Vstřikování TPU není vstřikování tuhého plastu s měkčí pryskyřicí. Termoplastický polyuretan se taví a teče jako termoplast, ale je citlivý na smyk, absorbuje vlhkost ze vzduchu a uvolňuje se z nástroje s elasticitou, která mění způsob, jakým musí být forma vyrobena. Sada parametrů zkopírovaná z ABS nebo polypropylenové zakázky obvykle vytvoří díly – a poté způsobí roztažení, propadnutí, zalepení nebo deformaci v tlaku, která nikdy nedosáhne hodnoty uvedené v datovém listu.
Tato příručka popisuje rozhodnutí v pořadí, v jakém se s nimi projekt setkává: jaký je materiál a proč se chová tak, jak se chová, krok za krokem proces, parametry, které určují kvalitu dílu, návrh dílu a formy, výběr jakosti, aplikace, srovnání s jinými materiály a procesy a diagnostika vad. Je určena pro vývojáře produktů, konstruktéry a týmy zajišťující nákup, kteří potřebují přejít od výkresu k validovanému dílu.
Níže uvedené obrázky vycházejí z publikovaných doporučení pro zpracování TPU a představují výchozí body, nikoli nastavení. Datové listy jakosti, stav stroje a geometrie nástroje posouvají toto rozmezí, takže každé číslo by mělo být ověřeno zkušebním lisováním na skutečném stroji, nástroji a jakosti, než bude zapsáno do procesního listu. Tato příručka je udržována a aktualizována s vývojem pokynů pro zpracování.
Co je TPU Vstřikování plastů a proč se chová jinak
Termoplastický polyuretan je blokový kopolymer složený z tvrdých a měkkých segmentů. Tvrdé segmenty se shlukují a fungují jako fyzické zesíťování; měkké segmenty dodávají materiálu jeho gumovou regeneraci. Teplo fyzické zesíťování roztaví a ochlazování je znovu shlukne. To je celý důvod, proč lze TPU vstřikovat na standardním termoplastickém zařízení: nic v nástroji se nemusí vytvrzovat a fázová struktura se při ochlazování dílu znovu formuje.
Stejná struktura vysvětluje rozsah použití materiálu. TPU je k dispozici od zhruba 60 Shore A do 74–75 Shore D a sada vlastností se v tomto rozmezí neustále mění – měkké třídy se chovají jako pryž, tvrdé třídy jako houževnatý technický plast. Pro projekt to znamená, že jedna materiálová rodina může nahradit několik, ale neznamená to, že jedna strategie obrábění pokrývá celý rozsah. Smršťování, síla vyjímání z formy, doba chlazení a tendence taveniny ke smykové degradaci se mění s tvrdostí, takže změna tvrdosti v pozdější fázi programu je událostí obrábění a validace, nikoli substitucí.
Termoplast versus termoset: Rozdíl v přepracování
Vulkanizovaná pryž je chemicky zesíťovaná. Jakmile se zesíťování vytvoří, nelze díl znovu roztavit; síť je trvalá. Zesíťování TPU je fyzikálně a tepelně reverzibilní, takže se materiál znovu roztaví, lze jej znovu brousit a nepotřebuje žádnou fázi vytvrzování ve formě.
Praktickými důsledky jsou kratší cykly, absence kontroly chemického zesítění v nástroji a odpad, který lze spíše regenerovat než vyhodit. Nevýhodou je, že čerstvě odlitý díl z TPU ještě nedosáhl svých deklarovaných vlastností. V jejich vývoji pokračuje při pokojové teplotě a hodnoty uvedené v datovém listu se měří na žíhaných, kondicionovaných vzorcích. Žíhání v peci s cirkulujícím vzduchem zkracuje toto vyrovnání na zhruba 15–20 hodin a je jediným způsobem, jak dosáhnout optimální deformace v tlaku. Termosetovou pryž nelze vůbec znovu tavit, a proto TPU konkuruje všude tam, kde je doba cyklu pryže a ekonomika odpadu nepříznivá – a proto musí být vlastní krok žíhání TPU naplánován do výroby, a nikoli považován za volitelný.
Proč je citlivost na smyk a absorpce vlhkosti klíčová
Téměř každé rozhodnutí ve zbytku této příručky ovlivňují dvě materiálová omezení.
První je citlivost na smyk. Taveniny TPU jsou citlivé na smyk a nadměrná rychlost šneku může snížit vlastnosti hotového dílu. Nejedná se o marginální efekt: je to důvod, proč se protitlak udržuje na nízké úrovni, proč se rychlost vstřikování nastavuje tak nízko, jak to umožňuje tloušťka vtoku a stěny, a proč je rychlost šneku omezena maximální obvodovou rychlostí, nikoli pevnými otáčkami. Zpracovatel, který používá TPU jako rychle se cyklující komoditní pryskyřici, získá díly, které vypadají přijatelně a v testech nesplňují specifikaci.
Druhým je vlhkost. Granulát TPU absorbuje atmosférickou vlhkost a absorbovaná voda se v sudu mění na páru, což vytváří rozstřik, stříbrné pruhy a vnitřní bubliny. Materiál musí být před vstupem do násypky vysušen na úroveň zbytkové vlhkosti požadovanou daným druhem materiálu a musí tam zůstat suchý. Sušení a úprava materiálu jsou popsány v procesní části; důsledky parametrů jsou popsány v části zpracování. Ani jedno z nich nelze považovat za detail údržby.
