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3D打印TPU材料的研究與應用

發(fā)布時間：2024-01-27 點擊次數(shù)：1866

東莞市戈塑新材料有限公司

中國智造匠心造材（東莞市戈塑新材料有限公司）專注彈性體TPE/TPR/TPU/TPV/TPEE的研發(fā)與生產，塑造每一顆環(huán)保材料的品質與創(chuàng)新

。

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3D打印TPU材料的研究與應用

經(jīng)過數(shù)十年的高速發(fā)展

，3D打印技術已在科研

、制造

、建筑

、藝術

、醫(yī)學、航空航天和影視等領域得到了良好的應用

。目前，3D打印的可用材料主要包括聚合物

、金屬、陶瓷

、復合材料等。其中

，3D打印聚合物材料是應用最早

、最廣泛的3D打印材料

，占目前3D打印材料市場的70%以上

。

熱塑性聚氨酯彈性體（TPU）與其他可用于3D打印的原材料（如聚乳酸、聚碳酸酯

、尼龍等）相比，TPU材料的最大優(yōu)勢在于其軟硬段由不同的材料構成

，這使得其同時具有橡膠的高彈性和塑料的高強度

。通過控制軟段和硬段的成分與比例

，可合成出結構多樣

、用途廣泛的各類TPU產品。

此外

，3D打印TPU材料的耐磨性

、耐油性

、耐候性、拉伸強度

、硬度范圍等性能相較于同類產品均屬于優(yōu)良水平。不僅如此

，TPU材料還具有良好的生物相容性與形狀記憶性能

。綜上

，TPU是一種綜合性能優(yōu)秀的彈性體材料

，是3D打印工藝的候選原材料之一

。

、3D打印TPU材料的工藝及改性方法

(1) 3D打印TPU材料的工藝

目前

，3D打印領域主要利用熔融沉積成型（FDM）技術對TPU材料進行3D打印。FDM工藝是3D打印中較為成熟的一種工藝

，其工作原理為：利用熱源對絲狀材料進行熔化

，并采用三軸控制系統(tǒng)移動熔絲材料

，逐層堆積成型為三維實體

。絲狀材料通過送絲結構送進噴頭，在噴頭內被加熱熔化

；噴頭在計算機控制下沿零件層片輪廓和填充軌跡運動

，同時將熔融的材料擠出，使其沉積在指定的位置后凝固成型

，與周圍已經(jīng)成型的材料黏結，層層堆積成型后完成零件制造

。

圖 FDM工藝原理示意圖

該技術最大的優(yōu)點就是成型材料的廣泛性，通常采用熱塑性聚合物材料作為加工原料

。目前常用的FDM打印材料有熱塑性聚氨酯彈性體（TPU）、聚碳酸酯（PC）

、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物（ABS）

、高抗沖聚苯乙烯（HIPS）

、聚乳酸（PLA）等

。

（2）關于改善3D打印TPU材料耐熱性

在利用FDM技術對TPU材料進行3D打印的過程中

，溫度的控制是工藝的關鍵參數(shù)。TPU的耐熱性能可用其熱分解溫度與軟化溫度來衡量

，一般長期使用溫度不超過80℃

，其短期使用溫度不超過120℃

，因此其耐熱性較差

