Formowanie wtryskowe TPU nie jest formowaniem sztywnego tworzywa sztucznego z użyciem miękkiej żywicy. Poliuretan termoplastyczny topi się i płynie jak tworzywo termoplastyczne, ale jest wrażliwy na ścinanie, pochłania wilgoć z powietrza i uwalnia się z formy z elastycznością, która zmienia sposób, w jaki forma musi być wykonana. Zestaw parametrów skopiowany z procesu formowania ABS lub polipropylenu zazwyczaj wytwarza części — a następnie powoduje rozprężanie, wgłębienie, przyklejanie lub odkształcenie trwałe, które nigdy nie osiąga wartości podanych w karcie katalogowej.
W tym przewodniku decyzje podejmowane są w kolejności, w jakiej projekt je podejmuje: jaki jest materiał i dlaczego zachowuje się tak, a nie inaczej, etap po etapie, parametry decydujące o jakości części, projekt części i formy, wybór gatunku, zastosowania, porównania z innymi materiałami i procesami oraz diagnostyka wad. Przewodnik jest przeznaczony dla projektantów, inżynierów projektowych i zespołów ds. zaopatrzenia, które muszą przejść od rysunku do zatwierdzonej części.
Poniższe dane pochodzą z opublikowanych zaleceń dotyczących przetwarzania TPU i stanowią punkty wyjścia, a nie ustawienia. Arkusze danych gatunków, stan maszyny i geometria narzędzia wpływają na zakres zmian, dlatego każda wartość powinna zostać potwierdzona w próbie formowania na rzeczywistej maszynie, narzędziu i gatunku, zanim zostanie wpisana do karty procesu. Niniejszy przewodnik jest aktualizowany i uzupełniany w miarę rozwoju wytycznych dotyczących przetwarzania.
Co to jest TPU Formowanie wtryskowe i dlaczego zachowuje się inaczej
Poliuretan termoplastyczny to kopolimer blokowy zbudowany z twardych i miękkich segmentów. Twarde segmenty łączą się ze sobą i działają jak fizyczne wiązania poprzeczne; miękkie segmenty nadają materiałowi powrót do pierwotnej, gumowatej konsystencji. Pod wpływem ciepła fizyczne wiązania poprzeczne ulegają rozpuszczeniu, a chłodzenie je ponownie wypełnia. Właśnie dlatego TPU można formować wtryskowo na standardowym sprzęcie do tworzyw termoplastycznych: nic w narzędziu nie musi się utwardzać, a struktura fazowa odbudowuje się w miarę stygnięcia elementu.
Ta sama struktura wyjaśnia zakres materiału. TPU jest dostępny w twardości od około 60 Shore A do około 74–75 Shore D, a zestaw właściwości zmienia się w tym zakresie – miękkie gatunki zachowują się jak guma, twarde jak wytrzymałe tworzywo sztuczne. W przypadku projektu oznacza to, że jedna rodzina materiałów może zastąpić kilka, ale nie oznacza to, że jedna strategia narzędziowa obejmuje cały zakres. Skurcz, siła wyjęcia z formy, czas chłodzenia i tendencja stopu do degradacji ścinającej zmieniają się wraz z twardością, więc zmiana twardości na późniejszym etapie programu jest zdarzeniem związanym z obróbką i walidacją, a nie z zamianą.
Tworzywo termoplastyczne a tworzywo termoutwardzalne: różnice w przetwarzaniu
Wulkanizowana guma jest usieciowana chemicznie. Po utworzeniu wiązań poprzecznych, element nie może zostać ponownie przetopiony; sieć jest trwała. Usieciowanie TPU jest fizyczne i termicznie odwracalne, dzięki czemu materiał można ponownie przetopić, przeszlifować i nie wymaga utwardzania w formie.
Praktyczne konsekwencje to krótsze cykle, brak konieczności kontrolowania reakcji sieciowania w narzędziu oraz odpady, które można odzyskać zamiast wyrzucać. Wadą jest to, że świeżo uformowany element TPU nie osiągnął jeszcze deklarowanych właściwości. Proces ten jest kontynuowany w temperaturze pokojowej, a wartości podane w karcie katalogowej są mierzone na wyżarzanych, kondycjonowanych próbkach. Wyżarzanie w piecu z obiegiem powietrza skraca ten czas stabilizacji do około 15–20 godzin i jest jedynym sposobem na osiągnięcie optymalnego odkształcenia trwałego po ściskaniu. Kauczuku termoutwardzalnego nie można w ogóle przetopić, dlatego TPU konkuruje wszędzie tam, gdzie czas cyklu i ekonomika odpadów są niekorzystne – i dlatego etap wyżarzania TPU musi być zaplanowany w produkcji, a nie traktowany jako opcjonalny.
Dlaczego wrażliwość na ścinanie i wchłanianie wilgoci mają decydujące znaczenie
Dwa istotne ograniczenia kształtują niemal każdą decyzję podjętą w dalszej części tego przewodnika.
Pierwszą z nich jest wrażliwość na ścinanie. Stopy TPU są wrażliwe na ścinanie, a nadmierna prędkość ślimaka może obniżyć właściwości gotowego elementu. Nie jest to efekt marginalny: właśnie dlatego utrzymuje się niskie ciśnienie wsteczne, prędkość wtrysku ustawia się na najniższy poziom, na jaki pozwala wlew i grubość ścianki, oraz prędkość ślimaka jest ograniczona maksymalną prędkością obwodową, a nie stałą liczbą obrotów na minutę. Procesor przetwarzający TPU jak żywicę masową o szybkim cyklu produkcyjnym otrzyma elementy, które wyglądają akceptowalnie i wypadają poniżej specyfikacji w testach.
Drugim czynnikiem jest wilgoć. Granulat TPU pochłania wilgoć z atmosfery, a wchłonięta woda zamienia się w parę wodną w bębnie, powodując powstawanie smug, srebrzystych smug i wewnętrznych pęcherzyków. Materiał musi zostać wysuszony do poziomu wilgotności resztkowej wymaganego przez gatunek, zanim trafi do leja zasypowego i musi pozostać tam suchy. Suszenie i kondycjonowanie materiału omówiono w części poświęconej procesowi; konsekwencje parametrów omówiono w części poświęconej przetwarzaniu. Żadnego z tych działań nie należy traktować jako czynności porządkowych.
