Der Leitfaden für die Herstellungsprozesse von TPU für den 3D-Druck
Sehen Sie, warum TPU für flexible, langlebige Teile verwendet wird.
Thermoplastisch Polyurethan (TPU) ist ein vielseitiges und wertvolles Material für die Herstellung flexibler, haltbarer Teile.
Im Laufe der Jahre haben Forscher eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung und Weiterentwicklung von TPU und PLA gespielt, was zu erheblichen Verbesserungen bei 3D-Druckmaterialien geführt und die additive Fertigung mit vielseitigeren und kostengünstigeren Optionen revolutioniert hat.
Dieser umfassende Leitfaden vermittelt Ingenieuren und Designern ein tiefgreifendes Verständnis für TPU und wie man es erfolgreich in 3D-Druckprojekten einsetzt, und zeigt auf, wie TPU die Antwort auf viele Herausforderungen bei der Herstellung flexibler und langlebiger Teile ist.
Was ist Thermoplastisches Polyurethan (TPU)?
TPU ist ein flexibles Elastomer, das in seinen Eigenschaften zwischen Gummi und Kunststoff liegt. TPU steht für thermoplastisches Urethan, ein Material, das für seine Vielseitigkeit bei der Herstellung bekannt ist.
Es ist ein Blockcopolymer, das aus harten und weichen Segmenten besteht, die ihm eine einzigartige Kombination aus Flexibilität und Zähigkeit verleihen. Die chemische Struktur von TPU mit seinen harten Segmenten, die für Festigkeit und strukturelle Integrität sorgen, und seinen weichen Segmenten, die für Flexibilität und Elastizität sorgen, ist der Schlüssel zu seiner Leistung.
Aufgrund seiner Langlebigkeit und Elastizität kann TPU-Material nach einer Verformung in seine ursprüngliche Form zurückkehren. Dadurch eignet es sich für eine Vielzahl von Anwendungen in verschiedenen Branchen, darunter Automobilbau, Luft- und Raumfahrt, medizinische Geräte, Sportartikel, Textilien und Schutzausrüstung. TPU wird auch häufig in Bereichen wie Sport, Mode und Wearable Technologies eingesetzt, um Personalisierungsoptionen für Marken zu bieten.
TPU wird häufig in Textilien und Wearables verwendet, einschließlich medizinischem Zubehör wie Kathetern, medizinischen Schläuchen, Wundverbänden und tragbaren Geräten. Seine Flexibilität und seine hautverträglichen Eigenschaften machen es ideal für Wearables und medizinische Anwendungen.
In der Verpackungsindustrie wird TPU für Schutzverpackungen, Dichtungen und Verschlüsse verwendet, aber es wird im Allgemeinen nicht für Lebensmittelverpackungen oder Verarbeitungsprodukte empfohlen, da Risiken wie bakterielle Kontamination und Probleme mit der Schichthaftung bestehen. Stattdessen eignen sich seine gummiartigen Eigenschaften und seine Abriebfestigkeit für Stoßdämpfer, vibrationsdämpfende Produkte und Schutzkomponenten.
Nach der Erwähnung der Flexibilität und Haltbarkeit von TPU ist es wichtig zu erwähnen, dass TPU häufig als Schlagzähigkeitsmodifikator für Produkte wie Helme, Schutzverpackungen, Antivibrationsprodukte und Dichtungen verwendet wird. Es wird auch für Schwingungsdämpfer in der Automobil- und Luft- und Raumfahrttechnik sowie für Vorrichtungen in industriellen Prozessen wie dem Thermoformen einzigartig geformter Teile verwendet.
TPU kann Feuchtigkeit absorbieren, was sich negativ auf die Druckqualität auswirken kann. Daher ist eine ordnungsgemäße Lagerung und Handhabung wichtig, wenn TPU in Fertigungsprozessen verwendet wird.
TPU kann 3D-gedruckt werden, indem entweder Fused Deposition Modeling (FDM) oder Selective Laser Sintering (SLS) Technologien, die die gängigsten Methoden für den 3D-Druck von TPU sind. Es ist auch für den 3D-Druck vorteilhaft, da es die Herstellung von anpassbaren Teilen, das Rapid Prototyping und die Verbesserung der Produktionseffizienz ermöglicht, während es gleichzeitig die Komplexität des Designs berücksichtigt. TPU-Filament bietet eine hervorragende Flexibilität und Haltbarkeit und ist daher ideal für die Herstellung komplexer, biegsamer und farbenfroher Komponenten.
