- Introduction
- Classification du TPU
- Avantages et inconvénients du matériau TPU
- Les propriétés du matériau TPU (Comparaison avec le PLA)
Aperçu
Alors que l’impression 3D continue de révolutionner les processus de fabrication dans tous les secteurs, le choix des matériaux joue un rôle essentiel pour obtenir des résultats optimaux. L’un de ces matériaux qui a retenu beaucoup d’attention est le polyuréthane thermoplastique (TPU). Caractérisé par sa combinaison unique de flexibilité, de durabilité et de polyvalence, le TPU est devenu un choix privilégié pour créer des objets imprimés en 3D fonctionnels et complexes. Dans cet article, nous approfondissons les propriétés du matériau TPU et explorons comment il présente ses capacités dans le domaine de l'impression 3D.
Qu'est-ce que le matériau TPU ?
Introduction
Le polyuréthane thermoplastique (TPU) est un matériau avancé qui a trouvé de nombreuses applications dans l'impression 3D. Il s'agit d'un matériau élastomère thermoplastique dont les propriétés se situent entre les plastiques et le caoutchouc. Il s'agit essentiellement d'un copolymère séquencé dont la structure chimique consiste en des séquences alternées de segments durs et mous formés par la réaction du diisocyanate avec un diol à chaîne courte (appelé allongeur de chaîne) et du diisocyanate avec un diol à chaîne longue. Il présente non seulement une durabilité et une flexibilité élevées, mais présente également une bonne résistance à l'usure, une bonne résistance à la chaleur et d'excellentes propriétés chimiques, lui permettant de maintenir ses performances et sa stabilité dimensionnelle sur une large plage de températures. En outre, il présente également une bonne résistance à l'huile, aux solvants et aux produits chimiques, et peut résister à l'érosion et à la dissolution de divers produits chimiques. Dans l'impression 3D, en tant qu'élastomère thermoplastique pouvant être traité par fusion, le TPU peut être converti en structures tridimensionnelles complexes grâce à la modélisation par dépôt fondu (FDM) ou au frittage sélectif au laser (SLS) et à d'autres techniques de traitement thermoplastique. Grâce à une excellente combinaison de propriétés physiques, chimiques et thermiques ainsi qu’à son caractère respectueux de l’environnement, le TPU est devenu un matériau de choix pour les applications d’impression 3D dans diverses industries. Les ingénieurs, fabricants et concepteurs de tous les secteurs privilégient de plus en plus le TPU pour ses propriétés uniques et ses attributs écologiques.
Classification du TPU
Le TPU (Polyuréthane Thermoplastique) est un matériau polymère élastique utilisé dans l'impression 3D. Le TPU peut être classé en différents degrés de dureté en fonction de l'échelle du duromètre Shore. Le test de dureté Shore mesure la dureté des matériaux élastiques tels que le caoutchouc, les polymères et les élastomères. Une valeur Shore plus élevée indique un matériau plus dur. Les filaments TPU utilisés dans l'impression 3D ont généralement une dureté Shore allant de 85A à 95A, certains types spéciaux de filaments TPU ayant une dureté Shore de 40A à 85A. Ils peuvent être classés comme suit :
- TPU souple (Shore 85A-88A) : Extrêmement flexible et élastique. Peut être étiré jusqu'à 700 à 1 000 % de sa longueur d'origine. Généralement utilisé pour imprimer des composants nécessitant une grande flexibilité, tels que des coques de téléphone et des bracelets de montre.
- TPU moyen (Shore 90A) : Possède une bonne flexibilité et durabilité. Peut être étiré à environ 500 % de sa longueur d'origine. Utilisé pour les composants de drones, les inserts orthopédiques, les équipements sportifs, etc. Il s'agit du type de TPU le plus couramment utilisé dans l'impression 3D.
- Hard TPU (Shore 95A) : Toujours flexible mais plus rigide. Étirement maximum d'environ 200 à 300 % de la longueur originale. Convient aux applications qui nécessitent un certain degré de flexibilité ainsi qu'un support, par exemple les boîtiers électroniques, les semelles intérieures, les jouets, les poignées, etc.
Le large réglage du duromètre du TPU provient de sa structure unique en copolymère bloc avec une alternance de segments durs et souples, permettant différents niveaux de douceur, de dureté et de propriétés haptiques. La dureté Shore du PLA est étroitement liée à sa structure chimique et est difficile à améliorer par des moyens élémentaires. Par conséquent, le TPU est un choix idéal lorsqu’un toucher subtil, un réglage étendu du duromètre et une haute résilience sont requis. Le PLA est plus approprié lorsqu’une dureté et une intégrité structurelle plus élevées sont nécessaires.