Proces formowania wtryskowego TPU, etap po etapie
Projekt formowania wtryskowego TPU to łańcuch etapów, z których każdy nakłada ograniczenia na kolejny. Gatunek wybrany w etapie 1 określa temperaturę suszenia i profil cylindra; jakość suszenia określa możliwą do uzyskania powierzchnię; konfiguracja ślimaka i dyszy określa stopień ścinania, na jaki narażony jest stop; decyzje dotyczące chłodzenia i wyjmowania z formy określają czas cyklu i wskaźnik defektów. Koszt, ryzyko i czas realizacji kumulują się w tym łańcuchu, a najtańsze miejsce na skorygowanie błędu zawsze znajduje się wcześniej niż miejsce, w którym zazwyczaj występuje.
Etap 1: Wymagania aplikacyjne i wstępna selekcja kandydatów
Zacznij od cyklu pracy części, a nie od nazwy materiału. Pytania, które decydują o wyborze, to: co ściera się lub zgina w kontakcie z częścią i ile cykli musi ona wytrzymać; jaki zakres temperatur i jak długo pracuje; z jakimi olejami, smarami, paliwami, środkami czyszczącymi lub płynami ustrojowymi ma kontakt; jaka klasa normatywna obowiązuje; jaka twardość jest wymagana w danej funkcji; oraz czy część musi być przezroczysta, półprzezroczysta lub w kolorze dopasowanym do materiału.
Te odpowiedzi zawężają pole do rodziny TPU – polieteru, poliestru lub polikaprolaktonu – a następnie do twardości. Wybór twardości nie jest kwestią kosmetyczną: wpływa na temperatury przetwarzania, czas cyklu, skurcz i zachowanie po wyjęciu z formy, opisane w dalszej części tego przewodnika. Element o twardości 85 Shore A, a następnie zmieniony na 95 Shore A, to inny problem formowania, a nie inny kolor.
Etap 2: Suszenie i kondycjonowanie materiału
TPU jest higroskopijny, a suszenie jest najczęściej niedookreślonym etapem. Opublikowane zalecenia określają docelową wilgotność resztkową poniżej około 0.02% w jednym zestawie wytycznych dotyczących przetwarzania i ≤0.05% w innym, przy czym różnica ta odzwierciedla gatunek i źródło, a nie sprzeczność, którą należy tutaj rozwiązać. Suszenie zazwyczaj przeprowadza się w temperaturze około 110°C w obiegu powietrza lub w suchym powietrzu, przy czym suszarki na suche powietrze osiągają docelową temperaturę szybciej; jedno ze źródeł podaje zakres 80–110°C w zależności od twardości, a czas suszenia wynosi od jednej do trzech godzin.
Karta charakterystyki gatunku reguluje ten proces. Proces musi gwarantować faktyczne osiągnięcie celu: wysuszonych, gorących granulek nie należy pozostawiać do ostygnięcia na wolnym powietrzu, należy je umieścić w suchych, zamykanych pojemnikach, a zasobnik maszyny musi być przykryty. Dodatki, koncentraty funkcjonalne i barwniki również muszą być wstępnie wysuszone – niewyschnięty koncentrat barwiący jest częstą i łatwo przeoczoną przyczyną wad powierzchni.
Etap 3: Przygotowanie maszyny i śruby
TPU działa na standardowych wtryskarkach ślimakowych, ale nie na każdym ślimaku. Sprawdzona konfiguracja to jednozwojowy, trójstrefowy ślimak o normalnej długości, około 18–22 D, ze stopniem sprężania około 2:1, który nie powinien przekraczać 3:1. Krótkie ślimaki ze strefą sprężania są nieodpowiednie, ponieważ wywierają wysokie naprężenie ścinające na stop. Należy zamontować pierścień zwrotny, a dysza – z przepływem swobodnym lub z automatycznym zamknięciem – musi mieć gładkie kanały, bez martwych punktów, w których stop może się gromadzić i zwęglania.
TPU nie jest korozyjny ani ścierny, więc nie wymaga specjalnego stopu ani opancerzenia śrub. Maszyna potrzebuje jedynie odpowiedniego momentu obrotowego: TPU wymaga wysokiej energii uplastyczniania, a niewystarczający moment obrotowy powoduje wahania prędkości ślimaka i nierównomierne topienie.
Etap 4: Wstrzyknięcie, przytrzymanie i schłodzenie
Sam cykl jest opisany numerycznie w sekcji dotyczącej parametrów przetwarzania. Kolejność jest następująca: wtrysk z prędkością utrzymywaną na najniższym poziomie, na jaki pozwala wlew i grubość ścianki; przejście na ciśnienie docisku, które decyduje o stabilności wymiarowej i opadaniu; utrzymanie niskiego ciśnienia zwrotnego ze względu na wrażliwość na ścinanie; chłodzenie przez czas określony przez przekrój ścianki, twardość i temperaturę formy.
Ciśnienie wtrysku i ciśnienie docisku mieszczą się w zakresie 100–1000 barów, a ciśnienie wsteczne wynosi zazwyczaj 5–20 barów. Przyczyny awarii są kierunkowe: zbyt niskie ciśnienie docisku powoduje powstawanie wgłębień, a zbyt wysokie ciśnienie wtrysku utrudnia wyjmowanie z formy. Czas cyklu jest skrócony lub wydłużony w procesie chłodzenia, a jego wartość zależy od grubości ścianki i twardości, a nie od wartości uniwersalnej.
Etap 5: Wyjmowanie z formy, wyżarzanie i Po leczeniu
Elementy TPU osiągają optymalne właściwości fizyczne dopiero po przetrzymaniu w temperaturze pokojowej. Wyżarzanie w piecu z obiegiem powietrza skraca ten czas do około 15–20 godzin. Podane przedziały temperatur to około 80–90°C dla twardości do 92 w skali Shore’a A i 100–110°C dla twardości 93 w skali Shore’a A i wyższej; inne zalecenia mówią o 20 godzinach w temperaturze 100°C. W szczególności odkształcenie trwałe można zoptymalizować wyłącznie poprzez wyżarzanie, dlatego wartości w kartach katalogowych zakładają jego wartość.