Dieses Material wird in der Regel mit dem Multi Jet Fusion Herstellungsverfahren. MJF verwendet feines Pulver und Schmelzmittel, um Teile mit hervorragender Detailgenauigkeit und Festigkeit herzustellen. Es eignet sich besonders für die Herstellung von TPU-Teilen, die feine Details, eine gute Oberflächengüte und gleichmäßige mechanische Eigenschaften erfordern.
Ingenieure und Designer entscheiden sich oft für TPU wegen seiner Flexibilität, seiner einfachen Verwendung und seiner Fähigkeit, spezifische Anwendungsanforderungen zu erfüllen, obwohl sie bei der Auswahl dieses Materials auch Faktoren wie Herausforderungen bei der Endbearbeitung, mangelnde Steifigkeit und Feuchtigkeitsaufnahme berücksichtigen.
| Eigentum | Einheit | Wert | Norm |
|---|---|---|---|
| THERMISCHE EIGENSCHAFTEN | |||
| Vicat-Enthärtungstemperatur | °C | 84-96 | ISO 306 |
| MECHANISCHE EIGENSCHAFTEN | |||
| Zugfestigkeit | MPa | 7-9 | DIN 53504 |
| Zugwiderstand | MPa | 75-85 | ISO 527 |
| Charpy-Kerbschlagzähigkeit | kJ/m² | Keine Pause | ISO 179-1 |
| Biegemodus | MPa | 75 | ISO 178 |
| Shore-Härte | A | 88-90 | ISO 7619-1 |
| Dehnung beim Bruch | % | 150-280 | DIN 53504 |
| PHYSIKALISCHE EIGENSCHAFTEN | |||
| Dichte | g/cm³ | 1.10 | – |
| TOLERANZEN | |||
| Erreichbare Teilegenauigkeit | +/- 1,5 mm für Teile bis zu 100 mm, +/- 2% für Teile über 100 mm | ||
| Min. Wanddicke | mm | 1.0 | – |
TPU-Eigenschaften und Merkmale
Thermoplastisches Polyurethan (TPU) ist ein vielseitiger Werkstoff, der die Vorteile von Kunststoffen und Kautschuken vereint. Es bietet eine einzigartige Reihe von Eigenschaften und Merkmalen, die es für eine breite Palette von Anwendungen geeignet machen, und wird oft für seine gewünschten Eigenschaften je nach den Anforderungen der Endanwendung ausgewählt. Zu den wichtigsten Eigenschaften und Merkmalen von TPU gehören:
Hohe Langlebigkeit und Flexibilität: TPU ist dafür bekannt, dass es rauen Umgebungen standhält und seine Form und strukturelle Integrität über lange Zeit beibehält. Es bietet auch eine ausgezeichnete Schlagfestigkeit, was es zu einer idealen Wahl für Anwendungen macht, die eine langlebiges Material.
Chemische Beständigkeit: TPU weist eine ausgezeichnete Beständigkeit gegenüber einer Vielzahl von Chemikalien auf, darunter Öle, Fette und Lösungsmittel. Aufgrund dieser Eigenschaft eignet es sich für den Einsatz in Umgebungen, in denen es häufig mit Chemikalien in Berührung kommt.
Abnutzungswiderstand: TPU ist hochgradig abrieb- und verschleißfest und bietet eine ausgezeichnete Abriebfestigkeit, wodurch es sich perfekt für Anwendungen eignet, bei denen Reibung und Verschleiß eine Rolle spielen, wie z. B. bei Förderbändern und Schuhsohlen.
Hohe Zugfestigkeit: Mit seiner hohen Zugfestigkeit eignet sich TPU für Anwendungen, die starke und dauerhafte Materialien erfordern. Diese Eigenschaft ist besonders wertvoll in der Automobilindustrie für Bauteile, die hohen Belastungen standhalten müssen.