Proces vstřikování TPU, krok za krokem
Projekt vstřikování TPU je řetězec fází, ve kterých každá fáze omezuje tu následující. Druh materiálu zvolený ve fázi 1 určuje teplotu sušení a profil válce; kvalita sušení určuje dosažitelný povrch; konfigurace šneku a trysky určuje, kolik smykového namáhání tavenina vydrží; rozhodnutí o chlazení a vyjímání z formy určují dobu cyklu a míru vad. Náklady, rizika a dodací lhůty se v tomto řetězci hromadí a nejlevnější místo pro opravu chyby je vždy dříve, než tam, kde se obvykle nachází.
Fáze 1: Požadavky na přihlášku a výběr kandidátů na užší hodnocení
Začněte spíše pracovním cyklem součásti než názvem materiálu. Otázky, které rozhodují o užším výběru, jsou: co se o součást odírá nebo ohýbá a kolik cyklů musí vydržet; v jakém teplotním rozsahu se nachází v provozu a jak dlouho; s jakými oleji, mazivy, palivy, čisticími prostředky nebo tělními tekutinami přichází do styku; jaká regulační třída se uplatňuje; jakou tvrdost vyžaduje daná funkce; a zda musí být součást čirá, průsvitná nebo barevně sladěná.
Tyto odpovědi zužují pole působnosti na rodinu TPU – polyether, polyester nebo polykaprolakton – a poté na tvrdost. Výběr tvrdosti není kosmetický: ovlivňuje teploty zpracování, dobu cyklu, smrštění a chování při vyjímání z formy, které je popsáno dále v této příručce. Díl specifikovaný na 85 Shore A a později změněný na 95 Shore A představuje jiný problém s vstřikováním, nikoli jinou barvu.
Fáze 2: Sušení a úprava materiálu
TPU je hygroskopický materiál a sušení je fází, která je nejčastěji podceňována. Publikovaná doporučení uvádějí cílovou zbytkovou vlhkost pod přibližně 0.02 % v jedné sadě pokynů pro zpracování a ≤ 0.05 % v jiné sadě pokynů, přičemž rozdíl odráží spíše stupeň a zdroj než rozpor, který je zde třeba řešit. Sušení se obvykle provádí při teplotě přibližně 110 °C v cirkulujícím nebo suchém vzduchu, přičemž sušičky se suchým vzduchem dosahují cílové teploty rychleji; jeden zdroj uvádí rozmezí 80–110 °C v závislosti na tvrdosti s dobou sušení jedna až tři hodiny.
Řídí se datový list jakosti. Proces musí zaručit, že cíle bude skutečně dosaženo: sušené horké granule by se neměly nechávat chladnout na volném vzduchu, musí být uloženy do suchých, znovu uzavíratelných nádob a násypka stroje musí zůstat zakrytá. Přísady, funkční koncentráty a barviva musí být také předsušeny – nevysušená koncentrovaná směs je častou a snadno přehlíženou příčinou povrchových vad.
Fáze 3: Nastavení stroje a šroubu
TPU funguje na standardních vstřikolisech se šnekem, ale ne na každém šneku. Osvědčená konfigurace je jednoramenný, třízónový šnek normální délky, zhruba 18–22 D, s kompresním poměrem kolem 2:1, který by neměl překročit 3:1. Krátké šneky s kompresní zónou nejsou vhodné, protože vyvíjejí na taveninu vysoké smykové napětí. Měl by být namontován zpětný kroužek a tryska – volně proudící nebo s automatickým uzavíráním – musí mít hladké kanály bez mrtvých míst, kde by se tavenina mohla usazovat a zuhelnatět.
TPU není ani korozivní, ani abrazivní, takže není nutná žádná speciální slitina pro šrouby ani pancéřování. Stroj potřebuje pouze dostatečný hnací moment: TPU vyžaduje vysokou plastifikační energii a nedostatečný točivý moment způsobuje kolísání rychlosti šroubu a nerovnoměrnou taveninu.
Fáze 4: Vstřikování, udržování a chlazení
Samotný cyklus je numericky popsán v části o parametrech zpracování. Postup je následující: vstřikování rychlostí udržovanou co nejnižší, jak to dovoluje vtláčení a tloušťka stěny; přepnutí na přídržný tlak, který řídí rozměrovou stabilitu a pokles; udržování nízkého protitlaku z důvodu citlivosti na smyk; a ochlazování po dobu danou průřezem stěny, tvrdostí a teplotou formy.
Vstřikovací tlak a přídržný tlak se pohybují v rozmezí 100–1000 barů a protitlak je obvykle 5–20 barů. Způsoby selhání jsou směrové: příliš nízký přídržný tlak způsobuje propadliny, zatímco nadměrný vstřikovací tlak ztěžuje vyjímání z formy. Chlazení je bodem, kde se vyhraje nebo ztratí doba cyklu, a to se spíše přizpůsobuje tloušťce a tvrdosti stěny, než aby se řídilo univerzální hodnotou.
Fáze 5: Vyjmutí z formy, žíhání a Další ošetření
Díly z TPU dosáhnou své optimální úrovně fyzikálních vlastností až po době strávené při pokojové teplotě. Žíhání v peci s cirkulací vzduchu toto období zkracuje zhruba na 15–20 hodin. Publikované teplotní intervaly jsou asi 80–90 °C pro tvrdost do 92 Shore A a 100–110 °C pro tvrdost 93 Shore A a vyšší; jiná sada doporučení uvádí 20 hodin při 100 °C. Zejména deformaci v tlaku lze optimalizovat pouze žíháním, a proto hodnoty v datovém listu tuto dobu předpokládají.