Avantages et inconvénients du matériau TPU
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AVANTAGES |
LES INCONVÉNIENTS |
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Excellente liaison couche à couche |
Difficile pour les novices de réussir à imprimer |
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Doux et flexible |
Peut ne pas fonctionner correctement sur certaines extrudeuses |
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Fort allongement à la rupture |
Coût matériel plus élevé |
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Excellente résistance mécanique |
Mauvaise résistance à l'hydrolyse |
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Bon anti-âge |
Difficile de post-produire |
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Écologique |
Les propriétés du matériau TPU (comparer avec le PLA)
En tant que matériau respectueux de l'environnement positionné entre le caoutchouc et le plastique, le matériau TPU possède de nombreuses caractéristiques inégalées par rapport au filament d'impression 3D PLA, ce qui en fait un choix préférable pour certaines applications.
Flexibilité et élasticité
Le TPU est réputé pour son excellente flexibilité et élasticité. En tant que matériau élastomère thermoplastique, le TPU présente une élasticité élevée en raison de sa structure de chaîne moléculaire lâche et de ses faibles interactions secondaires telles que la liaison hydrogène. Pendant l'étirement, les segments souples du TPU peuvent s'étendre et se déplacer sans se rompre directement, conférant au TPU une déformabilité plastique et une ténacité supérieures. Son allongement à la rupture varie généralement de 200 % à 1 000 %, dépassant de loin celui du PLA.
En revanche, le PLA est un matériau polyester thermoplastique biodégradable et un plastique relativement rigide. En raison de sa structure de chaîne rigide unique avec un manque de mobilité de la chaîne, le PLA subit facilement une fracture fragile lors de la déformation. L'allongement à la rupture du PLA se situe généralement entre 5 et 10 %, ce qui indique sa déformabilité plastique limitée. Par rapport au PLA, la structure chimique unique du TPU en fait un choix de matériau idéal pour l'impression 3D de pièces souples, qui peuvent obtenir une sensation plus douce et plus naturelle que le PLA.
Résistance exceptionnelle aux chocs
Le TPU présente un certain degré de réticulation des chaînes et de fortes interactions intermoléculaires reliant les chaînes, les rendant très résistantes au déplacement ou à la rupture de leurs positions fixes par les contraintes appliquées. Par conséquent, le TPU présente une résistance élevée aux chocs et peut absorber des énergies d’impact importantes sans défaillance. En revanche, le PLA, plus fragile, présente une résistance aux chocs plus faible.
Haute résistance à la traction
Le TPU présente généralement une résistance à la traction comprise entre 20 et 100 MPa, dépassant largement celle des matériaux en caoutchouc conventionnels. Ceci est attribué à la présence de domaines de segments durs dans le TPU qui peuvent résister à des contraintes importantes sous des charges appliquées. Sous l'effet tampon des domaines de segments souples, le TPU est moins susceptible de tomber en panne prématurément et conserve son intégrité sous de grandes déformations. En comparaison, le PLA a une résistance à la traction inférieure de 50 à 70 MPa, limitant ses applications. En résumé, le TPU démontre une résistance à la traction supérieure par rapport aux caoutchoucs conventionnels et au PLA, permettant des applications plus larges.
Haute résistance à l'usure
Les chaînes moléculaires du TPU interagissent via une liaison hydrogène renforcée et les forces de Van der Waals, améliorant sa force de cohésion et offrant au TPU une résistance à la déchirure élevée de 10 à 80 kN/m. Cela rend les pièces moulées en TPU moins sujettes aux fissures pendant le service. En revanche, le PLA présente une résistance à la déchirure de seulement 5 kN/m, nettement inférieure à celle du TPU. Ainsi, le TPU présente une résistance à l’usure nettement supérieure à celle du PLA, en raison de ses fortes interactions intermoléculaires et de sa force de cohésion élevée.
Excellente résistance à la fatigue
Les chaînes segmentaires du TPU peuvent s'étirer et se déformer considérablement, retrouvant leur conformation initiale lors de la suppression des contraintes. Cela leur permet de résister à plusieurs reprises à de grandes déformations. Simultanément, les connexions inter-chaînes restent fermement adhérées grâce à des forces intermoléculaires robustes, moins sujettes à la rupture sous charge cyclique. Ainsi, le TPU démontre une résistance marquée à la fatigue et une durabilité améliorée. En revanche, le PLA présente une endurance à la fatigue inférieure en raison du glissement de la chaîne moléculaire.
Résistance supérieure aux acides et aux alcalis
Le TPU contient des liaisons hydrogène polaires et de fortes interactions intermoléculaires, ce qui lui confère un réseau tridimensionnel compact résistant à l'érosion et à la dégradation par les solvants acides et alcalins. En revanche, le PLA est susceptible de glisser dans sa chaîne dans des conditions acides et alcalines en raison de forces intermoléculaires plus faibles, compromettant ainsi sa stabilité. Ainsi, le TPU présente une résistance aux acides et aux alcalis nettement plus grande, conservant ses propriétés lorsqu'il est exposé à long terme à des solutions de pH 3 à 9.
