan je vrsta termoplastičnega elastomera (TPE), ki ga pogosto uporabljajo proizvajalci v avtomobilski, transportni, letalski in vesoljski industriji, industriji športnih izdelkov in medicinskih pripomočkov. TPU združuje visoko vzdržljivost plastičnih delov z elastičnostjo gumijastih delov, zaradi česar je idealen za aplikacije, kjer ga je treba večkrat upogniti ali stisniti.
Zaradi svoje elastičnosti se TPU pogosto uporablja kot modifikator udarcev za izdelke, kot so čelade, zaščitna embalaža, protivibracijski izdelki ter tesnila ali tesnilne mase. TPU ima tudi odlično odpornost proti obrabi in se uporablja v okoljih z visokim trenjem, kot so notranjost avtomobilov ali električni kabli in izolatorji. Pri uporabi v teh panogah, kjer je pogosto prisotno olje, se lahko na TPU zanesemo tudi zaradi njegove odpornosti na oljne madeže.
Kako so izdelani izdelki iz TPU?
Izdelki iz TPU so v vsakdanjem življenju vseprisotni, zaradi svoje priljubljenosti pa so idealni za množično proizvodnjo, najpogosteje s tradicionalnimi postopki brizganja. Številni izdelki, za katere mislimo, da so iz gume, so v resnici iz TPU.
Injekcijsko brizganje je stroškovno učinkovit način masovne proizvodnje delov, vendar ima omejitve glede geometrijske svobode in personalizacije. Brizgani deli so standardizirani za proizvodnjo v več sto tisoč do milijonskih količinah – zato v panogah, kot sta proizvodnja medicinskih pripomočkov ali športnih izdelkov, obstaja povpraševanje po alternativah, ki so primernejše za proizvodnjo v majhnih količinah ali prilagajanje po meri.
Množična proizvodnja prav tako ovira mala in zagonska podjetja, da bi svoje izdelke hitro spravila na trg, saj so pri zunanji proizvodnji odvisna od velikih industrijskih brizgalnikov.
Zakaj 3D tiskati TPU?
3D-tiskanje materialov TPU in TPE predstavlja priložnosti netradicionalnih delovnih postopkov za dele s kompleksnejšo geometrijo, personalizirane ali prilagojene modele, hitrejše ponovitve in oblikovanje ter stroškovno učinkovitejšo maloserijsko proizvodnjo.
Pri 3D tisku TPU obstajajo različne možnosti, vključno s tehnologijama taljenega nanašanja (FDM) in selektivnega laserskega sintranja (SLS). Z razvojem tehnologije 3D-tiskanja in materialov se je eksponentno povečalo število proizvajalcev, ki ta delovni postopek vključujejo v svoj proces.
3D tisk TPU omogoča krajši iterativni cikel za aplikacije hitrega prototipiranja ter možnosti prilagajanja za proizvodnjo delov za končno uporabo. V panogah, kjer je ena faza procesa razvoja izdelka tradicionalno oddana v zunanje izvajanje (običajno faza masovne proizvodnje), lahko 3D-tisk omogoči izboljšan in vertikalno integriran končni delovni proces.
3D tiskanje TPU lahko proizvajalcem pomaga tudi pri izpolnjevanju povpraševanja po prilagojenih in personaliziranih izdelkih. Glede na študijo družbe Deloitte je v nekaterih kategorijah več kot 50 % potrošnikov izrazilo zanimanje za nakup prilagojenih izdelkov ali storitev, pri čemer jih je večina pripravljena plačati več za prilagojen izdelek ali storitev. Za aplikacije pri katerih se običajno uporabljata TPU in guma kot so zaščitne naprave, čelade ali ortopedski vložki, so 3D-tiskani deli TPU kot nalašč za masovno personalizirane blazinice za čelade, ortopedske vložke, športno opremo, očala, slušalke ali ergonomske oprijemalne komponente za tehnične izdelke.
Formlabs TPU 90A omogoča personalizacijo glede na antropometrične podatke – na sliki prikazana po meri izdelana čelada
Kako 3D tiskati s TPU
TPU lahko 3D tiskamo s tehnologijama FDM ali SLS. Vsaka tehnologija ima edinstvene prednosti, zato je potrebno pred izbiro tehnologije ugotoviti, kaj je najboljše za vaš delovni proces.