Díly s nízkou rozměrovou stabilitou mohou během žíhání potřebovat podepření, aby se zabránilo deformaci. Žíhání je procesní krok s vlastními požadavky na manipulaci, nikoli pasivní čekání.
Fáze 6: Inspekce a kontrola kvality
Kontrola TPU dílu zahrnuje porovnání rozměrů s výkresy upravenými o smrštění, tvrdost, vzhled – linie toku, roztažení, otřepy – integritu spoje v případě zalisování dílu a funkční kontroly, jako je životnost v ohybu a těsnicí vlastnosti. Protože smrštění pokračuje i po zalisování, musí být rozměrová kontrola načasována konzistentně s ohledem na žíhání a stabilizaci.
Kontrola prvního výrobku by se měla opakovat po jakékoli změně jakosti, barviva nebo poměru drcení. Každá z těchto změn mění smrštění, tok nebo barvu a díl, který prošel původní konfigurací, nebyl kvalifikován v nové konfiguraci.
Parametry zpracování, které určují kvalitu dílu
Níže uvedená čísla představují nastavení, která zpracovatel skutečně upravuje. Jsou to publikované počáteční rozsahy; určující je datový list jakosti a zkušební lisování na výrobním nástroji. Pokud se zdroje liší, rozdíl obvykle odpovídá jakosti a tvrdosti, spíše než aby indikoval chybu.
Teplotní profily podle tvrdosti
Teplota hlavně a taveniny roste s tvrdostí. Publikované pásy jsou:
| Tvrdost Shore | Teplota sudu (topné zóny) | Teplota tání | Teplota trysek |
| 60A – 80A | 170-210 ° C | 190-205 ° C | 200-210 ° C |
| 85A – 95A | 190-220 ° C | 205-220 ° C | 210-225 ° C |
| 98A–74D | 210-230 ° C | 215-235 ° C | 220-240 ° C |
Teplota by se měla od vstupní zóny k dávkovací zóně zvýšit zhruba o 10–20 °C a tryska by měla být nastavena blízko teploty taveniny. Jeden zdroj uvádí, že některé tvrdé oceli mohou vyžadovat teplotu taveniny až do přibližně 260 °C; to je požadavek specifický pro danou ocel, nikoli rozpor s výše uvedenými pásmy, a mělo by to být potvrzeno v datovém listu oceli. Malé stroje obecně potřebují vyšší nastavení než velké. Teplota taveniny by se měla měřit, nikoli odvodit z nastavených hodnot regulátoru, a regulátory by měly být odpovídajícím způsobem upraveny.
Tlak, rychlost a otáčení šroubu
Vstřikovací tlak i udržovací tlak se pohybují v rozmezí 100–1000 barů. Udržovací tlak ovlivňuje rozměrovou stabilitu a vyjímatelnost z formy: příliš nízký tlak způsobí propadnutí, příliš vysoký tlak ztěžuje vyjímání z formy. Udržovací tlak okolo poloviny vstřikovacího tlaku je běžným výchozím bodem pro nízké vnitřní pnutí. Protitlak zajišťuje homogenizaci, ale musí zůstat nízký – 5–20 barů – protože tavenina je citlivá na smykové napětí.
Rychlost vstřikování by měla být co nejnižší v závislosti na vtláčení, tloušťce stěny a vzdálenosti proudění. Rychlost šneku je omezena maximální obvodovou rychlostí přibližně 0.2 m/s, což znamená, že povolené otáčky klesají s rostoucím průměrem šneku. Porušení těchto limitů má předvídatelné důsledky: nadměrné smykové namáhání snižuje vlastnosti konečného dílu, nadměrný vstřikovací tlak ztěžuje vyjímání z formy a nedostatečný přídržný tlak zanechává stopy po propadu.
Teplota formy a doba cyklu
Teplota formy se obvykle pohybuje mezi 15 a 70 °C v závislosti na jakosti a dílu a má rozhodující vliv na kvalitu povrchu, smrštění a deformaci. Modifikované a sklolaminátové jakosti mohou vyžadovat teploty formy až do cca 80 °C k dosažení optimální povrchové úpravy a silnostěnné díly lze někdy dále ochladit, aby se cyklus zkrátil.
Doba cyklu je řízena chováním při tuhnutí a vyjímání z formy a závisí na tvrdosti, tloušťce stěny a teplotě formy. Neexistuje univerzální doba cyklu, kterou by bylo možné uvést. V případech, kdy hrozí deformace, je uznávaným protiopatřením provozování obou polovin formy při různých teplotách.
Proplachování, zastavení a doba zdržení
Dlouhodobá prodleva přehřívá materiál ve válci a publikované pokyny vyžadují pročištění válce před obnovením výroby po přerušení výroby delším než zhruba 10 minut. Stejná logika platí i pro dobu prodlevy: objem vstřiku, který je velmi malý v poměru k kapacitě válce, nechává taveninu v plastifikační jednotce dlouhou dobu, což představuje riziko tepelného poškození. Praktické pokyny doporučují provozovat válec s využitím kapacity zhruba na 30–75 % a udržovat dávkovací zdvih mezi 1D a 3D, maximálně 4D.
Dlouhá doba zdržení a přehřátí se projevují dále v proudu jako rozpínání, změna barvy a černé skvrny, takže proplachování je opatřením jak pro prevenci vad, tak i pro údržbu.
