Magia elastycznych materiałów i skala Shore'a

23. 05. 2023

Jako początkujący użytkownik drukarki 3D, swoje pierwsze kroki skierujesz prawdopodobnie w stronę filamentów takich jak PLA, ABS lub ASA. Są one generalnie łatwe w druku i mają praktyczne funkcje. Jednak prędzej czy później natkniesz się na termin materiały elastyczne - są to elastyczne filamenty, które otwierają nowe zastosowania. Istnieją plotki na temat tych filamentów, które mogą zniechęcić niejednego fana druku 3D. Drukowanie za ich pomocą może być trudniejsze, więc nie są one odpowiednie dla początkujących. Czasami trzeba dostosować ustawienia drukarki do potrzeb filamentu. A rozpoczęcie pracy czasami kończy się niepowodzeniem. Ale uwierz mi, szkoda byłoby zostawić elastyczne filamenty w szufladzie i przegapić ich magię. A to dlatego, że materiały te łączą w sobie dwie istotne właściwości: są elastyczne i wytrzymałe jednocześnie. Stopień elastyczności jest określany przez Skalę Shore'a, do której przejdziemy później, ale jeśli jesteś niecierpliwy, możesz dowiedzieć się więcej na ten temat tutaj.

Cud zwany flexible filament

Wystarczy rozejrzeć się dookoła, by natychmiast zdać sobie sprawę z tego, jak powszechnym materiałem jest guma. Czy to w praktycznych przedmiotach gospodarstwa domowego, czy w przemyśle. Dzięki elastycznym materiałom można drukować różne prototypy, formy do wzorów, różne uszczelki i osłony, opony do modeli RC, a nawet małe ulepszenia do drukarek, takie jak gumowe nóżki. Wszystkie te produkty mają te same wymagania - być elastyczne, giętkie i kształtne do pewnego stopnia, ale także odporne na uszkodzenia mechaniczne.

Na początek trochę teorii

Na rynku filamentów natkniemy się głównie na dwie nazwy - TPE oraz TPU. Skrót TPE pod spodem to nazwa materiału termoplastycznego elastomeru (czasami można spotkać nazwę kauczuk termoplastyczny), podczas gdy skrót TPU jest używany dla termoplastycznego poliuretanu. Włókno TPE jest w rzeczywistości grupą nadrzędną, do której należy materiał TPU. Materiały te są wytwarzane przez połączenie twardych polimerów plastikowych (którymi mogą być na przykład PP - polipropylen, PA - poliamid lub PU - poliuretan) i miękkich materiałów (takich jak polieter).

Można się zastanawiać, na czym polega magia stojąca za tak dobrą elastycznością elastycznych materiałów. Odpowiedzią jest duża przyczepność poszczególnych warstw. Dzięki temu modele wydrukowane z tych materiałów są elastyczne i nie łamią się tak łatwo, jak w przypadku innych nieelastycznych materiałów.

Gdzie wszędzie spotkamy elastyczne materiały?

Najczęściej wykorzystywany materiał TPU znalazł zastosowanie w wielu dziedzinach. Jednym z najbardziej rozpowszechnionych jest prawdopodobnie przemysł motoryzacyjny, nie tylko dlatego, że jest wysoce odporny na olej i inne chemikalia. W przemyśle można go spotkać w produkcji różnych opakowań ochronnych, gadżetów oraz amortyzatorów drgań i wstrząsów. TPU jest również spotykany w codziennych czynnościach, na przykład może być używany do produkcji bransoletek do zegarków. Inne obszary, w których znajduje zastosowanie, to artykuły sportowe lub chirurgia.

Dlaczego elastyczne materiały należą do ulubionych?

Z pewnością docenisz elastyczność elastycznych materiałów podczas drukowania różnych praktycznych gadżetów, a także wydruków, których używasz w ramach swojego hobby. Wszyscy entuzjaści modeli RC pokochają filament specjalnie zaprojektowany do drukowania opon do modeli RC od TreeD Filaments.

Jedną z zalet TPE lub TPU jest wspomniana już elastyczność, ale to nie jedyna zaleta tego materiału.

jest miękki

Ze względu na swoją elastyczność, można go łatwo zginać, rozciągać.

zachowuje swój pierwotny kształt

Gdy wydruki znajdują się w odpowiednim środowisku, mogą zachować swój pierwotny kształt przez długi czas.

minimalny skurcz i deformacja

Nie musisz martwić się o wysoki procent skurczu i deformacji podczas drukowania.

Odporność na uderzenia i chemikalia

Nadruki są wysoce odporne na uderzenia mechaniczne i atak chemiczny.

tłumi wibracje i wstrząsy

Zdolność do tłumienia wibracji i wstrząsów czyni ten materiał idealnym do produkcji komponentów dla różnych urządzeń.

Ale żeby być uczciwym, są też ciemniejsze strony:

jest podatny na rozciąganie

Podczas drukowania, nieco częściej może występować zjawisko stringingu, czyli wyciekania filamentu z dyszy (w slangu drukarskim można spotkać się również z określeniem "hairy printing").