Résistance améliorée à l’huile et aux solvants
La structure tridimensionnelle dense du TPU empêche la perméation et l'action de nombreuses molécules de solvants chimiques, conférant au TPU une haute résistance à de nombreux solvants courants. La structure ouverte et les faibles forces intermoléculaires du PLA le rendent facilement dissous et pénétré par de nombreux solvants organiques. Par conséquent, le TPU est plus adapté aux environnements impliquant des huiles et des solvants organiques.
Résistance supérieure à l’oxydation
Le TPU contient des antioxydants pour empêcher l'oxydation, et sa structure moléculaire compacte rend difficile la pénétration des molécules d'oxygène, améliorant ainsi sa résistance aux oxydants. Sans antioxydants ajoutés et avec une structure ouverte permettant la pénétration de l'oxygène, le PLA est sujet à la scission de chaîne et à la dégradation lors de l'oxydation. Ainsi, la résistance à l’oxydation et la durée de vie du TPU dépassent de loin celles du PLA.
Résistance améliorée aux radiations
La structure dense et les interactions intermoléculaires robustes du TPU rendent ses chaînes moléculaires difficiles à impacter et à détruire directement par l'énergie du rayonnement. Les forces intermoléculaires plus faibles du PLA le rendent susceptible à la scission et à la dégradation des chaînes moléculaires sous rayonnement. Par conséquent, le TPU démontre une plus grande résistance aux radiations et une plus grande stabilité à l’irradiation que le PLA.
Les paramètres d'impression 3D les plus appropriés (prenons le matériau SUNLU TPU comme exemple )
Contrairement aux matériaux d'impression 3D rigides conventionnels tels que l'acide polylactique (PLA), la nature hautement élastique et flexible du TPU pose de plus grands défis aux processus d'impression 3D, en particulier pour ceux qui ont une expérience limitée, et pourrait facilement entraîner des impressions infructueuses.
Pour obtenir des résultats optimaux en impression 3D avec TPU, le filament SUNLU TPU est utilisé ici comme étude de cas pour les paramètres recommandés et les considérations clés qui sont les suivantes :
Paramètres d'impression :
- Température d'extrusion : :205-230°C. Des températures plus élevées dans cette plage peuvent garantir une fusion suffisante du TPU.
- Multiplicateur d'extrusion : 1,05 à 1,15 fois. Pour l'extrusion distale, la vitesse d'impression est de 20 à 30 mm/s et la vitesse de rétraction est de 10 à 20 mm/s. Pour l’extrusion proximale, des vitesses d’impression conventionnelles peuvent être utilisées, et la vitesse peut être réduite de manière appropriée de 15 à 25 % pour les modèles plus complexes. La vitesse de rétraction est réduite de 10 à 20 % par rapport à la vitesse normale. Des vitesses plus lentes dans ces plages permettent un flux suffisant de TPU et augmentent le taux de réussite.
- Largeur d'extrusion : 0,40+/-0,02 mm. Diamètre du filament : 1,75 +/-0,10 mm. Les réglages doivent être déterminés de manière globale en fonction des paramètres de la tête d'extrusion. Les tailles trop grandes au-delà de ces tolérances sont difficiles à contrôler.
- Utilisez des têtes d'extrusion spéciales pour le matériau TPU, telles que des doublures en filament TPU de 0,6 mm de diamètre. Les têtes d'extrusion conventionnelles peuvent potentiellement provoquer un colmatage et compromettre la qualité d'impression.
- Évitez l'adhérence du lit d'impression. Utilisez du treillis en acier, du papier adhésif double face ou des feuilles de PET pour faciliter le démoulage.
Considérations clés:
- Les extrusions proximales sont recommandées en raison de leurs avantages inhérents à l’alimentation en filament flexible.
- Désactivez le ventilateur pour contrôler la chute de température du modèle à moins de 5°C/min. Utilisez une imprimante fermée pour éviter que l'humidité n'affecte la qualité d'impression.
- Limitez la hauteur du modèle. Une hauteur excessive au-delà de cette valeur de référence est susceptible de osciller au sommet, affectant le taux de réussite.
- Les matériaux TPU doivent être scellés et stockés dans un environnement sec et ventilé avec une humidité relative inférieure à 60 % pour éviter les dommages causés par l'humidité.
Lorsqu'elles sont mises en œuvre de manière appropriée, ces recommandations et considérations clés peuvent contribuer à permettre une impression 3D de haute qualité avec des matériaux TPU flexibles tels que le filament SUNLU TPU.
