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3D打印非充气轮胎研究内容与深远意义

来源：杰呈3D打印发布时间：2025-09-20 17:45:10 浏览次数：0次

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3Ｄ打印成型技术不需要模具而采用直接打印成型，避免了模具开发的成本和时间浪费，同时也为非充气轮胎复杂结构设计的成型提供了可能，这将极大的促进非充气轮胎的技术进步。

目前，对于非充气轮胎的成型过程中所用到的3Ｄ打印技术主要包括FDM技术和SLS技术。采用FDM技术成型的非充气轮胎在成型精度、制品性能上存在一定的缺陷，但其生产成本相对较低。采用SLS技术成型，在保证非充气轮胎复杂结构成型的基础上，成型制品在精度、性能上相对较好，但成型成本较高，不利于大型轮胎的制造。但随着3Ｄ技术的不断进步，未来非充气轮胎的3Ｄ打印成型必将有广阔的前景。

伴随着轮胎技术的不断革新，轮胎的发展经历了木质实心轮胎、木质辐条轮胎、实心橡胶轮胎以及充气式橡胶轮胎等一系列进步。作为目前使用最多的充气式橡胶轮胎其存在自重轻、缓冲能力强等优点，但同时也存在着生产工艺复杂、耐穿刺性差、易爆胎安全性低、轮胎磨损物环境危害大以及废旧轮胎回收处理困难等缺陷。

针对此情况，热塑性聚氨酯弹性体材料的非充气轮胎由于在结构设计上摆脱了对气体的依赖，避免了轮胎爆胎、耐穿刺性差等缺陷，在成型材料的选择上热塑聚氨酯弹性体具有耐磨性能优异，废旧材料可回收再利用等优点，因此其逐渐成为轮胎领域的研宄热点之一。

目前在热塑性聚氨酯弹性体非充气轮胎的研宄中发现其同样存在着一些问题。首先由于热塑性弹性体材料耐热性差，非充气轮胎在使用过程中由于摩擦生热会导致性能急剧下降。此外，在非充气轮胎的注塑成型过程由于模具设计上的的制约严重影响了非充气轮胎的结构设计，同时模具制造所产生的时间、成本的浪费，也影响了非充气轮胎的研发周期。

因此本课题的主要目的是以热塑性聚氨酯弹性体材料的性能分析为出发点，筛选出综合性能优异的热塑性聚氨酯弹性体材料，并通过FDM技术3Ｄ打印出热塑性聚氨酯弹性体材料的非充气轮胎。

3Ｄ打印技术制备非充气轮胎的加工方式，避免了传统加工过程中对于模具设计的成本和时间的浪费，加快了非充气轮胎的研发周期，同时也可实现非充气轮胎复杂结构的快速验证，这对于非充气轮胎的开发具有重要意义。

研究内容包括以下几个方面：

利用拉伸测试、TGA测试、DSC测试、TMA测试等方法表征和分析热塑性聚氨酯弹性体的性能，筛选出综合性能优异的热塑性聚氨酯弹性体。
将筛选的热塑性聚氨酯弹性体材料通过双螺杆挤出机、单螺杆挤出机等设备制备出3Ｄ打印TPU线材，并研宄3Ｄ打印工艺参数的设置与成型制品性能的关系，优化3Ｄ打印工艺参数。
采用FDM技术3Ｄ打印出热塑性聚氨酯弹性体材料的非充气轮胎，并对3Ｄ打印成型的非充气轮胎进行性能研究和结构优化。
研究了热塑性聚氨酯材料参数与3Ｄ打印样品性能间的关系，优化了热塑性聚氨酯材料的3Ｄ打印工艺。
采用3Ｄ打印的方式，制备出结构复杂的非充气轮胎，在无需制备模具的条件下，可以实现非充气轮胎新结构的验证，对于非充气式轮胎的开发具有指导意义。