Powodowane jest to przyklejaniem się małych kawałków filamentu do wydrukowanego już modelu (zazwyczaj spowodowane jest to tym, że filament nadal wypływa z dyszy, nawet po przesunięciu ekstrudera w inne położenie).

dysza może zatykać się częściej niż inne żarniki

Materiał elastyczny musi być drukowany stosunkowo wolno, w przeciwnym razie może dojść do zatkania dyszy, co spowoduje niespójny przepływ filamentu, a to natychmiast wpłynie na wygląd wydruku.

jest higroskopijny

TPU/TPE jest jednym z materiałów, które są bardziej podatne na wchłanianie wilgoci z otaczającego środowiska. Dlatego też należy położyć większy nacisk na właściwe przechowywanie filamentu. Możesz dowiedzieć się więcej o tym, jak prawidłowo przechowywać filament i jak go wysuszyć, jeśli już stał się mokry w tym artykule.

wymaga specjalnych ustawień drukarki

Materiały elastyczne mają specyficzne właściwości, które wymagają określonych ustawień drukarki. Zwłaszcza jeśli zamierzasz drukować po raz pierwszy, być może będziesz musiał pobawić się idealnymi ustawieniami drukarki.

trudniejsze przetwarzanie końcowe

Post-processing wydruków może być nieco trudniejszy niż w przypadku innych nieelastycznych materiałów.

drukowanie przy niższych prędkościach

Drukowanie przy niższych prędkościach powinno iść w parze z dłuższymi ogólnymi czasami drukowania.

trudniejsze drukowanie z podporami

Jeśli zamierzasz wydrukować model, w którym niektóre części będą wystawać i nie będą bezpośrednio łączyć się z poprzednią warstwą, musisz dodać podpory do modelu. Może to być skomplikowane w przypadku elastycznych materiałów.

Skala twardości Shore'a

Chociaż skala ta została wynaleziona około 1920 roku, to jest ona nadal używana. Została wynaleziona przez Amerykanina Alberta Ferdinanda Shore'a, od którego nazwiska wzięła swoją nazwę. Skala wskazuje pomiar odporności na mechaniczne ściskanie, czyli jak twardy jest dany materiał i ile wysiłku wymaga jego ściśnięcie. Jest to ważny wskaźnik przy podejmowaniu decyzji o wyborze odpowiedniego materiału do wydrukowania działającego modelu.

Twardość mierzy się za pomocą twardościomierza, który służy do wciskania kuli, stożka lub igły w materiał i oceny, jak duży opór musi stawiać materiał. Test ten pozwala porównać twardość różnych materiałów. Twardość Shore'a jest oceniana w międzynarodowej skali twardości gumy od 0 do 100, przy czym im wyższa liczba, tym większa twardość. Aby było to mniej skomplikowane, istnieją różne skale twardości:

Shore 00 mierzy materiały takie jak pianki, żele i bardzo miękkie gumy
Shore 0 mierzy miękkie i średnie gumy oraz miękkie tworzywa sztuczne
Brzeg A mierzy kauczuki do odlewania
Brzeg B mierzy średniej jakości gumy i tworzywa sztuczne (jest to dobry miernik, jeśli pracujesz z różnymi materiałami)
Brzeg C mierzy od średnich gum do twardych tworzyw sztucznych
Brzeg D mierzy twarde gumy, półsztywne tworzywa sztuczne i twarde tworzywa sztuczne

Przykładem mogą być pierścienie uszczelniające, w przypadku których ważne jest, aby były one wystarczająco elastyczne, ale także wytrzymałe. Odbywa się to w różnych proporcjach w zależności od rodzaju materiału, który chcemy uszczelnić. Bardziej miękki materiał najlepiej nadaje się do uszczelniania chropowatych powierzchni, ponieważ jego elastyczność i plastyczność zapewniają, że może on dostosować się do nierównych obszarów i umożliwić precyzyjne uszczelnienie. Twardsze materiały zapewniają większą odporność na uszkodzenia mechaniczne, ale z kolei oferują mniejszą elastyczność, co czyni je najlepszym wyborem do uszczelniania nawet obszarów narażonych na duży nacisk. Twarde materiały, takie jak poliuretan, są stosowane do uszczelnień hydraulicznych, a dobrym punktem odniesienia do ich pomiaru jest Shore C lub D.

Jeśli potrzebujesz przekonwertować między różnymi skalami twardości, ta tabela jest do tego świetna:

Skala brzegowa - źródło: https://www.totallyseals.com

Powszechnie stosowana skala twardości Shore A skupia się na generalnie miękkich i bardziej elastycznych materiałach. Skala wskazuje, czy określone materiały są wyjątkowo miękkie, czy sztywniejsze. Oprócz miękkich gum, półsztywne tworzywa sztuczne (z wyższymi wynikami) mogą być również testowane w tej skali.

Przykłady ze skali Shore A:

Twardość Shore'a 10A: jest to niezwykle miękki materiał, ale ma tę wadę, że szybko się zużywa.

Twardość Shore'a 20A: filament z tym wynikiem Shore'a jest gładki do wytłaczania, ale jego trwałość nadal nie jest zbyt wysoka.

40A twardość Shore'a: materiał jest nieco bardziej wytrzymały niż materiały o niższej klasie Shore'a. Jego zastosowanie jest idealne dla modeli, na które nie jest wywierany zbyt duży nacisk mechaniczny. Twardość jest podobna do gumki na ołówku.

Twardość Shore'a 70A: materiał ten łączy w sobie doskonałą elastyczność i wytrzymałość.

Twardość Shore'a 90A: materiał, który może wytrzymać większy nacisk. Mają dłuższą żywotność i mogą być używane w dynamicznych zastosowaniach.