Części o niskiej stabilności wymiarowej mogą wymagać podparcia podczas wyżarzania, aby uniknąć odkształceń. Wyżarzanie to etap procesu, który ma swoje własne wymagania dotyczące obsługi, a nie bierne oczekiwanie.
Etap 6: Inspekcja i kontrola jakości
Kontrola elementu TPU obejmuje sprawdzenie wymiarów na podstawie rysunków uwzględniających skurcz, twardość, wygląd – linie płynięcia, rozwarcie, wypływki – integralność połączeń w przypadku formowania wtryskowego, a także kontrole funkcjonalne, takie jak odporność na zginanie i szczelność uszczelnienia. Ponieważ skurcz utrzymuje się po uformowaniu, kontrola wymiarów musi być konsekwentnie przeprowadzana w odniesieniu do wyżarzania i stabilizacji.
Kontrola pierwszego egzemplarza powinna zostać powtórzona po każdej zmianie gatunku, barwnika lub proporcji przemiału. Każda z tych zmian zmienia skurcz, przepływ lub kolor, a część, która przeszła test w oryginalnej konfiguracji, nie została zakwalifikowana w nowej konfiguracji.
Parametry przetwarzania decydujące o jakości części
Poniższe liczby to ustawienia, które procesor faktycznie dostosowuje. Są to opublikowane zakresy początkowe; decydujące znaczenie mają arkusz danych gatunku i próba formowania na narzędziu produkcyjnym. W przypadku rozbieżności źródeł, różnica zazwyczaj odzwierciedla gatunek i twardość, a nie wskazuje na błąd.
Profile temperaturowe według twardości
Temperatury w beczce i stopie rosną wraz z twardością. Opublikowane zakresy to:
| Twardość Shore'a | Temperatura beczki (strefy grzewczej) | Temperatura topnienia | Temperatura dyszy |
| 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 |
Temperatura powinna wzrosnąć o około 10–20°C od strefy zasilania do strefy dozowania, a dysza powinna być ustawiona blisko temperatury stopu. Jedno ze źródeł podaje, że niektóre twarde gatunki mogą wymagać temperatury stopu do około 260°C; jest to wymóg specyficzny dla gatunku, a nie sprzeczność z powyższymi zakresami, i należy to potwierdzić w karcie katalogowej gatunku. Małe maszyny zazwyczaj wymagają wyższych ustawień niż duże. Temperaturę stopu należy mierzyć, a nie wnioskować z nastaw regulatora, a następnie odpowiednio ją regulować.
Ciśnienie, prędkość i obrót śruby
Ciśnienie wtrysku i ciśnienie docisku mieszczą się w zakresie 100–1000 barów. Ciśnienie docisku wpływa na stabilność wymiarową i możliwość wyjmowania z formy: zbyt niskie powoduje powstawanie zapadnięć, a zbyt wysokie utrudnia wyjmowanie z formy. Ciśnienie docisku wynoszące około połowy ciśnienia wtrysku to typowy punkt wyjścia dla niskich naprężeń wewnętrznych. Przeciwciśnienie zapewnia homogenizację, ale musi pozostać niskie – 5–20 barów – ponieważ stop jest wrażliwy na ścinanie.
Prędkość wtrysku powinna być utrzymywana na jak najniższym poziomie, w zależności od wielkości wlewu, grubości ścianki i odległości przepływu. Prędkość ślimaka jest ograniczona przez maksymalną prędkość obwodową wynoszącą około 0.2 m/s, co oznacza, że dopuszczalne obroty na minutę spadają wraz ze wzrostem średnicy ślimaka. Przekroczenie tych limitów ma przewidywalne konsekwencje: nadmierne ścinanie obniża właściwości końcowe detalu, zbyt wysokie ciśnienie wtrysku utrudnia wyjmowanie z formy, a niewystarczające ciśnienie docisku pozostawia zapadnięcia.
Temperatura formy i czas cyklu
Temperatura formy zazwyczaj mieści się w przedziale od 15 do 70°C, w zależności od gatunku i elementu, i ma decydujący wpływ na jakość powierzchni, skurcz i odkształcenia. Gatunki modyfikowane i z włóknem szklanym mogą wymagać temperatury formy do około 80°C, aby uzyskać optymalne wykończenie powierzchni, a części o grubych ściankach można czasami dodatkowo schłodzić, aby skrócić cykl.
Czas cyklu zależy od procesu krzepnięcia i wyjmowania z formy oraz twardości, grubości ścianek i temperatury formy. Nie ma uniwersalnego czasu cyklu, który można by podać. W przypadku ryzyka odkształcenia, eksploatacja obu połówek formy w różnych temperaturach jest uznanym środkiem zaradczym.
Przepłukiwanie, przerwy i czas przebywania
Długotrwałe przetrzymywanie materiału w cylindrze powoduje jego przegrzanie, a opublikowane wytyczne zalecają jego opróżnienie przed wznowieniem produkcji po przerwach trwających ponad 10 minut. Ta sama logika dotyczy czasu przebywania: objętość wtrysku, która jest bardzo mała w stosunku do pojemności cylindra, powoduje, że stop pozostaje w jednostce uplastyczniającej przez długi czas, co grozi uszkodzeniem termicznym. Praktyczne wytyczne sugerują pracę cylindra z wykorzystaniem około 30–75% jego wydajności i utrzymywanie skoku dozującego w zakresie od około 1 do 3 średnic, przy czym maksymalnie 4 średnice to 1–3 średnice.
Długi czas przebywania i przegrzewanie są widoczne w postaci rozprysków, odbarwień i czarnych plamek, dlatego czyszczenie jest zarówno działaniem zapobiegawczym, jak i porządkowym.
Projektowanie części TPU do formowania wtryskowego
Reguły projektowania TPU wynikają ze sposobu, w jaki elastyczny, podatny na skurcz i ścinanie materiał wypełnia wnękę i uwalnia się z niej. Nie są one ogólną listą kontrolną grubości ścianek z inną nazwą materiału na górze.