Elastizität: TPU ist ein flexibles Material, das gedehnt und verformt werden kann, ohne seine Form oder strukturelle Integrität zu verlieren. Diese Elastizität in Verbindung mit der weichen Haptik und den gummiartigen Eigenschaften macht es ideal für Produkte, die Flexibilität erfordern, wie z. B. Schutzhüllen für Telefone und flexible Gelenke in der Robotik.
Beständigkeit gegen UV-Strahlung: Die UV-Beständigkeit von TPU macht es für Außenanwendungen geeignet, da das Material bei Sonneneinstrahlung nicht abbaut.
Thermische Eigenschaften: TPU weist eine gute thermische Stabilität und Hitzebeständigkeit auf, so dass es auch in Umgebungen mit hohen Temperaturen gut funktioniert.
Hohe Dauerhaftigkeit: Insgesamt ist TPU ein haltbares Material, das rauen Umgebungen standhält und seine Form und Struktur über lange Zeit beibehält, was es zu einer zuverlässigen Wahl für verschiedene Industrie- und Verbraucheranwendungen macht.
Chemische Zusammensetzung
TPU ist eine Art Blockcopolymer, das aus abwechselnden Sequenzen von harten Segmenten (Isocyanate) und weichen Segmenten (umgesetztes Polyol) besteht. Die Formulierung von TPU kann so angepasst werden, dass sie unterschiedliche Mengen dieser harten und weichen Segmente enthält.
Materialien mit einem höheren Anteil an harten Segmenten sind tendenziell fester und steifer, während Materialien mit mehr weichen Segmenten elastischer und flexibler sind. Diese einzigartige Kombination aus harten und weichen Segmenten verleiht TPU besondere Eigenschaften, darunter Festigkeit, Wärmebeständigkeit, Flexibilität und Elastizität.
Die Möglichkeit, die chemische Zusammensetzung von TPU anzupassen, macht es zu einem äußerst anpassungsfähigen Material für verschiedene Anwendungen.
Physikalische Eigenschaften
Die physikalischen Eigenschaften von TPU werden in erster Linie durch das Verhältnis von harten und weichen Segmenten in seiner Zusammensetzung bestimmt. Eine der wichtigsten Eigenschaften von TPU ist seine Härte, die auf der Shore-Härteskala gemessen wird und seine Widerstandsfähigkeit gegenüber Eindrücken angibt.
TPU weist außerdem eine beeindruckende Zugfestigkeit, Bruchdehnung und Abriebfestigkeit auf, was es zu einem idealen Material für Anwendungen macht, die Nachfrage Haltbarkeit und Flexibilität. Diese Eigenschaften sorgen dafür, dass TPU in verschiedenen Umgebungen zuverlässig funktioniert, von der Schuhsohle bis hin zu den komplizierten Komponenten der Wearable Technology. Darüber hinaus kann TPU in verschiedene Formen gegossen werden, um unterschiedlichen Anwendungen gerecht zu werden, was seine Anpassungsfähigkeit für zahlreiche industrielle Anwendungen unterstreicht.
Bei der Gestaltung von 3D-gedruckten TPU-Teilen ist es wichtig, eine Mindestbreite von 1,5 mm einzuhalten, um die Sichtbarkeit von Details und die strukturelle Integrität zu gewährleisten.
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Arten von TPU für den 3D-Druck
Verschiedene TPU-Typen eignen sich für den 3D-Druck, jeder mit seinen eigenen Eigenschaften und Merkmalen:
TPU auf Polyester-Basis: TPU auf Polyesterbasis ist für seine hohe Strapazierfähigkeit und Abrieb- und Verschleißfestigkeit bekannt und eignet sich ideal für Anwendungen, die ein robustes und langlebiges Material erfordern. Es wird häufig für Automobilteile und industrielle Anwendungen verwendet, bei denen Haltbarkeit von größter Bedeutung ist.
TPU auf Polyether-Basis: Diese Art von TPU ist bekannt für seine hohe Flexibilität und Beständigkeit gegen Chemikalien und Lösungsmittel. TPU auf Polyetherbasis eignet sich perfekt für Anwendungen, die ein flexibles Material erfordern, das aggressiven Chemikalien standhält, wie z. B. Schläuche und Dichtungen.