| Tehnologija FDM | Tehnologija SLS | |
| Funkcionalna moč izdelka | ★★☆☆☆ | ★★★★★ |
| Resolucija | ★★☆☆☆ | ★★★★☆ |
| Natančnost | ★★★★☆ | ★★★★★ |
| Kvaliteta površine | ★★☆☆☆ | ★★★★☆ |
| Produktivnost | ★★☆☆☆ | ★★★★★ |
| Kompleksnost geometrije | ★★☆☆☆ | ★★★★★ |
| Preprostost uporabe | ★★★★★ | ★★★★☆ |
| Prednosti | -Nizka cena tiskalnikov in materialov -Hitro in enostavno za preproste in majhne dele | -Funkcionalni, močni, izotropni deli -Visoka produktivnost -Tisk brez podpor -Velika svoboda oblikovanja |
| Slabosti | -Deli so anizotropni, niso vodotesni ali funkcionalno močni -Omejena svoboda oblikovanja | -Rahlo hrapava površina |
| Aplikacije | -Poceni, hitro prototipiranje -Osnovni deli za dokazovanje konceptov | -Funkcionalno prototipiranje -Maloserijska proizvodnja končnih delov: tesnila, kolektorji, potrošniško blago, čevlji, protetika, ortotika |
3D tisk TPU s tehnologijo FDM
Izdelek iz TPU, natisnjen s tehnologijo FDM (vir: Hubs)
Za podjetja, ki želijo začeti s 3D tiskom TPU, je poceni tiskalnik FDM dobra izbira za osnovni delovni proces. Filament TPU je poceni in je lahko dober način za preizkušanje različnih konceptov in prototipov, zlasti če je končni cilj množična proizvodnja s tradicionalnimi metodami brizganja.
Vendar pa je TPU lahko zahteven material za 3D tisk na FDM tiskalnikih, saj lahko mehak in raztegljiv filament zlahka zamaši šobo, kar povzroči tehnične težave in manjšo uspešnost tiskanja. 3D tisk TPU na tiskalnikih FDM ponuja tudi omejeno svobodo oblikovanja, manj dimenzijsko natančne dele in vidne linije med plastmi.
Deli iz TPU, natisnjeni s tehnologijo FDM so anizotropni, kar pomeni, da niso enako močni v različnih oseh ali ravninah obremenitve – z drugimi besedami, če na del iz TPU, natisnjen s FDM, deluje sila v eni smeri, bo učinek drugačen kot pri uporabi iste sile iz druge smeri. Pri delih iz TPU, ki jih je treba pogosto vleči, raztezati, stiskati in zvijati, ta anizotropija predstavlja velik izziv za vsak del, ki mora biti funkcionalen, tudi v fazi izdelave prototipa.
TPU filamenti (materiali) za tiskalnike FDM
Številni proizvajalci tiskalnikov materialov ponujajo filamente TPU z različnimi lastnostmi materiala. Filamenti TPU za tiskalnike FDM so na splošno nekoliko trši elastični materiali, saj nudijo trdoto okoli 95A po Shore-u, vendar je to mogoče prilagoditi s spreminjanjem parametrov tiska ali same zasnove izdelka.
3D tisk TPU s tehnologijo SLS
Tehnologija 3D tiskanja SLS je idealna za zmogljivejše in bolj funkcionalne aplikacije, kot so funkcionalni prototipi za testiranje ali maloserijska proizvodnja izdelkov po meri za končno uporabo, kot so ortopedski vložki, blazinice za čelade in nosljivi izdelki. Uporabniki 3D-tiska SLS lahko izkoristijo izjemno trdnost in prožnost TPU-ja, da svoje izdelke hitreje spravijo na trg ali izboljšajo oskrbo bolnikov. Zaradi visoke odpornosti proti pretrgu so izdelki iz elastomerov močni, trajni in vzdržljivi, dostopnost namiznih sistemov SLS, kot je serija Fuse, pa omogoča nizke stroške na izdelek. Poleg tega nizke stopnje osveževanja prahu prispevajo k cenovni dostopnosti in razširljivosti sistema, saj povečujejo učinkovitost uporabe prahu in zmanjšujejo porabo še neuporabljenega prahu.
Deli iz TPU, natisnjeni s 3D tiskalniki SLS so idealni za aplikacije, pri katerih so za učinkovitost potrebne ali koristne zapletene geometrije. Samonosna narava tehnologije SLS pomeni, da podporne strukture niso potrebne, zato je možen tisk zapletenih geometrij z notranjimi kanali, mrežami ali harmonikastimi strukturami. V aplikacijah, kot so zaščitna naglavna oblačila ali vložki in ortopedski vložki za obutev, gumijaste mrežaste strukture omogočajo visoko tlačno trdnost, kar povečuje učinkovitost izdelka.