Grubość ścianki, przejścia i naddatek na skurcz
TPU lepiej toleruje pewne odchylenia ścianek niż sztywne tworzywa sztuczne, ponieważ jego elastyczność kompensuje drobne różnice wymiarowe. Nagłe zmiany przekroju nadal stanowią problem: powodują one zapadnięcia, pustki i ślady płynięcia, a także prowadzą do gwałtownych zmian sztywności, które prowadzą do powstawania linii wyboczenia. Stopniowe przejścia pozostają regułą.
Skurcz jest trudniejszy do określenia. Skurcz na poziomie około 1% jest rozsądnym przybliżeniem dla projektu formy, ale całkowity skurcz zmienia się w zależności od grubości ścianki i twardości, a opublikowane krzywe obejmują zakres około 0.5–2.5%. Całkowity skurcz jest sumą skurczu formującego i skurczu po formowaniu, a skurcz po formowaniu występuje nie tylko podczas wyżarzania, ale także podczas długotrwałego przechowywania — dlatego skurcz jest trudny do dokładnego przewidzenia. Skurcz po formowaniu jest większy dla miękkich gatunków i cienkich ścianek niż dla twardych gatunków i grubych ścianek. Gatunki wzmacniane włóknem szklanym kurczą się znacznie mniej: około 0.05–0.20% w kierunku przepływu i 0.1–0.5% w kierunku poprzecznym do przepływu.
Pochylenie, promienie i podcięcia
Elastyczność TPU pozwala na dość duże podcięcia, a krótkotrwałe przeciągnięcie poniżej około 5% nie powoduje trwałego odkształcenia. Pozwala to wyeliminować ruchy boczne i znacznie uprościć narzędzie. Nie usprawiedliwia to jednak niedostatecznego pochylenia: opublikowane wytyczne zalecają pochylenia co najmniej około 5°, szczególnie w przypadku miękkich skarp, ponieważ zbyt małe pochylenia nadal powodują zadrapania i przywieranie. Duże promienie naroży poprawiają przepływ i zmniejszają naprężenia zamrożone.
Żebra, wypukłości i stosunek ścian do żeber
Żebra usztywniają element, ale jednocześnie powodują zmianę przekroju, która powoduje zapadnięcie się na przeciwległej, widocznej powierzchni. Żebra proporcjonalne, aby sekcja żebra nie wprowadzała grubej masy do cienkiej ścianki, i stosuj stopniowe przejścia w miejscu styku żebra z podstawą. Nagłe zmiany sztywności żeber są znaną przyczyną powstawania linii wyboczenia – widocznych linii lub migoczących obszarów, które pojawiają się w zależności od kąta padania światła. Prawidłowy stosunek zależy od grubości ścianki, twardości i wymagań dotyczących wyglądu, dlatego lepiej jest go wyprowadzić z tych elementów, niż kopiować jako pojedynczą, uniwersalną figurę.
Lokalizacja bramki i jej wpływ na właściwości
Pozycja bramki ustala orientację molekularną, a tym samym anizotropię mechaniczną: część bramkowana na jednym końcu nie jest mechanicznie tą samą częścią, co część bramkowana w środku. Bramki powinny znajdować się w obszarze maksymalnej grubości ścianki i być wystarczająco duże, aby przenosić ciśnienie i zapobiegać powstawaniu zapadnięć.
Zalecane typy przewężek obejmują przewężki wlewowe, przeponowe, pierścieniowe i foliowe, przy czym przewężki trzpieniowe są dopuszczalne dla małych części. Przewężki podwodne nie są zalecane ze względu na wysoką elastyczność materiału i ryzyko degradacji pod wpływem ścinania, a miękkie gatunki są szczególnie podatne na problemy z nimi związane. Kanały wlewowe powinny być odpowiednio duże, aby uniknąć miejscowego ścinania i zapewnić przenoszenie ciśnienia; okrągły przekrój kanału wlewowego zapewnia najlepsze właściwości przepływu, a narzędzia wielogniazdowe wymagają zrównoważonego systemu kanałów wlewowych. W przypadku stosowania kanałów gorących preferowane są systemy z ogrzewaniem zewnętrznym.
Wyrzut, odpowietrzanie i wykończenie powierzchni
Eżektory powinny być dwa do trzech razy większe niż te stosowane do twardych tworzyw termoplastycznych i posiadać kanały odpowietrzające, aby podczas wyjmowania z formy nie powstawało podciśnienie. Powietrze musi mieć możliwość uchodzenia z formy podczas wnikania stopu: kanały odpowietrzające o głębokości około 0.02–0.05 mm, zlokalizowane na linii podziału, wkładkach i kołkach, zapobiegają powstawaniu śladów przypaleń spowodowanych sprężonym powietrzem.
Wykończenie powierzchni formy jest sprzeczne z intuicją. W przypadku TPU zaleca się powierzchnię formy o chropowatości około 25–35 µm, aby ułatwić wyjmowanie z formy; powierzchnie polerowane i chromowane są mniej odpowiednie, ponieważ sprzyjają przywieraniu, zwłaszcza w przypadku miękkich materiałów.
Projektowanie pod kątem formowania wtryskowego i połączeń wielomateriałowych
TPU dobrze łączy się z niektórymi sztywnymi podłożami poprzez dopasowanie polaryzacji i ponowne stopienie na styku, ale kompatybilność zależy od gatunku i podłoża i musi być potwierdzona testami, a nie zakładana na podstawie tabeli rodziny materiałów. Podczas formowania wtryskowego, stopiony materiał potrzebuje wystarczającej ilości ciepła resztkowego, aby nieznacznie stopić powierzchnię podłoża i utworzyć połączenie stopowe; podłoża o znacznie wyższej temperaturze topnienia wymagają bardziej mechanicznego połączenia.
Materiały na bazie poliolefin są generalnie niekompatybilne z TPU, a w szczególności polipropylen wymaga zmodyfikowanego związku lub obróbki powierzchni, takiej jak obróbka płomieniowa lub plazmowa. Nylon pochłania wilgoć, a jego zawartość wilgoci w momencie klejenia w mierzalny sposób wpływa na energię powierzchniową i jakość połączenia, dlatego proces kondycjonowania musi być kontrolowany i dokumentowany. Poliwęglan dobrze się wiąże, ale niektóre składy chemiczne klejów mogą powodować pękanie naprężeniowe, które pojawia się po kilku tygodniach. Wkładki metalowe wymagają mechanicznego połączenia – otworów, podcięć, radełkowanych rowków – oraz podkładu, a przed formowaniem powinny być czyste, odtłuszczone i odpuszczone. Jedyną wiarygodną kwalifikacją jest test odrywania specyficzny dla danego podłoża, z wykorzystaniem partii i parametrów żywicy produkcyjnej, a następnie przyspieszone starzenie.