Polyurethan-basiertes TPU: Mit seiner hohen Zugfestigkeit und Beständigkeit gegen Abrieb und Verschleiß ist TPU auf Polyurethanbasis für Anwendungen geeignet, die Nachfrage starke und haltbare Materialien. Es wird häufig in Schutzkleidung und Schuhen verwendet, wo sowohl Festigkeit als auch Flexibilität erforderlich sind.
Hybrid-TPU: Durch die Kombination der Vorteile verschiedener TPU-Typen bietet Hybrid-TPU eine einzigartige Reihe von Eigenschaften und Merkmalen. Diese Art von TPU kann auf spezifische Anforderungen zugeschnitten werden, was es zu einem vielseitigen Material für eine breite Palette von Anwendungen macht.
Arten von TPU für den 3D-Druck
Für den 3D-Druck eignen sich verschiedene Arten von TPU, die jeweils einzigartige Eigenschaften und Merkmale aufweisen. Die Entwicklung von Materialien für den 3D-Druck begann mit frühen Flüssigkeiten und Pulvern, und Forscher spielten eine Schlüsselrolle bei der Entwicklung fortschrittlicher Materialien wie TPU und PLA, die die Möglichkeiten und Anwendungen des 3D-Drucks erheblich erweitert haben:
TPU auf Polyester-Basis: TPU auf Polyesterbasis ist für seine hohe Strapazierfähigkeit und Abrieb- und Verschleißfestigkeit bekannt und eignet sich ideal für Anwendungen, die ein robustes und langlebiges Material erfordern. Es wird häufig für Automobilteile und industrielle Anwendungen verwendet, bei denen Haltbarkeit von größter Bedeutung ist.
TPU auf Polyether-Basis: Diese Art von TPU ist bekannt für seine hohe Flexibilität und Beständigkeit gegen Chemikalien und Lösungsmittel. TPU auf Polyetherbasis eignet sich perfekt für Anwendungen, die ein flexibles Material erfordern, das aggressiven Chemikalien standhält, wie z. B. Schläuche und Dichtungen.
Polyurethan-basiertes TPU: Mit seiner hohen Zugfestigkeit und Beständigkeit gegen Abrieb und Verschleiß ist TPU auf Polyurethanbasis für Anwendungen geeignet, die Nachfrage starke und haltbare Materialien. Es wird häufig in Schutzkleidung und Schuhen verwendet, wo sowohl Festigkeit als auch Flexibilität erforderlich sind.
Hybrid-TPU: Durch die Kombination der Vorteile verschiedener TPU-Typen bietet Hybrid-TPU eine einzigartige Reihe von Eigenschaften und Merkmalen. Diese Art von TPU kann maßgeschneidert werden, um innovative Designkonzepte zu unterstützen und mehr funktionale Anwendungen zu ermöglichen, was es zu einem vielseitigen Material für eine breite Palette von Anwendungen macht.
Wenn es um den 3D-Druck von TPU geht, ist die SLS-Technologie besser für einen höheren Durchsatz und funktionellere Anwendungen geeignet, was sie ideal für die industrielle Produktion und anspruchsvolle Anwendungsfälle macht.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Fortschritte bei neuen Technologien und die Einführung neuer Materialien die Herstellung hochspezialisierter TPU-Bauteile und TPU-Produkte ermöglicht haben. Diese Innovationen treiben die Entwicklung des 3D-Drucks weiter voran und ermöglichen eine größere Individualisierung, schnelles Prototyping und erweiterte Endanwendungen.
Gängige TPU-Anwendungen mit Abrasionsbeständigkeit
TPU wird in vielen verschiedenen Branchen eingesetzt, darunter Industriekomponenten, Konsumgüter und Sportartikel, aber auch in der Automobilindustrie, der Unterhaltungselektronik, bei medizinischen Geräten und Schuhen. Erstausrüster nutzen TPU und die 3D-Drucktechnologie für das Rapid Prototyping und die Produktion komplexer Komponenten in den Bereichen Automobil, Luft- und Raumfahrt sowie Medizintechnik und ermöglichen so eine schnellere und kostengünstigere Fertigung.