Materiali TPU za tiskalnike SLS
Obstaja več sistemov selektivnega laserskega sintranja (SLS), ki ponujajo material TPU v prahu. Številni od teh sistemov so veliki industrijski stroji z zapletenimi infrastrukturnimi zahtevami, kot so prezračevalni sistemi, velika površina stroja ali zahteve po več vezjih in električni napeljavi. Z uvedbo dostopnejših sistemov SLS, kot je serija Fuse podjetja Formlabs, je 3D-tiskanje TPU na sistemih s prašno tehnologijo dostopnejše in cenovno ugodnejše.
Prah TPU 90A podjetja Formlabs je varen za kontakt s kožo, kar odpira priložnosti na področju nosljivih izdelkov in medicinskih pripomočkov, kjer varnostni predpisi omejujejo uporabo številnih 3D natisnjenih delov. S TPU 90A lahko inženirji in oblikovalci v enem delovnem postopku izkoristijo svobodo oblikovanja 3D tiska, visoko odpornost proti pretrgu in razteznost gume ter lastnosti, varne za kožo, ki jih imajo številni tradicionalno oblikovani termoplasti.
3D tiskanje TPU s Formlabsovim prahom TPU 90A na tiskalnikih serije Fuse je preprosto in se zlahka vključi v obstoječi delovni proces SLS ali pa je prvi SLS material, s katerim začnete. Material za tisk ne potrebuje inertne atmosfere, kot nekateri drugi materiali SLS.
Poleg tega se pri materialu TPU na tiskalnikih serije Fuse ne uporablja Surface Armor (polsintrana lupina okoli delov v trših prahih), zato je postopek odstranjevanja prahu zelo preprost z uporabo stroja za naknadno obdelavo Fuse Sift. Čeprav TPU 90A nima Surface Armorja, je še vedno priporočljivo peskanje, da se z delov odstrani ves odvečni prah. Preklop že obstoječega tiskalnika serije Fuse na TPU 90A je sicer mogoč, a Formlabs vseeno priporoča ločen Fuse Sift in ločeno komoro za tisk.
Aplikacije za 3D tisk TPU
Za tradicionalno proizvodnjo delov iz TPU obstajajo preverjeni delovni postopki, ki so še vedno primerni za masovno proizvodnjo gumenih izdelkov. Vendar je 3D tiskanje TPU odlična alternativa v številnih primerih, med drugim tam, kjer je potrebna hitrost ali enostavnost uporabe, za hitro izdelavo prototipov in pri aplikacijah izdelkov po meri. Od začetka postopka oblikovanja, kjer so potrebni hitri prototipi, do končnih zasnov za dele za končno uporabo, lahko 3D-tiskanje TPU omogoči hitrejše in učinkovitejše delovne postopke, ne da bi pri tem žrtvovali mehanske lastnosti ali kvaliteto.
Hitra izdelava prototipov
3D tisk s TPU vam omogoča, da v lastnem podjetju izdelate prototipe, skrajšate čas izdelave in zmanjšate stroške pri izdelavi delov pri zunanjih izvajalcih.
Na primer, za izdelavo prototipa športne čelade je potrebno izdelati trdo lupino in mehko oblazinjenje v njej. Inovativna podjetja si prizadevajo oblikovati nove mrežaste strukture in tehnologijo za preprečevanje udarcev za te blazine, za kar se TPU vrhunsko obnese.
Vendar pa je eksperimentiranje z novimi oblikami in geometrijami pri tradicionalnih metodah izdelave orodij zelo drago, naročanje pri zunanjih izvajalcih pa lahko traja več tednov. Možnost uporabe enega delovnega postopka in ene vrste tehnologije za trdo zunanjo lupino in mehko notranjo blazino pomeni, da lahko ti inovatorji veliko hitreje izvajajo izboljšave. Te čelade bodo morale opraviti obsežna testiranja, zato bo za en krog testiranja potrebnih deset blazinic. Te količine so prevelike za natančno ročno izdelavo blažilne površine, vendar premajhne, da bi bilo tradicionalna izdelava iz TPU stroškovno učinkovita. Rešitev je 3D tiskanje v podjetju.
Formlabs Fuse tiskalniki lahko brez težav natisnejo več iteracij gumijastih mrežnih struktur iz materiala TPU 90A. S spreminjanjem zasnove samega dela, na primer s spreminjanjem debeline stene, lahko izdelate dele z različnimi stopnjami trdote za različne aplikacije ali kot iteracije po testiranju.
Delovni postopek serije Fuse vam omogoča dostop do več materialov, ki pokrivajo širok razpon mehanskih lastnosti. To vam omogoča, da razvoj in proizvodnjo ohranite v lastni režiji ter z eno tehnologijo izdelate več različnih vrst sestavnih delov. Material TPU 90A omogoča izdelavo povsem novih izdelkov, ki jih je možno prototipirati s pomočjo 3D tiska na zanesljivih tiskalnikih serije Fuse.