Wybór odpowiedniego gatunku TPU
Wybór gatunku to podstawa decyzyjna, a nie lista produktów. Cecha, która najczęściej decyduje o zastosowaniu – odporność na hydrolizę, olejoodporność, twardość, przejrzystość, palność lub klasa regulacyjna – powinna decydować o wyborze.
Polieter kontra poliester kontra polikaprolakton
Skład chemiczny szkieletu materiałowego określa ograniczenia środowiskowe dla tego materiału. Gatunki polieterowe oferują odporność na hydrolizę, elastyczność w niskich temperaturach i odporność na atak mikroorganizmów, dzięki czemu nadają się do zastosowań w miejscach, gdzie woda jest czynnikiem ryzyka. Gatunki poliestrowe lepiej radzą sobie z olejami, smarami i ścieraniem, ale elastyczny poliester TPU może być atakowany i rozkładany przez grzyby i bakterie w niesprzyjających warunkach – gorącym klimacie, wysokiej wilgotności, kontakcie z glebą – co powoduje przebarwienia i pęknięcia pojawiające się w miejscach narażonych na działanie czynników zewnętrznych. Gatunki polikaprolaktonowe łączą wytrzymałość poliestrów z dobrą wydajnością w niskich temperaturach i stosunkowo wysoką odpornością na hydrolizę i są powszechnie stosowane w uszczelnieniach hydraulicznych i pneumatycznych.
Wybór twardości i co on zmienia
Twardość wpływa na temperaturę przetwarzania, czas cyklu, skurcz, możliwość wyjmowania z formy i odczucia dotykowe. Zakres 60A–75D pozwala na zastąpienie kilku rodzin materiałów jedną rodziną i umożliwia projektowanie elementów o różnych twardościach poprzez sekwencyjne formowanie wtryskowe. Praktyczną konsekwencją jest to, że zmiana twardości w trakcie projektu jest zdarzeniem ponownej walidacji: profil temperatury, naddatek na skurcz i zachowanie podczas wyjmowania z formy zmieniają się wraz z nim.
Gatunki specjalne: wypełnione szkłem, trudnopalne, przezroczyste, medyczne i do kontaktu z żywnością
Wzmocnienie szkłem zmniejsza rozszerzalność cieplną i skurcz – nawet 20% zawartości szkła zbliża współczynnik rozszerzalności cieplnej do współczynnika aluminium lub stali – a gatunki wypełnione szkłem wymagają wyższych temperatur formy dla uzyskania optymalnej powierzchni. Dostępne są gatunki trudnopalne przeznaczone do zastosowań wymagających zgodności, przy czym TPU bez właściwości trudnopalnych zazwyczaj spełniają klasyfikację HB, a gatunki trudnopalne osiągają V0 lub V2 zgodnie z normą UL 94.
Gatunki alifatyczne są światłoodporne i oferują doskonałą przejrzystość optyczną, dlatego są stosowane wszędzie tam, gdzie ważna jest stabilność koloru i transparentność; gatunki aromatyczne mogą żółknąć pod wpływem promieniowania UV. Gatunki medyczne są zgodne z normami biokompatybilności, takimi jak ISO 10993-1, i są kompatybilne ze sterylizacją tlenkiem etylenu, promieniowaniem gamma, suchym ciepłem, wiązką elektronów i nadtlenkiem wodoru. Gatunki do kontaktu z żywnością są produkowane zgodnie z zasadami Dobrej Praktyki Produkcyjnej (GMP). Gatunki specjalistyczne często zawężają okno przetwarzania, dlatego karta katalogowa ma większe, a nie mniejsze znaczenie.
Dodatki, barwniki i przemiał
Kompatybilność barwników jest częstym problemem. Barwniki bazujące na TPU to najprostsze i najpewniejsze rozwiązanie; barwniki na bazie SAN nadają się w ograniczonym zakresie; barwniki na bazie poliolefin i PVC nie są odpowiednie. Dozowanie zazwyczaj wynosi 1.0–4.0% w zależności od grubości ścianki i gęstości koloru. Pasty barwiące, barwniki płynne i pigmenty stosuje się w stężeniu około 0.2–1.0%. Wszystkie barwniki i dodatki funkcjonalne muszą być wstępnie wysuszone.
Przemiał nadaje się do użytku w pewnych granicach. Czysty, posortowany złom może zostać poddany recyklingowi po odpowiednim przetworzeniu i wysuszeniu, w proporcjach powszechnie stosowanych do 30%, przy czym przemiał odpowiada materiałowi pierwotnemu pod względem rodzaju i twardości Shore'a oraz jest wolny od zanieczyszczeń. Przemiał powinien być idealnie pokrojony w kostkę, wysuszony i ponownie użyty bez pośredniego składowania; zanieczyszczony lub zdegradowany materiał nie nadaje się do tego celu, a wielokrotne cykle recyklingu obniżają jego jakość. Szczegółowe wymagania jakościowe mogą całkowicie wykluczać przemiał, a zastosowania optyczne i medyczne często ograniczają lub wręcz zabraniają jego stosowania.
Gdzie stosuje się formowanie wtryskowe TPU
Formowanie wtryskowe TPU znajduje swoje miejsce w branży, gdy element wymaga odporności na ścieranie, wytrzymałości na zmęczenie zginaniem, elastyczności bez plastyfikatorów lub miękkiej w dotyku powierzchni połączonej ze sztywnym podłożem. Poniższe podsekcje łączą każdy obszar zastosowania z właściwością, która go uzasadnia.
Motoryzacja i transport
Uszczelki, podkładki, osłony, tuleje, elementy wnętrza typu soft-touch, elementy osłon kabli i elementy pod maską – wszystkie te elementy wykorzystują odporność TPU na ścieranie, olej i smar oraz elastyczność w szerokim zakresie temperatur. Czynnikiem ograniczającym jest górny limit temperatury: przy ciągłym użytkowaniu zazwyczaj podaje się temperaturę 80–100°C dla gatunków polieterowych i 100–120°C dla gatunków poliestrowych, dlatego elementy pod maską muszą mieścić się w tym zakresie. Wewnętrzne elementy typu soft-touch często wykorzystują TPU natryskiwane na sztywne podłoże.
