3D-tulostetun termoplastisen polyuretaanin käyttö kantavissa rakenteissa

Abstract

Tässä kirjallisuuskatsauksessa tarkastellaan 3D-tulostetun termoplastisen polyuretaanin (TPU) soveltuvuutta kantaviin rakenteisiin kuluttajatason FFF/FDM-ympäristössä. Katsaus kuvaa TPU:n rakenteen (kovat ja pehmeät segmentit), sen vahvuudet (murtovenymä ja iskunkestävyys), ja rajoitteet (käyttölämpötila <70 °C).

Tärkeimmiksi huomioiksi nousi FDM-tulostukselle tyypillinen anisotropinen käyttäytyminen, ja sen huomioiminen materiaalikohtaisesti suunnittelussa. Osittaiseksi ratkaisuksi anisotropiaongelmaan ehdotetaan lämpökäsittelyä. Prosessi vähentää mekaanisia ominaisuuksia heikentävää huokoista rakennetta, joka johtuu käsiteltävästä valmistusmenetelmästä.

TPU:n tulostus ei ole mahdollista kaikilla tulostimilla, mutta yhteensopivuus harrastajien hintaluokassa on parantunut 2020-luvulla. TPU:n tulostusta käsitellään katsauksessa pintapuolisesti, mutta tulostin- ja materiaalikohtainen käyttäytyminen tekevät siitä käyttäjän iteratiivisen prosessin.

Johtopäätöksenä 3D-tulostettu TPU soveltuu käytettäväksi kantavissa rakenteissa tietyissä olosuhteissa. Käyttöä voidaan harkita, jos käyttölämpötilat ovat matalia, sarjat pieniä ja geometriassa saadaan hyödynnettyä 3D-tulostuksen valmistusteknisiä vahvuuksia. Rakenteen murtuminen ei kuitenkaan saisi aiheuttaa vaaratilannetta.

This literature review examines the suitability of 3D-printed thermoplastic polyurethane (TPU) for load-bearing structures in consumer-grade FFF/FDM environments. The review outlines the structure of TPU (hard and soft segments), its strengths (elongation at break and impact resistance), and its limitations (operating temperature <70 °C).

A key observation is the anisotropic behaviour typical of FDM printing, which must be considered in material-specific design. As a partial solution to the anisotropy issue, thermal post-processing is proposed. This process reduces the porous structure that weakens mechanical properties, a result of the manufacturing method in question.

TPU printing is not feasible with all printers, but compatibility within hobbyist price ranges has improved in the 2020s. The review outlines TPU printing, but printer- and material-specific behaviour makes it an iterative process for the user.

In conclusion, 3D-printed TPU is suitable for use in load-bearing structures under certain conditions. Its use may be considered if operating temperatures are low, production runs are small, and the geometry allows for leveraging the manufacturing strengths of 3D printing. However, structural failure must not pose a safety risk.