TPU یا ترموپلاستیک پلی‌اورتان، نوعی از الاستومرهای ترموپلاستیک (TPE) است که معمولاً توسط تولیدکنندگان در صنایع خودرو، حمل‌ونقل، هوافضا، کالاهای ورزشی و دستگاه‌های پزشکی استفاده می‌شود. TPU دوام بالای قطعات پلاستیکی را با انعطاف‌پذیری قطعات لاستیکی ترکیب می‌کند و آن را برای کاربردهایی که نیاز به خم‌شدن یا فشرده‌شدن مکرر دارند، ایده‌آل می‌سازد.
به‌دلیل انعطاف‌پذیری، TPU اغلب به‌عنوان اصلاح‌کننده ضربه در محصولاتی مانند کلاه‌های ایمنی، بسته‌بندی‌های محافظ، محصولات ضد لرزش و واشرها یا درزگیرها استفاده می‌شود. TPU همچنین مقاومت عالی در برابر سایش دارد و در محیط‌های با اصطکاک بالا مانند فضای داخلی خودرو یا برای کابل‌ها و عایق‌های الکتریکی مورد اعتماد است. برای کاربردهای این صنایع که اغلب با روغن سروکار دارند، TPU به‌دلیل مقاومت در برابر لکه‌های روغنی نیز قابل اعتماد است.
TPU چگونه ساخته می‌شود؟
محصولات TPU در زندگی روزمره بسیار رایج هستند و محبوبیت آنها باعث شده برای تولید انبوه ایده‌آل باشند، که معمولاً از طریق فرآیندهای سنتی قالب‌گیری تزریقی انجام می‌شود. بسیاری از محصولاتی که آنها را لاستیک در نظر می‌گیریم، در واقع TPU هستند.
قالب‌گیری تزریقی روشی مقرون‌به‌صرفه برای تولید قطعات در حجم انبوه است، اما از نظر انعطاف‌پذیری هندسی یا سفارشی‌سازی محدودیت‌هایی دارد. قطعات قالب‌گیری تزریقی استاندارد هستند تا در تعداد صدها هزار تا میلیون‌ها عدد تولید شوند. بنابراین، برای صنایعی مانند تولید دستگاه‌های پزشکی یا کالاهای ورزشی، تقاضا برای جایگزین‌هایی وجود دارد که برای تولید با حجم کم یا سفارشی‌سازی مناسب باشند.
تولید انبوه همچنین مانع از این می‌شود که کسب‌وکارهای کوچک و استارت‌آپ‌ها بتوانند محصولات خود را به‌سرعت به بازار عرضه کنند، زیرا آنها برای تولید خارجی به قالب‌گیران صنعتی بزرگ وابسته هستند.
چرا TPU را با پرینت سه بعدی تولید کنیم؟
پرینت سه بعدی TPU و مواد TPE فرصت‌هایی خارج از فرآیندهای سنتی برای قطعات با پیچیدگی هندسی بیشتر، طراحی‌های شخصی‌سازی‌شده یا سفارشی، تکرار و طراحی سریع‌تر و تولید کم‌حجم مقرون‌به‌صرفه‌تر فراهم می‌کند.
گزینه‌های مختلفی برای پرینت سه بعدی TPU وجود دارد، از جمله فناوری‌های مدل‌سازی رسوب ذوب‌شده (FDM) و جوش لیزری انتخابی (SLS). با پیشرفت فناوری و مواد پرینت سه بعدی، تعداد تولیدکنندگانی که این فرآیند را در کار خود ادغام کرده‌اند، به‌طور تصاعدی افزایش یافته است.
پرینت سه بعدی TPU چرخه تکرار کوتاه‌تری برای کاربردهای نمونه‌سازی سریع و همچنین امکان سفارشی‌سازی برای تولید قطعات نهایی را فراهم می‌کند. در صنایعی که یک مرحله از فرآیند توسعه محصول به‌طور سنتی برون‌سپاری می‌شود (معمولاً مرحله تولید انبوه)، پرینت سه بعدی می‌تواند یک فرآیند یکپارچه و بهبودیافته از ابتدا تا انتها ایجاد کند.