Navrhování TPU dílů pro vstřikování plastů
Pravidla pro návrh TPU vyplývají z toho, jak elastická, smršťovací a smykově citlivá tavenina vyplňuje dutinu a uvolňuje se z ní. Nejedná se o obecný kontrolní seznam tloušťky stěny s jiným názvem materiálu na začátku.
Tloušťka stěny, přechody a přídavek na smrštění
TPU snáší některé změny stěn lépe než tuhé plasty, protože jeho elasticita absorbuje drobné rozměrové rozdíly. Náhlé změny průřezu jsou stále problémem: způsobují propadliny, dutiny a stopy po proudění a vytvářejí náhlé změny tuhosti, které produkují linie vzpěru. Postupné přechody zůstávají pravidlem.
Smrštění je obtížnější určit. Smrštění přibližně 1 % je rozumným hrubým vodítkem pro návrh formy, ale celkové smrštění se liší v závislosti na tloušťce a tvrdosti stěny a publikované křivky se pohybují v rozmezí zhruba 0.5–2.5 %. Celkové smrštění je součtem smrštění po vstřikování a smrštění po vstřikování a ke smrštění po vstřikování dochází nejen během žíhání, ale i během dlouhodobého skladování – proto je smrštění obtížné s velkou přesností předpovědět. Smrštění po vstřikování je větší u měkkých jakostních materiálů a tenkých stěn než u tvrdých jakostních materiálů a tlustých stěn. Jakostní materiály vyztužené skelnými vlákny se smršťují mnohem méně: přibližně o 0.05–0.20 % ve směru proudění a 0.1–0.5 % napříč k proudění.
Úkos, poloměry a podříznutí
Flexibilita TPU umožňuje poměrně velké podřezání a krátkodobé přetažení pod přibližně 5 % nezpůsobuje trvalou deformaci. To může eliminovat vedlejší účinky a značně zjednodušit nástroj. Neomlouvá to nedostatečný úhel zkosení: publikované pokyny vyžadují úhel zkosení alespoň asi 5°, zejména u měkkých jakostí, protože nedostatečný úhel zkosení stále způsobuje rýhování a přilepování. Velkoré poloměry v rozích zlepšují tok a snižují napětí z zamrznutí.
Žebra, výstupky a poměry stěny k žebru
Žebra zpevňují součást, ale také vytvářejí změnu průřezu, která vede k propadnutí na opačné, viditelné ploše. Žebra rozdělte tak, aby průřez žebra nevtlačoval silnou hmotu do tenké stěny, a používejte postupné přechody tam, kde se žebro setkává se základnou. Náhlé změny tuhosti v žebrech jsou známou příčinou čar vybočení – viditelných čar nebo třpytivých oblastí, které se objevují v závislosti na úhlu světla. Správný poměr závisí na tloušťce stěny, tvrdosti a požadavcích na vzhled, takže je lepší jej z nich odvodit, než kopírovat jako jeden univerzální obrázek.
Umístění brány a její vliv na vlastnosti
Poloha brány určuje molekulární orientaci a tím i mechanickou anizotropii: část uzavřená na jednom konci není mechanicky stejná jako část uzavřená uprostřed. Brány by měly být umístěny v oblasti maximální tloušťky stěny a měly by být dostatečně velké, aby unesly přídržný tlak a zabránily vzniku propadlin.
Mezi doporučené typy vtoků patří vtokové, membránové, prstencové a filmové vtokové kanály, přičemž pro malé díly jsou přijatelné kolíkové vtokové kanály. Ponorkové vtokové kanály se nedoporučují kvůli vysoké elasticitě materiálu a riziku smykové degradace a měkčí třídy jsou obzvláště náchylné k problémům s nimi. Vtoky by měly být velkoryse dimenzovány, aby se zabránilo lokalizovanému smyku a aby se přenášel tlak; kruhový průřez vtokového kanálu poskytuje nejlepší charakteristiky proudění a nástroje s více dutinami potřebují vyvážený systém vtokových kanálů. V případech použití horkých vtokových kanálů se dává přednost externě ohřívaným systémům.
Vyhazování, odvětrávání a povrchová úprava
Vyhazovače by měly být dvakrát až třikrát větší než ty, které se používají pro tvrdé termoplasty, a měly by mít odvzdušňovací kanály, aby se během vyjímání z formy netvořil podtlak. Vzduch musí být schopen unikat z dutiny při vstupu taveniny: odvzdušňovací kanály hluboké zhruba 0.02–0.05 mm, umístěné na dělicí linii, vložkách a čepech, zabraňují tomu, aby stlačený vzduch způsoboval spáleniny.
Povrchová úprava formy je v rozporu s intuicí. U TPU se doporučuje povrch formy s výškou drsnosti zhruba 25–35 µm pro usnadnění vyjímání z formy; leštěné a chromované povrchy jsou méně vhodné, protože podporují přilnavost, zejména u měkčích jakostí.
Navrhování pro zastřikování a spojování více materiálů
TPU se dobře připojuje k některým pevným substrátům díky shodě polarity a znovu se taví na rozhraní, ale kompatibilita je specifická pro daný druh materiálu a substrát a musí být kvalifikována testem, nikoli předpokládána z tabulky materiálové řady. Při přestřikování potřebuje vstupní tavenina dostatek zbytkového tepla k mírnému znovu roztavení povrchu substrátu a vytvoření tavného spoje; substráty s mnohem vyšším bodem tání se více spoléhají na mechanické propojení.