TPU 90A material je idealen za izdelavo funkcionalnih in fleksibilnih prototipov
Pripomočki za proizvodnjo
Če se ne ukvarjate s proizvodnjo izdelkov, boste morda težko razbrali razliko med vrstami proizvodnih pripomočkov. Bistvo pa ostaja enako, ne glede na to, ali govorite o pripravku, nosilcu, ohišju ali enem od številnih drugih načinov, kako se stroji držijo skupaj – ko ga potrebujete, ga resnično potrebujete. TPU je odgovor na težavo, s katero se soočajo številni proizvajalci: kako preprečiti, da bi se njihova milijonska proizvodna tehnologija preveč obrabila.
Mehki proizvodni pripomočki lahko pomagajo podaljšati življenjsko dobo težkih strojev, tako da ublažijo določene udarce ali zagotovijo oprijemalo popolne oblike. Ko se po letih ponavljajoče se uporabe raztrgajo tesnila, lahko operater takoj natisne nadomestni del in proizvodna linija v nekaj urah ponovno zaživi, namesto da bi na nov del čakal dneve ali tedne.
Dodajanje zmogljivosti za material je za proizvajalce dodatno zavarovanje – ščiti jih pred nepričakovanimi izpadi zaradi okvarjenih sestavnih delih strojev. Na več mehanskih lastnosti kot se lahko zanesejo v podjetju, bolj se zaščitijo pred zamudami v dobavni verigi in visokimi stroški popravil pri proizvajalcih originalne opreme. Z gumijastimi 3D natisnjenimi deli je zdaj mogoče po potrebi popraviti ali zamenjati povsem novo podskupino sestavnih delov opreme. Izogibanje ustavitvi proizvodne linije ali procesa lahko prihrani na tisoče evrov na dan.
TPU se lahko uporablja za blažilnike vibracij pri testiranju v avtomobilski in letalski industriji ter za pripravke za industrijske procese, kot je termoformiranje unikatnih delov. V avtomobilskih tovarnah veliki robotski sistemi delujejo na nosilcih, ki se morajo upogibati in vrteti. Po meri izdelane blazine in mehka ohišja lahko tem strojem pomagajo omejiti trenje in podaljšajo njihovo življenjsko dobo.
3D natisnjen jermen iz materiala TPU 90A
Maloserijski deli in izdelki po meri, pripravljeni za nošenje
V športni in modni industriji je ponujanje možnosti personalizacije nujno za blagovne znamke, ki želijo pridobiti večji tržni delež. Zaradi stroškov, povezanih z orodji, je bila maloserijska ali enkratna proizvodnja skoraj nemogoča, dokler ni dostopno 3D tiskanje teh možnosti omogočilo.
Še vedno pa je bila večina 3D tiskanih materialov preveč togih za trg športnih in nosljivih izdelkov, do prihoda TPU. Od podplatov za čevlje, ki jih je mogoče prilagoditi natančnemu odtisu noge in porazdelitvi teže, do nogometnih čelad, izdelanih tako, da preprečujejo udarce, in traku za uro, oblikovanega za vaše zapestje – možnosti so neomejene.
Medicinski pripomočki
3D tiskani TPU je zaradi izjemne vzdržljivosti in žilavosti idealen za protetiko, ortotiko in medicinske pripomočke. Možnost 3D tiskanja prožnih in močnih delov za končno uporabo ustvarja nove priložnosti za medicino, saj združuje visoko odpornost na trganje in raztezek ob pretrganju gumijastih materialov s svobodo oblikovanja in vzdržljivostjo 3D tiskanja SLS.
TPU je prožen elastomer, zato je idealen za 3D tiskanje medicinskih delov, kot so:
- prototipi medicinskih pripomočkov ter končni medicinski pripomočki in sestavni deli
- ortopedske blazinice in protetične podloge
- nosljivi izdelki, tesnila, odbijači in cevi
- ščitniki, čelade za preoblikovanje lobanje
- športni in korekcijski vložki
Čeprav 3D tiskanje vztrajno prodira v zdravstvo, gre za področje, ki ga omejujejo stroge zahteve za materiale – tako glede varnostnih certifikatov kot tudi njihova trdnost in mehanske lastnosti. 3D tiskanje TPU odpira nove možnosti za različne aplikacije tako v zdravstvu kot tudi drugje.
Za več informacij o Formlabs ponudbi, lahko obiščete našo spletno stran. Ali pa nas kontaktirajte na info@ib-caddy.si ali telefonsko številko 01 566 12 55.