Авторы: И.Ю. Булич¹, Т.В. Баранов¹, П.А. Петров¹*, Н.С. Шмакова², И.А. Чмутин²¹ Московский политехнический университет, г. Москва, Россия

² Технологический центр коллективного пользования АО «Технопарк Слава», г. Москва, Россия

e-mail *petrov_p@mail.ru

Термопластичный полиуретан (принятое сокр. ТПУ, TPU и др. по ГОСТ 34376.1‑2017 [ISO 16365‑1:2014]) — инженерный полимерный материал, относящийся к термопластичным эластомерам (ТПЭ) класса эластомеров [1].

В ГОСТ 34376.3‑2017:

— рассматриваются требования к способам изготовления образцов для испытания и методы определения свой­ств термопластичных полиуретанов, предназначенных для формования (литья под давлением) и экструзии;

— перечислены показатели и методы испытаний, которые пригодны и необходимы для характеристики материалов на основе ТПУ;

— выделены показатели, имеющие существенное значение для материалов на основе ТПУ и разделенные на две группы для их классификации — типовые и особые свой­ства (таблица 1).

Критерий разделения в классификации — значение твердости по Шору,  шкала D. Выделено два диапазона — ≤65 и >65. В таблице 1 отмечено: «+» — свой­ство определяется и «х» — свой­ство не определяется.

В зависимости от конкретного применения могут использоваться термопластичные полиуретаны с различным набором свой­ств и характеристик. По данным компании «Пластик-Текнолоджиз» (Республика Беларусь) [2], ТПУ могут рассматриваться как материалы-­заместители следующих пластмасс и резин (таблица 2).

ТПУ имеет распространение для изготовления изделий методом экструзионной аддитивной технологии (FFF/FDM). Рассмотрим особенности выбора режима 3D-печати термопластичным полиуретаном различной твердостью по Шору: от 30 единиц Шора А до 80 единиц Шора D.

Из открытых источников (сайты производителей ТПУ-филамента; сайты производителей 3D-принтеров) и по результатам 3D-печати авторов статьи составлен обзор возможных режимов 3D-печати ТПУ-пластиков с разной твердостью по Шору (таблицы 3–5). Выбор режима определяется:

— конструкцией корпуса 3D-принтера: открытая (без корпуса), закрытая (с корпусом; данные о типе термокамеры отсутствуют);

— типом подачи материала: bowden, direct;

— твердостью ТПУ по Шору: шкала А или D.

Твердость по Шору в таблице 5 определена на напечатанных образцах с применением твердомера ТВР-А (шкала А) и ТВР-D (шкала D) компании «Восток-7». 

Режим 3D-печати соответствует изготовлению образцов для проведения испытаний на растяжение, испытаний на твердость и определения диэлектрической проницаемости образцов ТПУ.

Механические свой­ства исследовались на универсальной испытательной установке Tinius Olsen 50ST двухколонного типа с максимальной нагрузкой 50 кН (5000 кгс). Диэлектрическая проницаемость ТПУ-пластика после его обработки по экструзионной технологии оценивалась методом широкодиапазонной диэлектрической спектроскопии с использованием прецизионного измерителя LRC в диапазоне частот от 20 Гц до 5 МГц [3].

Определение температуры стеклования (таблица 5) выполнено методом дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) для образцов исходного филамента диаметром 1,75 мм. Испытания по определению свой­ств проводились на оборудовании компании Mettler Toledo. Режим проведения испытаний: нагрев в диапазоне –80°С — 300°С (в зависимости от состава полимерного материала) со скоростью 20 К/мин в среде N2.

Режимы 3D-печати, представленные в таблице 5, применялись для изготовления образцов ТПУ разной твердости для измерения электрических свой­ств (частично результаты этих исследований приводятся в статье [3]) и исследования структуры полученных образцов. Исходными данными для экструзионной аддитивной технологии является 3D-модель, интерпретируемая в слайсере как набор конструктивных элементов: оболочек (внутренний и внешний периметр), заполнения, перекрытий (пересечений), специальных элементов (крышка, дно, тип адгезии к столу 3D-принтера). Настройки выбранного режима 3D-печати позволяют (таблицы 3–5):

— сформировать конструктивные элементы изделия (группа геометрических параметров, задаваемых в слайсере);

— учесть кинематику выбранного для работы 3D-принтера (группа параметров, связанных со скоростными условиями работы 3D-принтера);

— учесть механику и реологию деформируемого термопластичного материала (термомеханические параметры, параметры ретракта, потока и т. п.).

Проиллюстрируем влияние вышеназванных параметров на формируемую структуру образцов, предназначенных для измерения электрических свой­ств; 

форма образцов показана на рис. 1, их размеры — диаметр 20,00 мм, толщина 1,0 мм. Материал образцов — ТПУ Titi Flex Spring PrintProduct (см. режим 3D-печати в таблице 5).

Дополнительные настройки режима 3D-печати образцов показаны в таблице 6. Увеличение высоты слоя в сочетании с увеличением ширины линий нижнего слоя уменьшают время изготовления образца и, как видно из рис. 2, ухудшают качество структуры изготовленного образца при прочих равных условиях (равные значения параметра «поток» — см. таблицу 5). В точках 1 и 2 изучается структура в двух сечениях каждого из двух образцов: поперечном сечении А-А и продольном сечении, совпадающем с верхней торцевой поверхностью образца.

Рис. 1. Форма образцов в слайсере

Рис. 2. Структура образцов после экструзионной 3D-печати

Сопоставление размеров характерных элементов структуры образцов — в слайсере и после их замера с помощью микроскопа (кратность увеличения 4Х) — показывает некоторый разброс значений ширины линий для физического образца (таблица 7). Наиболее значимое отклонение наблюдается при формировании высоты слоя, равной 0,3 мм, что, по всей видимости, и является причиной увеличения несплошности структуры для образца, изготовленного по режиму 2.

Для режимов 1 и  2 характерна почти прямоугольная форма нитей в первом слое образца, что связано с постоянным контактом с подогреваемой рабочей платформой во время 3D-печати и деформацией слоев по высоте, обеспечиваемой соплом. Высокоэластичное состояние ТПУ в выбранных условиях 3D-печати обеспечивает его текучесть и формирование геометрии образца, требуемого для измерений. ■

Литература

1. Legge N.R. Thermoplastic Elastomers — Three Decades of Progress / N.R. Legge // Rubber Chem. Technol. 1989. Vol. 62. № 3
2. Термопластичные эластомеры. [Электронное издание] URL: https://ptl.by/index.pl?act=PRODUCT&id=50 (дата обращения: 20.06.2024).
3. Поляков К.А., Баранов Т.В., Булич И.Ю., Петров П.А., Шмакова Н.С., Чмутин И.А. Электрические свой­ства ТПУ-пластика после 3D-печати по экструзионной технологии // Аддитивные технологии. 2024. № 2. С. 58–65.

Источник журнал "Аддитивные технологии" № 3-2024