Zu den üblichen Anwendungen gehören Telefongehäuse, Dichtungen, Schuhsohlen, flexible Gelenke in der Robotik und Sportgeräte. Seine Vielseitigkeit macht es zu einer beliebten Wahl für langlebige und flexible Teile, insbesondere für funktionelle Anwendungen in Branchen wie der Medizin- und Automobilindustrie. Im Zusammenhang mit Automobilkomponenten kann die Integration fortschrittlicher Audio- und visueller Systeme sowohl die Funktionalität als auch die Ästhetik von kundenspezifischen Teilen verbessern. Darüber hinaus wird TPU aufgrund seiner Haltbarkeit und Flexibilität häufig in Verbraucherprodukten wie Sportschuhen und Schutzhüllen für Mobiltelefone eingesetzt.
Der hauseigene 3D-Druck mit TPU bietet erhebliche Vorteile, wie z. B. schnelles Prototyping, kundenspezifische Anpassung und Kostensenkung, während gleichzeitig die Notwendigkeit der Auslagerung von Produktionsaufgaben an externe Dienstleister reduziert wird. Diese Inhouse-Fähigkeit ermöglicht eine schnellere Iteration und eine größere Kontrolle über die Designanpassung, insbesondere bei komplexen, flexiblen Teilen.
TPU wird sowohl in der Massen- als auch in der Kleinserienproduktion eingesetzt, um den sich wandelnden Marktanforderungen gerecht zu werden, und bietet Herstellern die Flexibilität, je nach Bedarf große Mengen oder kundenspezifische Kleinserien zu produzieren. Design- und Materialüberlegungen sind entscheidend für erfolgreiche TPU-Anwendungen, da die Beachtung dieser Details eine optimale Leistung gewährleistet und hilft, Materialgrenzen zu überwinden.
Einige der Gründe für seine Beliebtheit sind:
Flexibilität und Elastizität
Hohe Verschleiß- und Abriebfestigkeit:
Chemische Beständigkeit
Gute Tragfähigkeit und Schlagzähigkeit
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Fehlersuche bei häufigen TPU-Druckproblemen
Bevor man mit dem TPU-Druck beginnt, ist es wichtig, das 3D-Modell und die Materialien richtig vorzubereiten und sicherzustellen, dass alles für das TPU-Filament optimiert und geeignet ist.
Das Bedrucken von TPU kann ein schwieriges Material sein, und während des Druckvorgangs können verschiedene Probleme auftreten. Hier sind einige der häufigsten Probleme und ihre Lösungen:
Verziehen: TPU kann sich während des Druckvorgangs verziehen oder verformen, insbesondere wenn das Druckbett nicht richtig kalibriert ist. Um Verformungen zu vermeiden, stellen Sie sicher, dass das Druckbett eben und auf die richtige Temperatur aufgeheizt ist. Die Verwendung eines beheizten Bettes und das Auftragen eines Klebstoffs können ebenfalls dazu beitragen, dass der Druck an seinem Platz bleibt.
Delamination: TPU kann sich während des Druckvorgangs vom Druckbett lösen oder ablösen, insbesondere wenn das Druckbett nicht richtig vorbereitet ist. Eine gute Haftung ist für einen erfolgreichen TPU-Druck unerlässlich. Um eine Delaminierung zu vermeiden, stellen Sie sicher, dass das Druckbett sauber ist und verwenden Sie einen geeigneten Klebstoff oder eine Aufbaufläche, um die Haftung zu verbessern. Überwachen Sie die ersten Schichten genau, um eine gute Haftung zu gewährleisten und Druckfehler zu vermeiden.
Bespannung: TPU kann sich während des Druckvorgangs fädeln oder auslaufen, insbesondere wenn der Druckkopf nicht richtig kalibriert ist. Um die Fadenbildung zu reduzieren, passen Sie die Rückzugseinstellungen und die Druckgeschwindigkeit an. Eine Senkung der Drucktemperatur kann ebenfalls dazu beitragen, die Fadenbildung zu minimieren.
Verstopfung: TPU kann den Druckkopf oder die Düse während des Druckvorgangs verstopfen, insbesondere wenn der Druckkopf nicht richtig gewartet wird. Um Verstopfungen zu vermeiden, sollten Sie die Düse regelmäßig reinigen und hochwertiges TPU-Filament verwenden. Auch die Sicherstellung, dass das Filament trocken und frei von Verunreinigungen ist, kann zu einem reibungslosen Druckprozess beitragen.