پرینت سه بعدی TPU همچنین می‌تواند به تولیدکنندگان کمک کند تا تقاضای کالاهای سفارشی و شخصی‌سازی‌شده را برآورده کنند. بر اساس مطالعه Deloitte، در برخی دسته‌ها، بیش از 50% از مصرف‌کنندگان علاقه‌مند به خرید محصولات یا خدمات سفارشی‌سازی‌شده بودند و اکثر آنها مایل بودند برای یک محصول یا خدمات سفارشی هزینه بیشتری بپردازند. برای کاربردهایی که TPU و لاستیک معمولاً استفاده می‌شوند، مانند دستگاه‌های محافظتی مانند کلاه‌های ایمنی یا ارتز و کفی‌های کفش، قطعات پرینت سه بعدی TPU برای بالشتک‌های کلاه ایمنی سفارشی‌سازی‌شده، ارتز، تجهیزات ورزشی، عینک‌ها، هدست‌ها یا اجزای ارگونومیک برای محصولات فناوری ایده‌آل هستند.
پوشش دست مصنوعی چاپ‌شده با پودر TPU 90A انعطاف‌پذیر، قوی و بادوام است.
چگونه با TPU پرینت سه بعدی کنیم؟
TPU را می‌توان روی چاپگرهای سه بعدی FDM یا SLS پرینت کرد. هر فناوری مزایای منحصر به‌فردی دارد و قبل از انتخاب فناوری، مهم است که مشخص کنید چه چیزی برای فرآیند کاری و نیازهای کسب‌وکار شما بهترین است.
| پرینت سه بعدی TPU با FDM | پرینت سه بعدی TPU با SLS | |
| استحکام مواد کارکردی | ★★☆☆☆ | ★★★★★ |
| وضوح | ★★☆☆☆ | ★★★★☆ |
| دقت | ★★★★☆ | ★★★★★ |
| پرداخت سطح | ★★☆☆☆ | ★★★★☆ |
| توان عملیاتی | ★★☆☆☆ | ★★★★★ |
| طرح‌های پیچیده | ★★☆☆☆ | ★★★★★ |
| سهولت استفاده | ★★★★★ | ★★★★☆ |
مزایا
- ماشین‌ها و مواد مصرفی کم‌هزینه
- سریع و آسان برای قطعات ساده و کوچک
- قطعات عملکردی، قوی و ایزوتروپیک
- توان عملیاتی در سطح تولید
- طراحی‌های خودحمایت‌کننده
- آزادی طراحی عالی
معایب
- قطعات آنیزوتروپیک و غیر ضد آب یا از نظر عملکردی قوی نیستند
- آزادی طراحی محدود
- پرداخت سطح کمی زبر
کاربردها
- نمونه‌سازی سریع کم‌هزینه
- مدل‌های اثبات مفهوم پایه
- نمونه‌سازی عملکردی
- تولید کم‌حجم قطعات نهایی: واشرها، درزگیرها، منیفولدهای خودرو، کالاهای مصرفی، کفش، پروتزها و ارتزها
پرینت سه بعدی TPU با فناوری FDM
پرینت سه بعدی TPU روی پرینترهای FDM گزینه مناسبی برای سطح مبتدی است، اما چاپ این ماده چالش‌برانگیز است و محدودیت‌های طراحی دارد.
برای کسب‌وکارهایی که به دنبال شروع پرینت سه بعدی TPU هستند، پرینتر FDM کم‌هزینه گزینه خوبی برای یک فرآیند کاری سطح مبتدی است. فیلامنتTPU ارزان است و می‌تواند راه خوبی برای آزمایش مفاهیم طراحی و نمونه‌های ظاهری باشد، به‌ویژه اگر هدف نهایی تولید انبوه از طریق روش‌های سنتی قالب‌گیری تزریقی باشد.
البته پرینت سه بعدی با TPU روی پرینترهای FDM می‌تواند چالش‌برانگیز باشد، زیرا فیلامنت نرم و کشسان به‌راحتی می‌تواند اکسترودر را مسدود کند و منجر به مشکلات فنی و کاهش نرخ موفقیت چاپ شود. پرینت سه بعدی TPU در پرینترهای FDM همچنین آزادی طراحی محدودی دارد، قطعات با دقت ابعادی کمتر و خطوط لایه قابل مشاهده تولید می‌کند.