Application du matériau TPU
Grâce à sa structure chimique unique et à ses excellentes propriétés physiques et mécaniques, le TPU a été largement utilisé dans de nombreux domaines. Cela se traduit principalement par :
- Fabrication de chaussures
Le TPU possède une élasticité et une résistance à l’abrasion supérieures, ce qui en fait un matériau optimal pour les semelles et les dessus des chaussures. De grandes marques de sport telles qu'Adidas et Nike utilisent le TPU dans la fabrication des semelles, des tiges et de divers autres composants de chaussures de course pour améliorer le confort, le soutien et la durabilité tout en offrant une expérience de port hautement élastique et ergonomique aux utilisateurs finaux. De plus, le TPU peut être fabriqué selon des géométries complexes pour répondre à diverses exigences de conception.
- Équipement sportif
La résistance supérieure à la traction, l'allongement à la rupture et la durabilité du TPU le rendent largement utilisé dans la production de divers équipements sportifs tels que des kayaks, des pneus et des guidons de vélo, des ancres d'escalade, des lunettes de natation, des bottes de snowboard et des coussinets de gymnastique pour améliorer la sécurité. stabilité et ergonomie. Un tel équipement présente une excellente résistance à l’abrasion et une durée de vie prolongée. La souplesse et l'élasticité exceptionnelles des matériaux TPU peuvent atténuer efficacement les forces d'impact. Le TPU peut également être fabriqué dans une large gamme de géométries et de dimensions pour répondre aux exigences de différentes applications sportives.
- Plastiques techniques
En raison des propriétés physiques et mécaniques supérieures des matériaux TPU, ils peuvent constituer une alternative viable aux métaux pour les plastiques techniques tels que les engrenages, les roulements, les bagues et les raccords de tuyauterie, afin d'obtenir un poids léger et une durabilité concomitants. Malgré leur flexibilité, les composants imprimés en TPU 3D démontrent également une résistance élevée aux chocs, aux contraintes et à la fatigue.
- Industrie automobile
La souplesse tactile, la résistance aux intempéries et la résistance chimique du TPU en font un choix optimal pour les composants intérieurs automobiles. Il est largement utilisé dans les housses de volant, les pommeaux de levier de vitesse, les tableaux de bord, les panneaux de porte, etc. Ces pièces présentent une durabilité robuste et la capacité de résister à des conditions difficiles telles que la chaleur et le froid extrêmes. Une résistance aux chocs et une élasticité supérieures augmentent également la sécurité des véhicules
- Médical et soins de santé
La biocompatibilité et la flexibilité du TPU en font un constituant essentiel des dispositifs médicaux et des produits de santé tels que les masques à oxygène, les cathéters, les supports orthodontiques, les fauteuils roulants et les béquilles. Ces dispositifs démontrent une excellente biocompatibilité et un potentiel négligeable d’effets indésirables chez les sujets humains. Ils peuvent également être fabriqués dans diverses géométries et dimensions pour satisfaire diverses applications médicales. De plus, ils présentent une durabilité et une capacité à résister à une utilisation prolongée et à des conditions difficiles.
- impression en 3D
La souplesse et la résistance des matériaux TPU leur confèrent une imprimabilité 3D supérieure. Par exemple, le matériau SUNLU TPU est largement utilisé dans les semelles de chaussures imprimées en 3D, les étuis de téléphones portables, les composants de drones et les sacs. Leurs articles imprimés en 3D présentent des géométries complexes, une légèreté et une élasticité élevée. Les matériaux TPU démontrent également une robuste résistance aux acides et aux alcalis ainsi qu’une résistance exceptionnelle à la corrosion. Des nécessités quotidiennes aux projets de mode, tout peut être imprimé en 3D.
Conclusion
En résumé, les applications généralisées des matériaux TPU justifient leurs performances supérieures et leur immense potentiel dans le domaine des matériaux avancés. En raison de ses propriétés uniques et de sa polyvalence, le TPU est devenu un matériau inestimable pour l’impression 3D. En particulier, le SUNLU TPU présente une flexibilité, une durabilité et une résistance chimique prééminentes, ce qui en fait le matériau de choix pour les utilisateurs finaux. En comprenant les paramètres d'impression spécifiques du SUNLU TPU et en tirant parti de ses avantages, les amateurs peuvent libérer le potentiel du TPU dans les activités d'impression 3D. Qu'il s'agisse de biens de consommation, de composants industriels ou de dispositifs médicaux, les matériaux SUNLU TPU permettent de nouvelles conceptions et applications et catalysent des produits plus innovants. Avec le développement soutenu des technologies d’impression 3D, le TPU jouera un rôle central dans l’élaboration et la propulsion de l’avenir de la fabrication additive.
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