，這很大程度上限制了其應用范圍。因此

，需要通過各種方法提升TPU的耐熱性能。

首先

，可以通過改變原材料的種類和配方來提升TPU的耐熱性。TPU的軟硬段含量對其耐熱性具有較大影響

。在TPU材料的微觀結構

，聚合物多元醇構成TPU的軟段

，而異氰酸酯和擴鏈劑的用量則會影響TPU的硬段含量

，具體如下圖所示

。對于多元醇組分而言

，其結構與所含有的基團種類均會影響TPU材料的熱穩(wěn)定性

。相關研究表明，當其結構規(guī)整度提高或含有耐熱解溫度高的基團時

，都會提升材料的熱穩(wěn)定性。

圖聚氨酯的軟段和硬段分別決定了材料不同的性能

對異氰酸酯組分而言

，其硬段是影響TPU耐熱性能的主要因素。一般情況下

，異氰酸酯純度越高

，異構體越少

，制得的TPU規(guī)整度越高

，耐熱性也就越好

。在制備過程中，TPU常用的擴鏈劑有醇類和胺類兩種

，其對稱性越好

、規(guī)整度越高

，對TPU產品的耐熱性提升程度也就越大

。除以上3個主要組分外，在TPU制備的過程中還會根據(jù)不同的產品加入不同的催化劑

、交聯(lián)劑等助劑

。研究發(fā)現(xiàn)，在加入交聯(lián)劑后

，制成的彈性體在硬段間形成化學交聯(lián)

，透光率、熱穩(wěn)定性和力學性能與未加交聯(lián)劑的聚氨酯彈性體相比有明顯提高

。

其次

，也可以通過材料改性提升TPU的耐熱性。目前

，材料改性提升TPU耐熱性的主要方法有加入有機硅材料、加入填料復合以及引入分子內基團

。有機硅材料的主鏈是由Si-O-Si鍵交替組成的穩(wěn)定骨架

。在分子鏈中

，有機基團與硅原子相連形成側基

，這種結構使其具有耐老化

、耐化學腐蝕、耐高/低溫等優(yōu)異性能

。有機硅可以與聚氨酯預聚體共聚

，也可用作改性劑添加入聚氨酯體系中改善聚氨酯制品某方面的性能。

此外

，一些無機填料，如炭黑

、碳纖維、碳酸鈣等

，也可提升TPU的耐熱性能

。加入微米級無機填料后的TPU產品的耐熱性能要明顯好于普通TPU產品

。

除上述主要改性方法外

，還可通過配方設計、在聚合物中形成互穿網(wǎng)絡等方式對TPU耐熱性進行改善

。

（3）關于改善3D打印TPU材料力學性能

材料的力學性能是指材料在不同環(huán)境下，承受各種外加載荷時所表現(xiàn)出的力學特征

，包括硬度、脆性

、強度

、塑性

、剛性等

。在3D打印TPU材料的過程中，樣品的各項力學指標是影響產品質量的重要因素

。

（4）關于改善3D打印TPU材料其他性能

除耐熱性與力學性能外，導熱性也是評價材料熱力學性能的重要指標

。近年來，研究者們對3D打印TPU材料的其他方面物化性能的改善也進行了深入的研究

。

本征型自愈聚合物（SHP）是一種人造聚合物

，其可通過自主或按需修復損傷（如裂縫或劃痕）的方式來延長產品的使用壽命。近年來

，由于TPU材料的愈合條件簡單（室溫下即可愈合）且力學性能良好

，故其在自愈合聚合物領域也引起了廣泛關注。為了探索TPU的自愈性能

，研究人員研究出了一種基于FDM法的3D打印方法，研究發(fā)現(xiàn)