Materiály na bázi polyolefinů jsou obecně nekompatibilní s TPU a zejména polypropylen vyžaduje modifikovanou směs nebo povrchovou úpravu, jako je plamenné nebo plazmové ošetření. Nylon absorbuje vlhkost a jeho obsah vlhkosti v době lepení měřitelně ovlivňuje povrchovou energii a kvalitu spoje, takže je nutné kontrolovat a dokumentovat úpravu. Polykarbonát lepí dobře, ale některá chemická složení lepidel mohou způsobit praskání v důsledku napětí, které se objeví o několik týdnů později. Kovové vložky se spoléhají na mechanické propojení – otvory, podříznutí, vroubkované drážky – plus základní nátěr a před lisováním by měly být čisté, bez mastnoty a temperované. Jedinou spolehlivou kvalifikací je test odlupování specifický pro daný substrát s použitím šarží a parametrů výrobní pryskyřice, následovaný zrychleným stárnutím.
Výběr správné třídy TPU
Výběr jakosti je rámcem pro rozhodování, nikoli seznamem produktů. Vlastnost, která nejčastěji rozhoduje o použití – odolnost proti hydrolýze, odolnost proti olejům, tvrdost, čirost, odolnost proti plameni nebo regulační třída – by měla být hybnou silou užšího výběru.
Polyéter versus polyester versus polykaprolakton
Chemické složení materiálu určuje jeho environmentální limity. Polyetherové typy nabízejí odolnost proti hydrolýze, flexibilitu za nízkých teplot a odolnost vůči mikrobiálnímu napadení, což je činí vhodnými tam, kde je třeba zvážit vodu. Polyesterové typy si vedou lépe proti olejům, tukům a oděru, ale flexibilní polyesterový TPU může být za nepříznivých podmínek – horké klima, vysoká vlhkost, kontakt s půdou – napaden a rozložen houbami a bakteriemi, přičemž v zatížených oblastech může docházet ke změně barvy a praskání. Polykaprolaktonové typy kombinují houževnatost polyesterových typů s dobrým výkonem za nízkých teplot a relativně vysokou odolností proti hydrolýze a jsou běžnou volbou pro hydraulická a pneumatická těsnění.
Výběr tvrdosti a co mění
Tvrdost ovlivňuje teplotu zpracování, dobu cyklu, smrštění, deformovatelnost a pocit při odformování. Rozsah 60A–75D umožňuje jedné materiálové skupině nahradit několik materiálů a umožňuje návrhy s více tvrdostmi prostřednictvím postupného přeformování. Praktickým důsledkem je, že změna tvrdosti uprostřed projektu je událostí pro opětovné ověření: s ní se mění teplotní profil, přídavek na smrštění a chování při odformování.
Speciální jakosti: Skelné, nehořlavé, transparentní, pro lékařské účely a styk s potravinami
Výztuž ze skla snižuje tepelnou roztažnost a smršťování – i 20% obsah skla přibližuje koeficient tepelné roztažnosti hliníku nebo oceli – a typy plněné sklem vyžadují pro optimální povrch vyšší teploty formy. Pro aplikace vyžadující shodu s předpisy existují typy s nehořlavými vlastnostmi, přičemž TPU bez nehořlavých vlastností obvykle splňuje klasifikaci HB a typy s nehořlavými vlastnostmi dosahují V0 nebo V2 podle normy UL 94.
Alifatické typy jsou světelně stabilní a nabízejí vynikající optickou čirost, a proto se používají tam, kde je důležitá barevná stabilita a průhlednost; aromatické typy mohou pod UV zářením žloutnout. Lékařské typy jsou podporovány normami biokompatibility, jako je ISO 10993-1, a jsou kompatibilní se sterilizací ethylenoxidem, gama zářením, suchým teplem, elektrickým svazkem a peroxidem vodíku. Typy určené pro styk s potravinami se vyrábějí v souladu s GMP. Speciální typy často zužují časové okno zpracování, takže datový list je důležitější, ne méně.
Přísady, barviva a drcený materiál
Kompatibilita barviv je častým problémem. Nejjednodušší a nejspolehlivější cestou jsou barevné masterbatche na bázi TPU; barviva na bázi SAN jsou vhodná jen omezeně; barviva na bázi polyolefinů a PVC nejsou vhodná. Dávkované množství se obvykle pohybuje v rozmezí 1.0–4.0 % v závislosti na tloušťce stěny a hustotě barvy. Barevné pasty, tekuté barvy a pigmenty se používají v množství zhruba 0.2–1.0 %. Všechna barviva a funkční přísady musí být předsušeny.
Drcený odpad je použitelný v určitých mezích. Čistý, tříděný odpad lze recyklovat po vhodné úpravě a sušení v poměrech běžně uváděných až do 30 %, přičemž drcený odpad odpovídá panenskému materiálu co do typu a tvrdosti Shore a je bez kontaminace. Drcený odpad by měl být ideálně nakrájen na kostičky, sušen a znovu použit bez meziskladování; kontaminovaný nebo degradovaný materiál není vhodný a vícenásobné recyklační cykly snižují kvalitu. Specifické požadavky na kvalitu mohou drcený odpad zcela vyloučit a optické a lékařské aplikace jej běžně omezují nebo zakazují.
Kde se používá vstřikování TPU
Vstřikování TPU si v průmyslu vydobylo své místo, když díl vyžaduje odolnost proti oděru, únavovou životnost v ohybu, elasticitu bez změkčovadel nebo měkký povrch spojený s pevným substrátem. Níže uvedené podkapitoly spojují každou oblast použití s vlastností, která ji ospravedlňuje.