Urządzenia medyczne i opieki zdrowotnej
Cewniki i ich komponenty, elementy do pielęgnacji ran, elementy do odprowadzania płynów, łączniki rurek i obudowy urządzeń wykorzystują TPU klasy medycznej ze względu na połączenie elastyczności, przezroczystości, odporności chemicznej i możliwości sterylizacji – bez dodatku plastyfikatorów. Zastosowania cewników obejmują urologię, wkłucia dożylne, gastroenterologię, balonowanie i leczenie chorób układu krążenia. W opiece nad ranami TPU jest wykorzystywane w opatrunkach, plastrach do podawania leków, wkładach do worków stomijnych, obłożeniach chirurgicznych i ochraniaczach materacy, gdzie liczy się przejrzystość, odporność na zagięcia i hydrolizę.
Produkty konsumenckie i Elektronika
Etui ochronne, bumpery, paski do noszenia, uchwyty i obudowy z miękkiego materiału to główne zastosowania konsumenckie. Powłoki TPU na poliwęglanie i TPU na ABS są powszechnie stosowane do ochrony urządzeń, wykorzystując korzystne dopasowanie polaryzacji tych podłoży. Paski do zegarków i pasków do noszenia również są kompatybilne ze skórą.
Obuwie i sport
Podeszwy, podeszwy środkowe, korki, ochraniacze i komponenty sportowe wykorzystują TPU, aby zapewnić odporność na ścieranie i zmęczenie materiału. Obuwie to również obszar, w którym często stosuje się narzędzia aluminiowe: formy aluminiowe są ekonomiczne i dobrze nadają się do krótszych serii, typowych dla tego sektora.
Przemysł, Robotyka i Automatyzacja
Koła, rolki, pasy, chwytaki, miechy, membrany i amortyzatory drgań zależą od odporności na ścieranie, wytrzymałości na rozdarcie i zmęczenia zginanego. Elementy te często łączą wysokie obciążenia cykliczne z narażeniem na działanie olejów i smarów, dlatego profil odporności gatunków poliestru staje się istotny.
TPU kontra inne materiały i procesy
Porównania są przydatne tylko w odniesieniu do czynników decydujących o projekcie: wydajności mechanicznej, maksymalnego pułapu temperaturowego, odporności chemicznej, trudności obróbki, oprzyrządowania i kosztu jednostkowego. Każda z poniższych alternatyw w jakimś miejscu wygrywa, a celem porównania jest wskazanie gdzie.
Związki TPU kontra TPE (TPS i TPV)
TPU to elastomer termoplastyczny wytwarzany w reaktorze: jego właściwości są zawarte w jednym polimerze. TPS i TPV to związki chemiczne, powstające w wyniku stopienia fazy gumowej z tworzywem termoplastycznym. TPU charakteryzuje się wysoką wytrzymałością mechaniczną i bardzo dobrą odpornością na ścieranie, a ponadto jest znacznie twardszy niż typowe produkty TPS, dlatego rzadko bezpośrednio ze sobą konkurują. TPS i TPV wygrywają pod względem miękkości, chwytu i niższych wymagań procesowych; TPU wygrywa pod względem wytrzymałości i odporności na zużycie.
TPU kontra silikon
TPU oferuje lepszą odporność na ścieranie, wyższą wytrzymałość na rozciąganie i niższy koszt. Silikon oferuje znacznie szerszy zakres temperatur – od około −60 do 200°C w porównaniu z około −40 do 120°C w przypadku TPU – i utrzymuje pozycję lidera w zastosowaniach implantologicznych i w ekstremalnych temperaturach. Wybierz TPU, gdy wydajność mechaniczna i koszt są ważniejsze niż ekstremalne temperatury lub biokompatybilność implantów.
TPU kontra guma termoutwardzalna
TPU wygrywa pod względem czasu cyklu, odzysku odpadów, swobody projektowania i możliwości łączenia: brak etapu wulkanizacji, potencjał ponownego szlifowania oraz możliwość formowania złożonych geometrii i łączenia z podłożami. Kauczuk termoutwardzalny zachowuje doskonałe odkształcenie trwałe w wysokich temperaturach i ma ugruntowaną pozycję w dziedzinie uszczelnień dynamicznych. Odkształcenie trwałe TPU poprawia się wraz z wyżarzaniem, ale pozostaje kwestią bardziej projektową niż rozwiązanym problemem.
TPU kontra TPEE, PVC i polipropylen
W porównaniu z TPEE, TPU generalnie oferuje lepszą odporność na zmęczenie i ścieranie, podczas gdy TPEE oferuje przewagę pod względem odporności na ciepło i hydrolizę. W porównaniu z plastyfikowanym PVC, TPU unika problemów regulacyjnych i migracji związanych z plastyfikatorami, a także oferuje wyższą wytrzymałość mechaniczną. W porównaniu z polipropylenem, TPU oferuje elastyczność i odporność na zużycie, podczas gdy PP wygrywa pod względem kosztów i obojętności chemicznej – a jak zauważono w części poświęconej projektowaniu, PP jest jednym z najtrudniejszych podłoży do łączenia TPU.
Formowanie wtryskowe TPU a wytłaczanie, formowanie rozdmuchowe i Druk 3D
TPU przetwarza się na standardowych urządzeniach do tworzyw termoplastycznych różnymi metodami, a wybór zależy od geometrii i objętości elementu. Formowanie wtryskowe jest odpowiednie do produkcji złożonych, wymagających ścisłych tolerancji wymiarowych i wielkoseryjnych elementów. Wytłaczanie obejmuje profile ciągłe, rury, osłony kabli i folie. Formowanie rozdmuchowe obejmuje korpusy puste. Metody addytywne są odpowiednie do prototypów, produkcji w małych seriach i produkcji o strukturze kratownicy. Przy bardzo małych seriach obróbka skrawaniem elementu z półproduktu TPU może być lepszym rozwiązaniem — chociaż wytwarzanie ciepła przez TPU podczas obróbki wymaga chłodzenia i odpowiedniej geometrii narzędzia.