，與商用3D打印聚氨酯相比

，3D打印的SHTPU雖然力學性能略低于商用聚合物產品，但打印部分形狀完整

，有良好的自修復能力，具有較高的研究價值

。

形狀記憶效應是指固體材料在某種條件下經(jīng)過一定的塑性變形后

，加熱到一定溫度時

，材料又完全恢復到變形前初始形狀的現(xiàn)象

。TPU是有代表性的熱刺激形狀記憶聚合物（SMP），在過去的幾十年間被廣泛用于SMP的研究

。在所有的制造方法中，只有3D打印方法能夠低成本高效率生產定制的復雜結構

。因此，利用3D打印方法研究TPU的形狀記憶效應是很有前景的研究方向

。

除上述性能外，對TPU材料的改性研究還包括耐老化性

、耐燃性

、生物相容性等方面?div id="d48novz" class="flower left">

？傊琓PU材料具有良好的加工和改性性能

，通過不同的改性方法都可以使其性能有所提升

。

2、3D打印TPU材料的應用

TPU材料既有橡膠的高彈性又有塑料的剛性

，可熔融加工并適用于高精度和高分辨率打?div id="d48novz" class="flower left">

。黄溆捕确秶^寬且力學性能易于調控

，同時還具有一定的耐磨性

、耐油性、耐老化性

，結合3D打印技術

，可以制造出傳統(tǒng)工藝難以制造的復雜多孔結構。因此

，目前通過3D打印工藝制成的TPU材料

，尤其是FDM技術加工出的TPU絲狀線材已經(jīng)廣泛的應用于設計領域、鞋材領域

、服裝領域、生物醫(yī)用領域

、汽車領域

、影視動畫等。

TPU應用市場分布

(1)3D打印TPU材料在鞋材領域的應用

TPU具有優(yōu)良的彈性

、耐磨性、抗撕裂性和彎曲性

，滿足了鞋材行業(yè)的要求

。因此，TPU材料被廣泛應用于運動鞋氣墊

、高爾夫鞋、溜冰鞋等領域

。TPU材料的斷裂伸長率很大

，利用材料的特性，制造商可以制造出抗疲勞性能良好的鞋材材料

，結合3D打印工藝進行生產后，可去除模具成本

，有效節(jié)約制造時間

。

幾個品牌的TPU SLS 3D打印鞋

在此前的一項研究中

，美國Nike公司與法國的3D打印公司Prodways正在合作使用TPU材料進行鞋的3D打印

。這項技術可以用來生產鞋的外底、中底和鞋墊，其斷裂伸長率可超過300%

，性能優(yōu)異，可滿足客戶個性化定制的需求

。

(2)3D打印TPU材料在服裝領域的應用

TPU材料本身無毒無害

，因此可以直接接觸皮膚

，是服裝3D打印較為理想的材料

。與傳統(tǒng)服裝材料相比，3D打印材料的優(yōu)勢在于其動態(tài)表面材料可以定制

，易于控制孔隙大小

、體積、形狀等多方面的設計參數(shù)

，從而設計出有良好合體感的各類服飾

。3D打印可以得到復雜結構

，這可以豐富設計師的設計思路

，使得生產出的服裝更具個性化。因此

，雖然3D打印技術在服裝領域起步較晚

，但發(fā)展迅速。

(3)3D打印TPU材料在汽車領域的應用

3D打印可以制造汽車企業(yè)急需的零部件

，在節(jié)約制造成本的同時快速地對產品進行個性化制造和參數(shù)校正，解決實際應用問題

。因此

，3D打印TPU材料在汽車領域得到了較為廣泛的應用。有研究表明TPU材料的耐磨性優(yōu)于天然橡膠

、丁二烯橡膠和丁苯橡膠

。此外，研究人員還結合TPU材料的3D打印工藝

，利用FDM技術成功制造了非充氣輪胎（如下圖所示）

。

（a）安裝輪輞結構的非充氣輪胎

；（b）非充氣輪胎性能試驗圖

(4)3D打印TPU材料在生物醫(yī)藥領域的應用

3D打印在醫(yī)學領域進展迅速

，目前可以實現(xiàn)人體部分器官的打印，具有重要的研究意義

。TPU材料由于具有優(yōu)異的力學性能與良好的生物相容性

，被廣泛用于長期植入的醫(yī)用器械及人工器官。在生物材料領域

，3D打印TPU材料主要被用于組織工程支架

。

Formlabs

(5)3D打印TPU材料在其他領域的應用

除上述領域以外，3D打印TPU材料在很多其他領域也有著廣泛應用

。在建筑領域中

，利用TPU材料和3D打印技術，可打印形成高強度

、高剛度

、結構復雜的建筑材料，其具有較好的綜合經(jīng)濟效益

。在航空航天領域中，TPU線材可用于制造高精度零件

，結合FDM技術

，可加快先進材料的研發(fā)過程。

在影視動畫領域中

，由于TPU材料的柔性較好

，經(jīng)久耐用

，因此其常用于3D打印各類人物模型

。在教育領域中，TPU材料也可用于教學用具

、模型的3D打印

，使得課堂教學過程更加生動形象。

總結與展望

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！1分鐘帶你看懂TPE/TPU特性及應用

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