Kühlung: Beim 3D-Druck mit TPU ist es wichtig, die Kühlung zu reduzieren, um die Schichthaftung und die Druckqualität zu verbessern. Niedrige Kühleinstellungen helfen, Probleme wie schlechte Haftung und Verformung zu vermeiden.
Extruder mit Direktantrieb: Für das Bedrucken von TPU wird vorzugsweise ein Extruder mit Direktantrieb verwendet, um einen gleichmäßigen Filamentfluss zu gewährleisten und das Risiko von Staus zu verringern.
Begrenzt: Der 3D-Druck von TPU-Teilen kann je nach Drucker und Arbeitsablauf durch die Größe der Teile und technologische Beschränkungen begrenzt sein.
Anisotrope Eigenschaften: FDM-gedruckte TPU-Teile sind anisotrop, d. h. ihre Festigkeit variiert in verschiedenen Achsen, was bei der Konstruktion und Anwendung der Teile berücksichtigt werden sollte.
Für diejenigen, die neu im 3D-Druck sind, ist ein Einstiegsworkflow mit erschwinglichen FDM/FFF-Druckern ein kostengünstiger Weg, um mit TPU zu arbeiten. Durch die Optimierung Ihres Druckprozesses können Sie die Vorlaufzeiten für Prototypen und kundenspezifische Teile verkürzen und erhebliche Kosteneinsparungen im Vergleich zu herkömmlichen Fertigungsmethoden erzielen.
Im Vergleich zu herkömmlichen Spritzgussverfahren bietet der 3D-Druck mit TPU mehr Flexibilität und geringere Kosten für Kleinserien oder kundenspezifische Teile, während das Spritzgießen eher für die Großserienproduktion geeignet ist. Der 3D-Druck mit TPU ermöglicht es Unternehmen, Prototyping-Kapazitäten unter ihrem eigenen Dach zu schaffen. Das Spritzgießen ist eine kostengünstige Methode zur Herstellung von Teilen in großen Mengen, hat aber Einschränkungen in Bezug auf die geometrische Flexibilität oder die individuelle Anpassung.
Nachbearbeitungstechniken für TPU
Oberflächenbehandlung: Techniken wie Schleifen, Polieren und Trowalisieren können helfen, die gewünschte Oberflächenglätte zu erreichen. Diese Verfahren sind für die Verbesserung der Aerodynamik und die Verringerung der Reibung bei Teilen wie Drohnenkörpern oder Automobilkomponenten unerlässlich. Bei der Arbeit mit Teilen, die mit der SLS-Technologie hergestellt werden, Nachbearbeitung kann auch komplizierte Geometrien, interne Kanäle und verzweigte Akkordeonstrukturen bearbeiten und sicherstellen, dass diese komplexen Merkmale sauber und funktionell sind.
Anstriche und Beschichtungen: Das Aufbringen von Schutz- und ästhetischen Beschichtungen verbessert die Haltbarkeit und das Aussehen von 3D-gedruckten TPU-Teilen. Beschichtungen können auch zusätzliche chemische Beständigkeit bieten, einschließlich der Beständigkeit gegen verschiedene Chemikalien wie Öle und Lösungsmittel sowie UV-Schutz, so dass sie für Außenanwendungen geeignet sind.
Wärmebehandlung: Glühen und andere Wärmebehandlungen können die mechanischen Eigenschaften von TPU-Teilen verbessern, z. B. ihre Festigkeit und Flexibilität erhöhen. Eine kontrollierte Erwärmung kann auch innere Spannungen reduzieren und die Dimensionsstabilität verbessern.
Bearbeitung und Beschnitt: Bei Anwendungen, die genaue Toleranzen erfordern, können zusätzliche Bearbeitungen und Beschneidungen notwendig sein. Dadurch wird sichergestellt, dass die Teile richtig zusammenpassen und den spezifischen Konstruktionsanforderungen entsprechen.
Zusammenfassung: Fortschrittliche Nachbearbeitungstechniken verbessern nicht nur die Qualität und Haltbarkeit von TPU-Teilen, sondern ermöglichen auch einen höheren Durchsatz und die Herstellung komplexer Geometrien, wodurch sie sich für anspruchsvolle und innovative Anwendungen eignen.
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