قطعات چاپ‌شده TPU با FDM آنیزوتروپیک هستند، به این معنی که استحکام آنها در محورها یا سطوح مختلف تنش یکسان نیست. به عبارت دیگر، اعمال نیرو به یک قطعه TPU چاپ‌شده با FDM در یک جهت، تأثیر متفاوتی نسبت به اعمال همان نیرو از جهت دیگر خواهد داشت. برای قطعات TPU که اغلب نیاز به کشش، فشرده‌شدن و پیچ‌خوردگی دارند، این آنیزوتروپی چالشی واقعی برای هر قطعه‌ای است که نیاز به عملکردی بودن دارد، حتی در مرحله نمونه‌سازی.
فیلامنت TPU برای پرینتر سه بعدی با فناوری FDM
بسیاری از تولیدکنندگان پرینترها و مواد FDM، فیلامنت‌های TPU با خواص مختلفی دارند. فیلامنت‌های TPU معمولاً مواد الاستیک سخت‌تری هستند و سختی Shore 95A دارند، اما این مقدار می‌تواند با تنظیم پارامترهای چاپ یا طراحی تغییر کند.
پرینت سه بعدی TPU با فناوری SLS
فناوری پرینت سه بعدی SLS برای کاربردهای با توان عملیاتی بالاتر و عملکردی‌تر، مانند نمونه‌سازی عملکردی برای تست یا تولید کم‌حجم کالاهای سفارشی‌سازی‌شده مانند ارتز، بالشتک‌های کلاه ایمنی و پوشیدنی‌ها ایده‌آل است. کاربران پرینت سه بعدی SLS می‌توانند از استحکام و انعطاف‌پذیری فوق‌العاده TPU استفاده کنند تا محصولات خود را سریع‌تر به بازار عرضه کنند یا مراقبت از بیماران را متحول سازند. استحکام بالا در برابر پارگی، قطعات الاستومری قوی و بادوامی ایجاد می‌کند و دسترسی به سیستم‌های SLS رومیزی، مانند سری Fuse، هزینه کم‌تری برای هر قطعه فراهم می‌کند. علاوه بر این، نرخ بازسازی پایین، مقرون‌به‌صرفه‌بودن و مقیاس‌پذیری سیستم را افزایش می‌دهد، زیرا کارایی استفاده از پودر را افزایش داده و هزینه‌های مواد جدید را کاهش می‌دهد.
قطعات چاپ‌شده TPU با SLS برای کاربردهایی که دارای هندسه‌های پیچیده ضروری یا کاربردی هستند مناسبند. ماهیت خودحمایت‌کننده فناوری SLS به این معنی است که هیچ ساختار ساپورتی لازم نیست و هندسه‌های پیچیده با کانال‌های داخلی، شبکه‌بندی یا ساختارهای آکاردئونی قابل چاپ است. در کاربردهایی مانند کلاه‌های محافظ یا کفی‌های کفش و ارتز، ساختارهای شبکه‌ای لاستیکی استحکام فشاری بالایی ایجاد می‌کنند که به اثربخشی محصول می‌افزاید.
مواد TPU برای پرینترهای SLS
چندین سیستم جوش لیزری انتخابی (SLS) امکان استفاده از مواد پودری TPU را ارائه می‌دهند. بسیاری از این سیستم‌ها ماشین‌های صنعتی بزرگ با نیازهای پیچیده زیرساختی مانند سیستم‌های تهویه، فضای بزرگ یا نیازهای چندگانه مدار و الکتریکی هستند. با معرفی سیستم‌های SLS دسترسی‌پذیرتر مانند سری Fuse از Formlabs، پرینت سه بعدی TPU روی سیستم‌های پودری مقرون‌به‌صرفه‌تر و در دسترس‌تر شده است.