Zapobieganie usterkom i rozwiązywanie problemów
Większość defektów TPU wynika z wilgoci, ścinania, odpowietrzania lub konstrukcji bramki. Uporządkowanie diagnozy według objawów i wiedza, który kierunek parametru zazwyczaj rozwiązuje każdy z nich, skraca cykl od defektu do naprawy.
Wady spowodowane wilgocią: rozpryski, srebrzyste smugi i pęcherzyki
Rozpryski pojawiają się jako białawe, szorstkie plamy; rozległe srebrne smugi jako wydłużone prążki penicylatowe; duże pęcherze jako wypełnione powietrzem wgłębienia w ściance. Wszystkie trzy mogą być spowodowane wilgocią, chociaż przegrzanie i zbyt długi czas przebywania mogą powodować podobne białawe plamy. Środki zaradcze obejmują sprawdzenie wydajności suszarki i samego procesu suszenia, sprawdzenie temperatury i czasu przebywania stopu, zmniejszenie prędkości ślimaka oraz upewnienie się, że zasobnik jest cały czas zakryty. Małe pęcherze mogą również pochodzić z wlotu powietrza podczas dozowania; w takim przypadku pomocne jest utrzymanie ciśnienia wstecznego w dopuszczalnych granicach i skrócenie czasu wycofywania ślimaka.
Wady przepływu i wypełnienia: niedokładne wtryski, strumienie i linie przepływu
Krótkie wytłoczenie pojawia się na końcu ścieżki przepływu lub w miejscach o cienkich ściankach. Wytryskiwanie objawia się śladem w kształcie litery S w pobliżu wlewu lub przewężki, spowodowanym przez nieodpowiednią przewężkę lub gardziel, która nie wytwarza przepływu czołowego. Linie przepływu pojawiają się na żebrach i zmianach przekroju. Kierunkiem korygującym jest stopniowanie prędkości wtrysku – od wolnej do szybkiej – zmiana rozmiaru i położenia przewężki za pomocą powierzchni deflektora oraz stopniowe zmiany ścianek. Podniesienie temperatury stopu i formy oraz zwiększenie grubości ścianek lub skrócenie ścieżek przepływu również pomaga w przypadku, gdy stop jest po prostu zbyt lepki dla danej geometrii.
Wady termiczne: ślady przypaleń, czarne plamy i degradacja
Przypalenia powstają w wyniku działania sprężonego powietrza w komorze wtryskowej, dlatego pierwszym krokiem jest optymalizacja odpowietrzania, szczególnie w pobliżu przewodów przepływowych i na końcu ścieżki przepływu, oraz sprawdzenie kanałów odpowietrzających. Czarne plamy i okresowe przebarwienia powstają w wyniku martwych punktów na powierzchniach uszczelniających, zmian przekroju poprzecznego lub zagięć w kanale gorącym, gdzie materiał osadza się i zwęgla; usunięcie martwych punktów i sprawdzenie powierzchni uszczelniających to rozwiązanie. Przebarwienia spowodowane przegrzaniem i długim czasem przebywania wymagają niższej temperatury stopu, krótszego czasu przebywania i płukania po przerwach.
Wady wymiarowe i wady wyjmowania z formy: zapadnięcie, odkształcenie, wypływka i przyklejanie
Wgłębienia powstają w wyniku niewystarczającego docisku lub niedopasowania ścianki do żebra; rozwiązaniami są zwiększenie docisku i czasu docisku, powiększenie otworu dyszy i przekroju kanału wlewowego oraz dostosowanie stosunku ścianki do żebra. Wypaczeniu przeciwdziała się poprzez zrównoważenie temperatury formy i równomierności chłodzenia oraz wyrównanie różnic prędkości między czołami przepływu w przypadku stosowania wielu przewężek. Wypływki powstają w wyniku nadmiernego ciśnienia w gnieździe formy lub niewystarczającej siły docisku i można je wyeliminować poprzez wcześniejsze przełączenie na docisk, obniżenie ciśnienia docisku i zwiększenie siły docisku. Przywieranie i zadrapania są spowodowane niewystarczającym pochyleniem formy, wypolerowanymi powierzchniami formy, podciśnieniem podczas wypychania lub przedwczesnym wypychaniem — dlatego rozwiązaniami są: większy pochylenie formy, zalecana chropowatość powierzchni, zoptymalizowane odpowietrzanie i dłuższe chłodzenie.
Wybór NOBLE do wsparcia projektu formowania wtryskowego TPU
NOBLE to chiński producent kontraktowy, który wspiera programy formowania wtryskowego TPU od fazy koncepcyjnej do produkcji. NOBLE to chińsko-brytyjskie przedsiębiorstwo joint venture, wyróżnione przez rząd tytułem „Narodowego Przedsiębiorstwa Zaawansowanych Technologii”, z ponad 10-letnim doświadczeniem w kompleksowym świadczeniu usług produkcji na zamówienie, od prototypowania po produkcję. Misją firmy jest przekształcanie koncepcji w rzeczywistość poprzez produkcję na żądanie, spełniającą rygorystyczne standardy tolerancji i jakości.
Model usług obejmuje cały łańcuch dostaw, a nie tylko produkcję: wsparcie projektowe, prototypowanie, oprzyrządowanie, formowanie, kontrolę i montaż. Firma NOBLE posiada certyfikaty ISO 9001:2015 i ISO 13485:2016, a jej kompetencje inżynieryjne i jakościowe mają na celu pomóc klientom sprawnie przejść od prototypu do produkcji seryjnej. Wycena jest szybka — profesjonalna oferta może zostać sporządzona w ciągu 24 godzin od zapytania ofertowego (RFQ) zawierającego niezbędne informacje — a krótkie terminy realizacji są częścią oferowanej oferty.
Jeśli chcesz wyprodukować część TPU, następnym krokiem jest wysłanie zapytania ofertowego (RFQ) zawierającego informacje o części opisane w sekcji FAQ poniżej; NOBLE odpowie, przesyłając wycenę.