Automobilový průmysl a doprava
Těsnění, těsnění, manžety, pouzdra, prvky s měkkým povrchem v interiéru, komponenty pláště kabelů a díly pod kapotou využívají odolnost TPU vůči oděru, olejům a mazivům a flexibilitu v širokém teplotním rozsahu. Omezujícím faktorem je teplotní strop: pro polyetherové typy se obvykle uvádí 80–100 °C a pro polyesterové typy 100–120 °C, takže díly pod kapotou musí zůstat v tomto rozsahu. Vnitřní komponenty s měkkým povrchem často používají TPU nanesené na pevný podklad.
Zdravotnictví a zdravotnictví
Katetry a jejich komponenty, prvky pro péči o rány, díly pro správu tekutin, konektory hadiček a pouzdra zařízení používají TPU lékařské kvality pro jeho kombinaci flexibility, průhlednosti, chemické odolnosti a sterilizovatelnosti – bez změkčovadel. Katetry se používají v urologii, intravenózní, gastroenterologické, balónkové a kardiovaskulární oblasti. V péči o rány se TPU používá v obvazech, náplastech pro podávání léků, vložkách do stomických sáčků, chirurgických rouškách a ochraně matrací, kde záleží na průhlednosti, odolnosti proti ohýbání a hydrolýze.
Spotřebitelské produkty a Elektronika
Ochranná pouzdra, nárazníky, nositelné řemínky, gripy a měkké kryty jsou hlavními spotřebitelskými aplikacemi. Pro ochranu zařízení jsou běžné potahy TPU přes polykarbonát a TPU přes ABS, které využívají výhodné shody polarity s těmito substráty. Řemínky hodinek a nositelné řemínky se také spoléhají na kompatibilitu s pokožkou.
Obuv a sport
Podešve, mezipodešve, kopačky, chrániče holení a výkonnostní komponenty používají TPU pro odolnost proti oděru a odolnost proti únavě z ohybu. V obuvi se také často používají hliníkové nástroje: hliníkové formy jsou cenově dostupné a dobře se hodí pro kratší série typické pro toto odvětví.
Průmysl, robotika a Automatizace
Kola, válečky, řemeny, chapadla, měchy, membrány a tlumiče vibrací jsou závislé na odolnosti proti oděru, pevnosti v tahu a únavové životnosti v ohybu. Tyto díly často kombinují vysoké cyklické zatížení s vystavením olejům a mazivům, a proto se profil odolnosti polyesterových druhů stává důležitým.
TPU vs. jiné materiály a procesy
Porovnání jsou užitečná pouze u rozměrů, které rozhodují o projektu: mechanické vlastnosti, teplotní limit, chemická odolnost, obtížnost zpracování, nástroje a jednotkové náklady. Každá z níže uvedených alternativ někde vítězí a smyslem porovnání je určit, kde.
TPU vs. TPE směsi (TPS a TPV)
TPU je termoplastický elastomer vyrobený v reaktoru: jeho vlastnosti jsou součástí jednoho polymeru. TPS a TPV jsou směsi vyrobené smícháním pryžové fáze s termoplastem v tavenině. TPU se vyznačuje vysokou mechanickou pevností a velmi dobrou odolností proti oděru a je obecně výrazně tvrdší než typické TPS produkty, takže si tyto dva materiály zřídka přímo konkurují. TPS a TPV vítězí v měkkosti, pocitu na dotek a nižších nárocích na zpracování; TPU vítězí v pevnosti a opotřebení.
TPU vs. silikon
TPU nabízí lepší odolnost proti oděru, vyšší pevnost v tahu a nižší náklady. Silikon nabízí mnohem širší teplotní rozsah – zhruba −60 až 200 °C oproti přibližně −40 až 120 °C pro TPU – a drží si pozici v implantabilních a extrémně teplotních aplikacích. TPU zvolte, pokud jsou mechanické vlastnosti a náklady důležitější než extrémní teplota nebo biokompatibilita implantátu.
TPU vs. termosetová guma
TPU vítězí v délce cyklu, využití odpadu, volnosti designu a spojitelnosti: žádná fáze vulkanizace, potenciál pro přebroušení a schopnost formovat složité geometrie a spojovat se substráty. Termosetová pryž si zachovává vynikající kompresní deformaci při vysoké teplotě a zavedenou pozici v dynamickém těsnění. Kompresní deformace TPU se zlepšuje žíháním, ale zůstává spíše konstrukčním hlediskem než vyřešeným problémem.
TPU vs. TPEE, PVC a polypropylen
Oproti TPEE nabízí TPU obecně lepší odolnost proti únavě z ohybu a oděru, zatímco TPEE nabízí výhody v oblasti tepelného a hydrolytického výkonu. Oproti měkčenému PVC se TPU vyhýbá regulačním a migračním problémům spojeným se změkčovadly a nabízí vyšší mechanickou pevnost. Oproti polypropylenu nabízí TPU elasticitu a odolnost proti opotřebení, zatímco PP vítězí v ceně a chemické inertností – a jak je uvedeno v části o návrhu, PP je jedním z nejtvrdších substrátů, ke kterým se TPU lepí.
Vstřikování TPU vs. extruze, vyfukování a... 3D Tisk
TPU zpracovává na standardním termoplastickém zařízení několika metodami a volba se řídí geometrií a objemem dílu. Vstřikování plastů je vhodné pro složité díly s přesnými tolerancemi a velkým objemem. Extruze zahrnuje kontinuální profily, trubky, pláště kabelů a fólie. Vyfukování zahrnuje duté tělesa. Aditivní metody jsou vhodné pro prototypy, malé objemy a mřížkové geometrie. Při velmi nízkých objemech může být lepší cestou obrábění dílu z TPU materiálu – ačkoli generování tepla TPU během obrábění vyžaduje chlazení a vhodnou geometrii nástroje.