کاربردهای پرینت سه بعدی TPU
فرآیندهای کاری اثبات‌شده‌ای برای تولید سنتی قطعات TPU وجود دارد و این فرآیندها هنوز هم برای محصولات لاستیکی تولید انبوه ایده‌آل هستند. با این حال، پرینت سه بعدی TPU در بسیاری از موقعیت‌ها جایگزین مناسبی است، از جمله زمانی که سرعت یا سهولت استفاده ضروری است، نمونه‌سازی سریع، تولید به‌درخواست و کاربردهای سفارشی‌سازی. از ابتدای فرآیند طراحی که نمونه‌های سریع لازم است تا طراحی‌های نهایی برای قطعات نهایی، حتی کالاهای مصرفی سفارشی‌سازی‌شده انبوه، پرینت سه بعدی TPU می‌تواند فرآیندهای کاری را سریع‌تر و کارآمدتر کند، بدون اینکه از خواص مکانیکی یا دقت آن کاسته شود.
نمونه‌سازی سریع
پرینت سه بعدی با TPU به کسب‌وکارها این امکان را می‌دهد که توانایی نمونه‌سازی را در داخل سازمان خود داشته باشند، زمان تحویل را کاهش دهند و هزینه‌هایی که قبلاً توسط شرکت‌های خدمات‌دهنده یا کارگاه‌های ماشین‌سازی دریافت می‌شد را کم کنند. به عنوان مثال، نمونه‌سازی یک کلاه ایمنی ورزشی نیاز به توانایی ساخت یک پوسته سخت و همچنین بالشتک‌های نرم داخل آن دارد. شرکت‌های نوآور در حال طراحی ساختارهای شبکه‌ای جدید و فناوری‌های کاهش ضربه برای این بالشتک‌ها هستند و TPU ماده‌ای ایده‌آل برای این کار است.
با این حال، آزمایش با طرح‌ها و هندسه‌های جدید، روش‌های سنتی ساخت قالب را بسیار پرهزینه می‌کند و برون‌سپاری به شرکت‌های طراحی می‌تواند هفته‌ها زمان ببرد. توانایی استفاده از فرآیند کاری و یک نوع فناوری برای پوسته سخت بیرونی و بالشتک نرم داخلی به این معنی است که این نوآوران می‌توانند با سرعت بسیار بالاتری تکرار کنند. این کلاه‌ها باید تحت آزمایش‌های فیزیکی گسترده قرار گیرند، بنابراین برای یک دور آزمایش به ده بالشتک نیاز است. این حجم برای ساخت دستی دقیق یک سطح بالشتک بسیار زیاد است، اما برای قالب‌گیری سنتی TPU به‌صرفه نیست. پاسخ، پرینت سه بعدی درون‌سازمانی است.
چاپگرهای سه بعدی SLS سری Fuse می‌توانند با تغییرات جزئی برای تست طرح‌های مختلف، به راحتی چند ساختار شبکه‌ای لاستیکی را با پودر TPU 90A چاپ کنند. با تغییر طراحی خود قطعه، مانند تغییر ضخامت دیواره، می‌توانید قطعاتی با سطوح مختلف سختی برای کاربردهای متفاوت یا برای تکرار پس از آزمایش تولید کنید.
ابزارهای تولید
اگر در حوزه ساخت محصولات فعالیت نمی‌کنید، ممکن است تمایز بین انواع ابزارهای تولید برای شما دشوار باشد. اما نکته اصلی این است که چه در مورد یک جیگ، براکت، محفظه یا یکی از بسیاری روش‌های دیگر که ماشین‌ها را به هم متصل می‌کنند صحبت کنید، وقتی به آن نیاز دارید، واقعاً به آن نیاز دارید. TPU پاسخ به مشکلی است که بسیاری از تولیدکنندگان با آن مواجه هستند: چگونه از فناوری تولید میلیون‌دلاری خود در برابر سایش و فرسودگی بیش از حد محافظت کنند.
