Filamenty elastyczne - ciąg dalszy
Elastyczność to przykład własności materiałowej, która jest cechą często pożądaną w druku 3D od filamentu, z którego ma zostać wykonany przestrzenny obiekt. W ramach Kompendium Druku 3D poruszono już temat termoplastycznych elastomerów, czyli TPE (artykuł, który im poświęcono, przeczytać możesz tutaj, Drogi Czytelniku). Twardość tworzyw sztucznych (w tym również filamentów) opisać można, wykorzystując do tego celu durometr oraz odpowiedniego typu skalę Shore'a. Kwestie te także zostały już poruszone w ramach jednego z artykułów, który stanowi część Kompendium Druku 3D. Drogi Czytelniku, jeśli zatem interesuje Cię temat skali twardości Shore'a, zapraszam Cię tutaj. FiberFlex 30D, FiberFlex 40D oraz S-Flex 90A - wymienione materiały charakteryzują się mniejszym lub większym poziomem elastyczności. Niniejszy artykuł koncentruje się jednak na innym elastycznym filamencie. Jest on bez cienia wątpliwości jednym z popularniejszych tworzyw wykorzystywanych w druku 3D, których wyróżnik stanowi właśnie elastyczność. A główny bohater niniejszego artykułu to... TPU!
Filament TPU. Co jest jego składnikiem bazowym?
TPU stanowi skrótową nazwę materiału, jakim jest termoplastyczny poliuretan. I już tutaj pojawia się pewien problem. Otóż gwoli ścisłości określenie to oznacza nie tyle jeden surowiec, lecz ogromną grupę materiałów elastomerowych. Czym one właściwie są z chemicznego punktu widzenia? Substancje te nazywa się kopolimerami blokowymi. Temat polimerów powinien być Ci już bliski, Drogi Czytelniku. Tworzywa, które wykorzystuje się w drukowaniu przestrzennym metodą FDM, w zdecydowanej większości (o ile nie wszystkie) są związkami chemicznymi tego właśnie rodzaju. W dużym skrócie polimery są substancjami, których budowę najtrafniej jest przyrównać do struktury łańcucha. Jego pojedyncze ogniwa zwą się merami. Polimery mogą składać się wyłącznie z merów względem siebie identycznych - nazywa się je wówczas homopolimerami. Co jednak w sytuacji, gdy polimer składa się z co najmniej dwóch różnych rodzajów merów? Takie związki chemiczne nazywane są kopolimerami. Filamenty TPU stanowią przykłady substancji takiego właśnie rodzaju. Precyzyjniej rzecz ujmując, są one kopolimerami blokowymi. Związki te składają się z podjednostek będących homopolimerami. Muszą to być co najmniej dwa różne związki chemiczne. Komponenty te połączone są tzw. wiązaniami kowalencyjnymi. Połączenie to jest trudne do rozerwania. Podsumowując powyższe, chemiczne rozważania, bazowe składniki filamentów TPU - poliuretany termoplastyczne - są polimerami, a precyzyjniej rzecz ujmując - kopolimerami blokowymi.
Filament TPU a skala twardości Shore'a
Stosowane w druku przestrzennym materiały TPU zalicza się do filamentów elastycznych. Mogą to być zarówno tworzywa miękkie, jak również surowce twarde. Do określania właściwości materiału termoplastycznego, jaką jest jego twardość, służy m.in. skala Shore'a typu A i/lub typu D. Wartości osiągane przez miękkie materiały TPU w skali Shore'a typu A mieści się w przedziale od 75 do 981. Przykładowo twardość filamentu TPU firmy F3D wynosi według niej 93. W skali Shore'a typu D twardsze tworzywa oparte na termoplastycznych poliuretanach przyjmują wartości z przedziału od 30 do 752.