Prevence vad a řešení problémů
Většina vad TPU je způsobena vlhkostí, smykem, odvětráváním nebo konstrukcí uzávěru. Uspořádání diagnózy podle příznaků a znalost toho, který směr parametrů obvykle řeší jednotlivé symptomy, zkracuje cestu od vady k opravě.
Vady související s vlhkostí: Rozptýlení, stříbrné pruhy a bubliny
Stopy po rozstřiku se projevují jako bělavé, drsné skvrny; rozsáhlé stříbrné pruhy jako protáhlé penicilární pruhy; velké bubliny jako vzduchem naplněné dutiny ve stěně. Všechny tři problémy mohou být způsobeny vlhkostí, i když přehřátí a nadměrná doba zdržení mohou způsobit podobné bělavé skvrny. Řešením je ověřit výkon sušičky a samotný proces sušení, zkontrolovat teplotu taveniny a dobu zdržení, snížit rychlost šneku a ověřit, zda je násypka zakrytá. Malé bubliny mohou také pocházet z přívodu vzduchu během dávkování, v takovém případě pomůže protitlak v povolených mezích a kratší zasunutí šneku.
Vady proudění a plnění: Krátké vstřiky, tryskové čištění a linie proudění
Na konci dráhy proudění nebo v místech s tenkými stěnami se objevuje krátké výlisky. Tryskové proudění se projevuje jako značka ve tvaru písmene S poblíž vtoku nebo vtoku, způsobená nevhodným vtokem nebo hrdlem, které neprodukuje čelní tok. Linie proudění se objevují u žeber a změn průřezu. Nápravným směrem je zvyšování rychlosti vstřikování – od pomalé k rychlé – změna velikosti a polohy vtoku pomocí deflektoru a postupné přechody stěn. Zvyšování teploty taveniny a formy a zvětšování tloušťky stěny nebo zkrácení drah proudění také pomáhá tam, kde je tavenina pro danou geometrii jednoduše příliš viskózní.
Tepelné vady: Stopy po spálení, černé skvrny a degradace
Stopy po spálení vznikají od stlačeného vzduchu v dutině, takže první reakcí je optimalizace odvětrávání, zejména v blízkosti průtokových potrubí a na konci průtokové dráhy, a kontrola odvětrávacích kanálů. Černé skvrny a periodické změny barvy vznikají v mrtvých místech na těsnicích plochách, změnách průřezu nebo ohybech v horkém vtoku, kde se materiál usazuje a zuhelnatuje; řešením je odstranění mrtvých míst a kontrola těsnicích ploch. Změna barvy v důsledku přehřátí a dlouhé doby zdržení vyžaduje nižší teplotu taveniny, kratší dobu zdržení a proplachování po zastaveních.
Rozměrové a deformační vady: propad, deformace, otřepy a přilepení
Propadliny vznikají v důsledku nedostatečného přítlaku nebo nesouladu mezi stěnou a žebrem; řešením je zvýšení přítlaku a doby přítlaku, zvětšení otvoru trysky a průřezu vtokového kanálu a úprava poměru stěny a žebra. Deformaci se předchází vyvážením teploty formy a rovnoměrnosti chlazení a vyrovnáním rozdílů v rychlosti mezi frontami proudění, pokud se používá více vtoků. Otřepy vznikají v důsledku nadměrného tlaku v dutině nebo nedostatečné upínací síly a řeší se dřívějším přepnutím na přítlak, snížením přítlaku a zvýšením upínací síly. Přilepení a rýhy vedou k nedostatečnému tahu, leštěným povrchům formy, podtlaku při vyhazování nebo předčasnému vyhazování – řešením je tedy větší tah, doporučená drsnost povrchu, optimalizované odvětrávání a delší chlazení.
Výběr NOBLE pro podporu vašeho projektu vstřikování plastů TPU
NOBLE je čínský smluvní výrobce, který podporuje programy vstřikování TPU od konceptu až po výrobu. NOBLE je čínsko-britský společný podnik, kterému vláda udělila ocenění „Národní high-tech podnik“, s více než 10 lety zkušeností v poskytování komplexní zakázkové výroby od prototypování až po sériovou výrobu. Deklarovaným posláním společnosti je proměňovat koncepty ve skutečnost prostřednictvím výroby na zakázku, která splňuje přísné normy tolerance a kvality.
Servisní model pokrývá celý řetězec, nikoli pouze výrobu: podporu návrhu, prototypování, nástroje, lisování, kontrolu a montáž. Společnost NOBLE je držitelem certifikací ISO 9001:2015 a ISO 13485:2016 a její technické a kvalitativní schopnosti mají zákazníkům pomoci efektivně přejít od prototypu k sériové výrobě. Cenová nabídka je rychlá – profesionální cenová nabídka může být poskytnuta do 24 hodin od poptávky s potřebnými informacemi – a součástí uvedené nabídky jsou i rychlé dodací lhůty.
Pokud máte k výrobě díl z TPU, dalším krokem je odeslání poptávky s informacemi o dílu popsanými v níže uvedených častých dotazech; společnost NOBLE vám zašle cenovou nabídku.