ابزارهای تولید با سطح نرم می‌توانند با کاهش برخی ضربه‌ها یا ارائه گیره‌هایی با شکل مناسب، عمر ماشین‌آلات سنگین را افزایش دهند. وقتی واشرها یا درزگیرها پس از سال‌ها استفاده مکرر پاره می‌شوند، اپراتور می‌تواند بلافاصله یک جایگزین چاپ کند و خط تولید را در عرض چند ساعت به کار بیندازد، به جای اینکه روزها یا هفته‌ها منتظر یک قطعه جدید بماند.
افزایش قابلیت‌های مواد، بیمه بیشتری برای تولیدکنندگان است — آنها را در برابر قطعات شکسته یا معیوبی که پیش‌بینی نمی‌کردند محافظت می‌کند. هرچه خواص مکانیکی بیشتری درون‌سازمانی در دسترس باشد، تولیدکنندگان بیشتر از تأخیرهای زنجیره تأمین و هزینه‌های بالای تعمیرات از سوی تولیدکنندگان اصلی مصون می‌مانند. با قطعات لاستیکی پرینت سه بعدی‌شده، اکنون می‌توان زیرمجموعه‌ای کاملاً جدید از قطعات تجهیزات را به‌صورت درخواستی تعمیر یا جایگزین کرد. جلوگیری از توقف خط تولید یا فرآیند می‌تواند روزانه هزاران دلار صرفه‌جویی کند.
TPU می‌تواند برای دمپرهای لرزش در تست‌های خودرو و هوافضا، و همچنین جیگ‌ها برای فرآیندهای صنعتی مانند ترموفرمینگ قطعات با شکل منحصر به فرد استفاده شود. در کارخانه‌های خودروسازی، سیستم‌های رباتیک بزرگ روی جرثقیل‌هایی کار می‌کنند که باید خم شوند و بچرخند. بالشتک‌ها و محفظه‌های نرم سفارشی‌سازی‌شده می‌توانند به این ماشین‌ها کمک کنند تا از اصطکاک جلوگیری کرده و عمر آنها را افزایش دهند.
محصولات کم‌حجم و سفارشی آماده‌به‌پوشیدن
در صنایع ورزشی، مد و فناوری‌های پوشیدنی، ارائه گزینه‌های شخصی‌سازی برای برندهایی که به دنبال جذب سهم بیشتری از بازار هستند، ضروری است. هزینه‌های مرتبط با ساخت قالب، تولید کم‌حجم یا تک‌قطعه‌ای را تقریباً غیرممکن کرده بود، تا زمانی که پرینت سه بعدی در دسترس، این در را باز کرد.
با این حال، بیشتر مواد پرینت سه بعدی برای کالاهای ورزشی یا بازار پوشیدنی‌ها بسیار سفت بودند، تا زمانی که TPU وارد شد. از کفش‌هایی که می‌توانند دقیقاً متناسب با ردپا و توزیع وزن فرد سفارشی‌سازی شوند، تا کلاه‌های فوتبال آمریکایی طراحی‌شده برای کاهش ضربه، تا بند ساعت‌هایی که متناسب با مچ دست شما قالب‌گیری می‌شوند، امکان‌ها بی‌پایان هستند.
دستگاه‌های پزشکی
با ارائه دوام و استحکام فوق‌العاده، TPU پرینت سه بعدی برای پروتزها، ارتزها، وسایل بیمار-محور و دستگاه‌های پزشکی ایده‌آل است. توانایی پرینت سه بعدی قطعات نهایی انعطاف‌پذیر و قوی، فرصت‌های جدیدی برای متخصصان پزشکی ایجاد می‌کند و استحکام پارگی و کشش در نقطه شکست مواد لاستیکی را با آزادی طراحی و دوام پرینت سه بعدی SLS ترکیب می‌کند.
TPU یک الاستومر انعطاف‌پذیر است و آن را برای پرینت سه بعدی قطعات پزشکی مانند موارد زیر ایده‌آل می‌کند:
- نمونه‌های اولیه دستگاه‌های پزشکی و قطعات نهایی دستگاه‌های پزشکی
- بالشتک‌های ارتز و لاینرهای پروتز
- پوشیدنی‌ها، درزگیرها، ضربه‌گیرها و لوله‌ها
- آتل‌ها، کلاه‌های تغییر شکل دهنده جمجمه
- کفی‌های ورزشی و اصلاحی
پرینت سه بعدی در حوزه سلامت، اگرچه زمینه‌ای در حال رشد است، توسط الزامات سختگیرانه مواد — هم از نظر گواهی‌های ایمنی و هم از نظر استحکام و خواص مکانیکی — محدود شده است. پرینت سه بعدی TPU فرصت‌های بیشتری برای کاربردهای مختلف در حوزه سلامت باز می‌کند و فقط یک ابزار دیگر به جعبه ابزار اضافه می‌کند.