TPU材料相比于传统汽车轮胎的橡胶材料在性能上存在一定的优势，所以目前在新型高性能轮胎研发中TPU材料逐渐成为轮胎制作的热门研究材料。但由于TPU材料耐热性差，其性能会随着温度升高而急剧下降。因此在使用TPU材料制作汽车轮胎时，由于汽车在高速行驶过程中轮胎与地面摩擦生热会导致轮胎性能的急剧下降。

为解决上述问题，本章节中通过对TPU材料进行性能研究，从而对比分析筛选出耐热性优异的高性能TPU材料。同时由于在轮胎的结构设计上采用非充气结构，所以TPU材料筛选过程中需要考虑非充气轮胎结构与材料性能的关系。此外，非充气轮胎的成型方式为FDM技术打印成型，所以筛选的TPU材料同样需要考虑其3Ｄ打印性能。综上所述，本章节中通过综合考虑TPU材料各方面性能，以期望筛选出性能优异的TPU材料。

七种TPU材料的应力－应变曲线。由于非充气轮胎的载荷对TPU材料的强度有着相对严格的性能要求，同时在轮胎实际运动过程为保证轮胎的正常行驶，其最大所能承受的强度应为材料在屈服处的强度。对比分析图中各应力＿应变曲线，七种TPU材料在拉伸测试过程中各屈服点处的屈服强度与材料拉伸断裂时的拉伸强度存在一定的差异。LANXESS－PC930虽然其断裂时拉伸强度最大，但其在屈服点处的屈服强度并不是最大，反而是LANXESS－PR930在屈服点处的屈服强度最大。此外，BAYER－SE260的屈服强度最小，在使用其制备非充气轮胎时可能不能保证对轮胎载荷的需求。因此，从非充气轮胎对车辆的载荷的角度分析，使用LANXESS－PR930来制备非充气轮胎，则非充气轮胎所能承受的载荷将更加优异。

七种TPU材料的热重分析（TGA）曲线。通过TPU材料的TGA测试结果，比较各材料分解温度的大小，可以在一定程度上对材料的耐热性进行比较，但其测试结果更多的是为了表征材料加热时的分解温度的大小，从而指导材料在加工和使用过程中可达到的最高温度上限。TPU材料的初始分解温度相差不大，大约都在260°Ｃ左右开始分解。但从七种ＴＰＵ材料加热到70（ＴＣ之后曲线趋于稳定时所对应的纵横坐标的数值来看，LANXESS－PC930、LANXESS－PC930、LANXESS－PR930这三种TPU材料的纵坐标基本趋于零，表明这三种TPU材料中未添加其他无机填充物。而其余几种TPU材料在温度加热到700°Ｃ后其纵坐标的数值仍保持在10％左右，所以表明这几种材料中可能存在一定的填充物。根据七种TPU材料的分解温度来比较其耐热性，则它们在耐热性上基本相同。但材料在实际应用过程中其最大使用温度一般远没有达到材料的分解温度，因此通过比较TPU材料的分解温度来比较其耐热性的方法，并不适用于非充气轮胎制备过程中成型材料的筛选。所以为了更好的对比几种TPU材料的耐热性，还需进一步的研究分析。

四种TPU材料的DSC测试曲线。从图中可以看出，LANXESS－PC930的玻璃化转变温度Tg最小为－46．4°Ｃ，LANXESS－PR930的玻璃化转变温度Tg最高，但其与LANXESS－PC930、BASF－Ｃ85Ａ的Tg相差不大。从非充气轮胎的实际应用角度分析，轮胎成型材料的Tg影响着其在冬季低温条件下行驶时的性能。由于冬季路面温度较低，如非充气轮胎成型材料的Tg太高，当路面温度达到材料的Tg以下时，成型材料会转变为玻璃态，继而非充气轮胎变硬，容易出现打滑等事故。因此，从非充气轮胎在冬季低温条件下应用的角度分析，M－LANXESS－PC930将更加符合非充气轮胎的制备。