Fotografia ilustruje bardzo ważną cechę filamentu TPU - jego elastyczność. Pomarańczowe elementy urządzenia wykonano z tworzywa ROSA-Flex 96A marki ROSA 3D Filaments. Element ściskany za pomocą aparatu również został wydrukowany z filamentu TPU - jego wariantu przezroczystego. Zgodnie z nazwą materiału osiąga on wartość równą 96 w skali twardości Shore'a typu A. (©ROSA 3D Filaments)
Wytrzymałość mechaniczna filamentu TPU
Filament TPU charakteryzuje się znakomitą wytrzymałością mechaniczną. Powierzchnia wydrukowanych z niego obiektów trójwymiarowych jest wyjątkowo odporna na destrukcyjny wpływ sił tarcia. Filament TPU stanowi zatem materiał, z którego wykonywać można elastyczne wydruki, które będą mieć często do czynienia z tego typu oddziaływaniami. Struktury, które wydrukowano z tworzywa będącego głównym tematem niniejszego artykułu, są trudne do rozerwania. Ta właściwość filamentu TPU sprawia, iż stanowi on przykład doskonałego termoplastu elastycznego. Materiał ten wykazuje się również wysokim poziomem udarności. Oznacza to, że wydrukowane z filamentu TPU obiekty trójwymiarowe niełatwo pękają. Wytrzymałość mechaniczna omawianego termoplastu jest zatem wyjątkowo wszechstronna.
Inne właściwości filamentu TPU
Czy szeroko rozumiana odporność mechaniczna oraz elastyczność stanowią jedyne istotne własności filamentu TPU? Oczywiście, że nie! Filament TPU stanowi również przykład tworzywa higroskopijnego3. Co to właściwie oznacza? Otóż materiał ten posiada zdolność do pochłaniania wody. Nie oznacza to, rzecz jasna, że chłonie on ją niczym gąbka. O to użytkownik drukarki 3D, który chce tworzyć wydruki przestrzenne z filamentów, których składnik bazowy stanowią termoplastyczne poliuretany, martwić się nie powinien. Procesowi jego termicznego przetwarzania przez urządzenie drukujące nie towarzyszy emisja znacznych ilości toksycznych substancji lotnych. Cecha ta stanowi jedną z ważnych zalet filamentu TPU. Emisja śladowych ilości oparów szkodliwych związków chemicznych nie oznacza jednak, iż użytkownik drukarki 3D zapomnieć może o odpowiednich środkach bezpieczeństwa w czasie temperaturowej obróbki materiału przez urządzenie drukujące. Wręcz przeciwnie! Pamiętać o nich należy zawsze.
O prostocie w druku (i dostępności na rynku) filamentu TPU słów kilka
Filament TPU charakteryzuje się prostotą w druku. Do wykonywania z niego trójwymiarowych wydruków niewymagane jest zastosowanie do tego celu drukarki 3D, która wyposażona została w podgrzewany stół roboczy4. Pamiętać jednak należy, iż odpowiednio wysoka temperatura platformy urządzenia drukującego, na którą naniesiony zostanie stosownie przetworzony przez ową maszynę filament, korzystnie wpłynie na jakość tworzonych z TPU trójwymiarowych obiektów. Jednym z producentów tworzyw wykorzystywanych w druku przestrzennych, w ofercie których znajduje się główny bohater niniejszego artykułu, jest F3D Filament. Firma produkuje omawiany materiał w różnorodnych wariantach barwnych. Dostępny jest zarówno w wariancie nieprzezroczystym, jak również takim, który charakteryzuje się przezroczystością. F3D oferuje filament TPU o średnicy włókna równej 1.75mm oraz 2.85mm.
Wydruki 3D, które wykonane zostały z filamentu TPU ROSA-Flex 96A (©ROSA 3D Filaments)
Filament TPU. Podsumowanie
Filament TPU jest przykładem materiału elastycznego, który posiada bardzo dużą ilość zalet. Wszechstronna wytrzymałość mechaniczna oraz prostota w wykorzystaniu go do wykonywania trójwymiarowych wydruków to tylko niektóre z jego pozytywnych właściwości. Użytkownik drukarki 3D pracującej w oparciu technologię FDM, który chciałby podjąć się drukowania przestrzennych z filamentów elastycznych, zwrócić powinien szczególną uwagę na tworzywo, jakim jest właśnie TPU.
1, 2: https://www.tworzywa.pl/wiedzopedia/baza-tworzyw/199,termoplastyczny-elastomer-poliuretanowy-tpu,polimer.html">https://www.tworzywa.pl/wiedzopedia/baza-tworzyw/199,termoplastyczny-elastomer-poliuretanowy-tpu,polimer.html
3, 4: https://all3dp.com/2/tpu-filament-explained-and-compared/">https://all3dp.com/2/tpu-filament-explained-and-compared/