TPU برای طیف گسترده‌ای از دستگاه‌های ارتز، مانند لاینرهای ارتز پا و همچنین کفی‌های ورزشی و اصلاحی، ایده‌آل است.
نتیجه‌گیری
فیلامنت TPU به عنوان یکی از مواد پرکاربرد در صنعت پرینت سه بعدی، توانسته است جایگاه ویژه‌ای در تولید قطعات انعطاف‌پذیر و مقاوم پیدا کند. این ماده که ترکیبی از دوام پلاستیک و انعطاف‌پذیری لاستیک است، برای کاربردهای متنوعی از جمله صنایع خودرو، پزشکی، ورزشی و تولید ابزارهای صنعتی ایده‌آل است. با توجه به خواص مکانیکی منحصر به فرد TPU، از جمله مقاومت بالا در برابر سایش، انعطاف‌پذیری و مقاومت در برابر روغن، این ماده به یکی از گزینه‌های اصلی برای تولید قطعاتی تبدیل شده است که نیاز به تحمل فشار، خم‌شدن و فشرده‌شدن مکرر دارند.
پرینت سه بعدی TPU با استفاده از فناوری‌هایی مانند FDM و SLS، امکان تولید قطعات پیچیده و سفارشی‌سازی‌شده را فراهم کرده است. این فناوری‌ها نه تنها زمان تولید را کاهش می‌دهند، بلکه هزینه‌های مرتبط با نمونه‌سازی و تولید کم‌حجم را نیز به طور چشمگیری کم می‌کنند. به ویژه در صنایعی مانند پزشکی و ورزش، که نیاز به قطعات دقیق و شخصی‌سازی‌شده وجود دارد، پرینت سه بعدی TPU توانسته است تحول بزرگی ایجاد کند.
با این حال، چالش‌هایی نیز در استفاده از TPU برای پرینت سه بعدی وجود دارد. به عنوان مثال، پرینت TPU با فناوری FDM ممکن است به دلیل نرمی و کشسانی ماده، با مشکلاتی مانند مسدود شدن نازل مواجه شود. از طرفی، قطعات تولید شده با FDM ممکن است از نظر دقت ابعادی و پرداخت سطحی محدودیت‌هایی داشته باشند. در مقابل، فناوری SLS با ارائه قطعاتی با دقت بالا و پرداخت سطحی بهتر، گزینه‌ای ایده‌آل برای تولید قطعات عملکردی و پیچیده است.
در نهایت، پرینت سه بعدی TPU نه تنها به عنوان یک روش تولید جایگزین برای فرآیندهای سنتی مانند قالب‌گیری تزریقی مطرح شده است، بلکه به عنوان یک ابزار قدرتمند برای نوآوری و توسعه محصولات جدید نیز شناخته می‌شود. با پیشرفت فناوری‌های پرینت سه بعدی و بهبود مواد، انتظار می‌رود که استفاده از TPU در صنایع مختلف گسترش یابد و به تولیدکنندگان امکان دهد تا محصولات با کیفیت‌تر و متنوع‌تری را به بازار عرضه کنند.
در آینده، با افزایش تقاضا برای محصولات سفارشی‌سازی‌شده و کاهش هزینه‌های تولید، پرینت سه بعدی TPU می‌تواند به یکی از اصلی‌ترین روش‌های تولید در صنایع مختلف تبدیل شود. این فناوری نه تنها فرصت‌های جدیدی برای کسب‌وکارها ایجاد می‌کند، بلکه به بهبود کارایی و کاهش زمان عرضه محصول به بازار نیز کمک می‌کند.