W jaki sposób NOBLE wspiera każdy etap programu TPU
Etapy opisane wcześniej w tym przewodniku wpisują się w oferowaną przez NOBLE ofertę usług w następujący sposób. Na etapie wymagań i projektowania, NOBLE zapewnia wsparcie projektowe, gdzie dane z działu DFM dotyczące przejść między ściankami, położenia wlewu i tolerancji na skurcz są najbardziej cenne. W przypadku prototypowania, możliwości szybkiego prototypowania NOBLE pozwalają na weryfikację projektu przed zatwierdzeniem oprzyrządowania. Oprzyrządowanie i formowanie odbywają się wewnętrznie, a kontrola jakości opiera się na pełnym zestawie sprzętu kontrolnego i ogólnym systemie kontroli jakości. Montaż uzupełnia łańcuch dostaw, dzięki czemu program nie musi być dzielony na wielu dostawców.
Każda z tych możliwości jest częścią kompleksowej oferty NOBLE. Szczegółowy zakres danej części – jakie etapy są w niej uwzględnione i według jakiej specyfikacji – jest potwierdzony w ofercie.
Systemy jakości i znaczenie dla wyrobów medycznych
Norma ISO 9001:2015 certyfikuje udokumentowany system zarządzania jakością; norma ISO 13485:2016 certyfikuje system zarządzania jakością dostosowany do produkcji wyrobów medycznych. Dla kupującego oznacza to, że procesy, dokumentacja i działania korygujące są zgodne z audytowalnymi ramami, a nie zależą od indywidualnych praktyk.
Certyfikacja wspiera proces zapewnienia jakości, ale sama w sobie nie certyfikuje konkretnej części. Walidacja na poziomie części oraz wszelkie wymogi regulacyjne wymagane dla danego urządzenia pozostają specyficzne dla danego projektu i są uzgadniane w ramach programu.
Najczęściej zadawane pytania dotyczące formowania wtryskowego TPU
Do jakiej zawartości wilgoci należy wysuszyć TPU przed formowaniem?
Opublikowane wartości docelowe wahają się od poniżej około 0.02% do poniżej 0.05% wilgotności resztkowej, w zależności od źródła i gatunku. Suszenie odbywa się zazwyczaj w temperaturze około 110°C w suchym lub obiegowym powietrzu, przy czym niektóre wytyczne podają temperaturę 80–110°C w zależności od twardości i czas suszenia od jednej do trzech godzin. Decydujące znaczenie ma karta katalogowa gatunku. Patrz etap suszenia powyżej.
Czy TPU można przeszlifować i ponownie uformować?
Tak, w pewnych granicach. Przemiał należy pokroić, wysuszyć i niezwłocznie ponownie wykorzystać, w proporcjach powszechnie stosowanych do 30%, odpowiadających pod względem rodzaju i twardości surowcowi pierwotnemu. Zanieczyszczony lub zdegradowany materiał jest nieodpowiedni, wielokrotny recykling obniża jakość, a określone wymagania mogą całkowicie wykluczać przemiał.
Dlaczego elementy TPU czasami odbiegają wymiarowo po uformowaniu?
Ponieważ całkowity skurcz jest sumą skurczu formującego i skurczu po formowaniu, a skurcz po formowaniu utrzymuje się podczas wyżarzania i długotrwałego przechowywania. Na skurcz wpływają grubość ścianki, konstrukcja wlewu i warunki obróbki, a skurcz po formowaniu jest większy w przypadku miękkich gatunków i cienkich ścianek. Skurcz należy walidować na rzeczywistym narzędziu, a nie na podstawie pojedynczej wartości nominalnej.
Czy TPU nadaje się do produkcji elementów urządzeń medycznych?
Istnieją gatunki TPU klasy medycznej, które spełniają normy biokompatybilności, takie jak ISO 10993-1, i są kompatybilne ze sterylizacją tlenkiem etylenu, promieniowaniem gamma, suchym ciepłem, wiązką elektronów i nadtlenkiem wodoru. Przydatność zależy od konkretnego gatunku, zastosowania i ścieżki regulacyjnej, a nie tylko od rodziny materiałów.
Jak TPU wypada w porównaniu z silikonem w przypadku elastycznych części?
TPU oferuje lepszą odporność na ścieranie, wyższą wytrzymałość na rozciąganie i niższy koszt, a jego zakres temperatur pracy wynosi od około −40 do 120°C. Silikon oferuje znacznie szerszy zakres, od około −60 do 200°C, i sprawdza się w zastosowaniach implantologicznych i w ekstremalnych temperaturach. Wybór zależy od tego, której z tych różnic dana część faktycznie potrzebuje.
Co jest przyczyną powstawania czarnych plamek lub śladów przypalenia na listwach TPU?
Martwe punkty w gorącym kanale, dyszy lub powierzchniach uszczelniających, w których gromadzi się i zwęgla materiał; przegrzanie i długi czas przebywania; oraz niewystarczające odpowietrzanie, które pozwala sprężonemu powietrzu przypalić element. Postępowanie naprawcze polega na usunięciu martwych punktów, sprawdzeniu odpowietrzania, przedmuchaniu po przerwach oraz sprawdzeniu temperatury stopu i prędkości ślimaka.
Czy TPU można formować metodą wtryskową na sztywne tworzywa sztuczne?
Tak, ale wiązanie zależy od rodzaju i rodzaju podłoża. ABS i poliwęglan zazwyczaj dobrze się wiążą, wilgotność nylonu wpływa na jakość wiązania, a poliolefiny, takie jak polipropylen, zazwyczaj wymagają modyfikacji związków chemicznych lub obróbki powierzchni. Kwalifikacja powinna zostać przeprowadzona poprzez test odrywania z wykorzystaniem partii i parametrów żywicy produkcyjnej, a następnie przyspieszone starzenie.
Jak rozpocząć projekt formowania wtryskowego TPU w firmie NOBLE?
Udostępnij rysunek części lub model 3D, wymagania dotyczące zastosowania (cykl pracy, temperatura, narażenie na działanie substancji chemicznych, klasa regulacyjna), docelową twardość i objętość oraz wszelkie ograniczenia regulacyjne, a następnie prześlij zapytanie ofertowe (RFQ). NOBLE może przedstawić profesjonalną wycenę w ciągu 24 godzin od otrzymania niezbędnych informacji.