Jak NOBLE podporuje každou fázi programu TPU
Fáze popsané dříve v této příručce se prolínají s deklarovanou nabídkou služeb společnosti NOBLE takto. Ve fázi požadavků a návrhu poskytuje NOBLE konstrukční podporu, což je oblast, kde jsou vstupy DFM týkající se přechodů stěn, polohy vtoků a přídavku na smrštění nejcennější. Pro prototypování umožňuje rychlá prototypovací schopnost společnosti NOBLE ověřit návrh před zadáním nástrojů. Nástroje a lisování následují interně a kontrola využívá kompletní sadu kontrolního vybavení a celkový systém kontroly kvality. Montáž dokončuje řetězec, takže program nemusí být rozdělen mezi více dodavatelů.
Každá z těchto možností je součástí deklarované komplexní nabídky společnosti NOBLE. Konkrétní rozsah daného dílu – které fáze jsou zahrnuty a dle jaké specifikace – je potvrzen v cenové nabídce.
Systémy kvality a relevance zdravotnických prostředků
Norma ISO 9001:2015 certifikuje dokumentovaný systém managementu kvality; norma ISO 13485:2016 certifikuje systém managementu kvality sladěný s výrobou zdravotnických prostředků. Pro kupujícího to znamená, že procesy, záznamy a nápravná opatření se řídí auditovatelným rámcem, a nezávisí na individuální praxi.
Certifikace podporuje proces zajištění kvality, ale sama o sobě necertifikuje konkrétní součást. Validace na úrovni součásti a jakékoli regulační podání, které zařízení vyžaduje, zůstávají specifické pro daný projekt a jsou dohodnuty jako součást programu.
Nejčastější dotazy ohledně vstřikování plastů TPU
Na jakou vlhkost by měl být TPU vysušen před lisováním?
Publikované cíle se pohybují od přibližně 0.02 % do méně než 0.05 % zbytkové vlhkosti, v závislosti na zdroji a druhu materiálu. Sušení se obvykle provádí při teplotě přibližně 110 °C v suchém nebo cirkulujícím vzduchu, přičemž některé pokyny uvádějí 80–110 °C v závislosti na tvrdosti a dobu schnutí od jedné do tří hodin. Rozhodující je datový list daného druhu materiálu. Viz fáze sušení výše.
Lze TPU přebrousit a znovu tvarovat?
Ano, v rámci limitů. Drť by měla být nakrájena na kostičky, vysušena a neprodleně znovu použita v poměrech běžně uváděných do 30 % a měla by odpovídat druhu a tvrdosti panenského materiálu. Kontaminovaný nebo degradovaný materiál je nevhodný, opakovaná recyklace snižuje kvalitu a specifické požadavky mohou drť zcela vyloučit.
Proč TPU díly někdy po lisování rozměrově selhávají?
Protože celkové smrštění je součtem smrštění při lisování a smrštění po lisování a smrštění po lisování pokračuje i během žíhání a dlouhodobého skladování. Tloušťka stěny, konstrukce vtoku a podmínky zpracování jej ovlivňují a smrštění po lisování je větší u měkkých jakostí a tenkých stěn. Smrštění by mělo být validováno na skutečném nástroji, a nikoli odvozeno z jediné nominální hodnoty.
Je TPU vhodný pro součásti zdravotnických prostředků?
Existují druhy TPU lékařské kvality, které jsou dodržovány normami biokompatibility, jako je ISO 10993-1, a jsou kompatibilní se sterilizací ethylenoxidem, gama zářením, suchým teplem, elektrickým zářením a peroxidem vodíku. Vhodnost je určena konkrétním druhem, aplikací a regulační cestou – nikoli pouze materiálovou skupinou.
Jak si TPU vede v porovnání se silikonem jako flexibilní součástka?
TPU nabízí lepší odolnost proti oděru, vyšší pevnost v tahu a nižší náklady s provozním rozsahem zhruba -40 až 120 °C. Silikon nabízí mnohem širší rozsah, zhruba -60 až 200 °C, a je vhodný pro implantabilní a extrémně teplotní aplikace. Volba se řídí tím, který z těchto rozdílů daný díl skutečně potřebuje.
Co způsobuje černé skvrny nebo stopy po spálení na výliscích z TPU?
Mrtvá místa v horkém vtoku, trysce nebo těsnicích plochách, kde se materiál usazuje a zuhelnatňuje; přehřívání a dlouhá doba zdržení; a nedostatečné odvětrávání, které umožňuje stlačenému vzduchu spálit součást. Nápravným postupem je odstranění mrtvých míst, ověření odvětrávání, proplachování po zastaveních a kontrola teploty taveniny a rychlosti šneku.
Lze TPU nanést na pevné plasty?
Ano, ale lepení je specifické pro podklad a jeho třídu. ABS a polykarbonát se obecně dobře lepí, obsah vlhkosti v nylonu ovlivňuje kvalitu lepení a polyolefiny, jako je polypropylen, obvykle vyžadují modifikované sloučeniny nebo povrchovou úpravu. Kvalifikace by měla být provedena zkouškou odlupováním s výrobními šaržemi a parametry pryskyřice, následovanou urychleným stárnutím.
Jak zahájím projekt vstřikování TPU s NOBLE?
Sdílejte výkres dílu nebo 3D model, požadavky aplikace (pracovní cyklus, teplota, chemická expozice, regulační třída), cílovou tvrdost a objem a veškerá regulační omezení a poté odešlete poptávku (RFC). Společnost NOBLE může nabídnout profesionální cenovou nabídku do 24 hodin od obdržení potřebných informací.
