TPU als Material für den 3D-Druck

Das sogenannte thermoplastische Polyurethan (TPU) ist ein Elastomer (synthetischer Kunststoff), der sich durch seine hohe Flexibilität und Beständigkeit bei der Weiterverarbeitung auszeichnet und die Eigenschaften von Thermoplasten und Elastomeren vereint. Es kann wesentlich höheren Druck- und Zugkräften standhalten als andere gängige Materialien wie PLA und ABS. Die Ursache für die Variation in dessen Weiche und Härte ist auf die chemische Zusammensetzung zurückzuführen: Je nach Anteil der Hart- und Weichsegmente ändert sich auch die Härte und Flexibilität des Materials. Auch eine geringere Füllmenge kann zu einem flexibleren 3D-gedruckten Teil führen. Dies wirkt sich auf die Transparenz der Endteile, die Weichheit bei der Berührung oder die Haftung der Teile aus. TPU ist ein sehr vielfältiges Polymer, das den Teilen eine sehr vielschichtige Reihe an Eigenschaften verleiht. TPU bietet zudem eine höhere Beständigkeit gegen sämtliche Fette und Öle. Doch was ist bei der Verwendung von TPU zu beachten?

Produktion und Materialeigenschaften

Obwohl wir normalerweise über TPU-Filamente sprechen, können wir sie auch in Pulver- oder Harzform finden. Hinsichtlich der Eigenschaften dieser Polymere sollten wir wissen, dass sie viele Vorteile haben, wie zum Beispiel ihre hohe Schlag-, Verschleiß-, Abrieb- und Schnittfestigkeit. Außerdem verfügen sie über eine relativ hohe Schichtkohäsion, die eine ausgezeichnete mechanische Homogenität der hergestellten Teile bewirkt und sie isotrop macht. Allerdings gibt es bei dieser Art von Material gewisse Grenzen, die man beachten muss. TPU passt sich nicht gut an heiße Umgebungen an. Dieser Faktor fällt auf, weil sie trotz ihres großen Arbeitsbereichs hohen Temperaturen nicht standhalten. Darüber hinaus sollten die Druckeinstellungen je nach verwendeter Technologie und 3D-Maschine variieren. Im Vergleich zu TPE, einem anderen flexiblen Filament, lässt sich TPU leichter drucken und behält seine elastischen Eigenschaften bei niedrigeren Temperaturen besser bei. TPU-Material bietet eine bessere Beständigkeit gegen Abrieb, Öl und Fett. Im Gegensatz zu steiferen Thermoplasten verfügt TPU-Filament über Eigenschaften wie Flexibilität und Anpassungsfähigkeit und hat keine Probleme mit Verformung und Delaminierung während des 3D-Druckprozesses.

Aufgrund seiner Flexibilität wird TPU häufig für die Herstellung von Mobiltelefonhüllen verwendet

3D-Druck mit TPU-Filament

Beim Bedrucken von Teilen mit TPU unter Verwendung eines FDM-Druckers empfehlen wir, eine dünne Schicht Klebstoff auf das Druckbett aufzutragen, was die Haftung des Materials fördert. Außerdem sollte die Extrusionsdüse eine Temperatur zwischen 210 ºC und 235 ºC erreichen, um das Filament richtig zu schmelzen (obwohl dies vom Hersteller abhängig ist). Dies sind jedoch nur allgemeine Tipps. Der Erfolg des Drucks mit TPU hängt von der Konfiguration jedes 3D-Druckers und der richtigen Kalibrierung ab. Daher wird empfohlen, kleine Tests mit diesem Material durchzuführen, bevor mit komplexeren Drucken begonnen wird. Es ist wichtig zu beachten, dass das Extrusionssystem in der Lage sein muss, flexible und komprimierbare Materialien bei einer konstanten Temperatur von 250 Grad zu verarbeiten.

Bei der Stereolithographie wird davon abgeraten, TPU für kleine, dünnschichtige Modelle zu verwenden oder für Modelle, die besonders empfindlich für Ausdehnungen sind. Bei der Konfiguration des 3D- Modells wird empfohlen, dass die Modelle die endgültige Form haben und nahe am Druckbett positioniert werden, jedoch nicht flacher als 20º. Dünnere und höhere Teile sind schwieriger zu drucken, obwohl zusätzliche Stützen immer verwendet werden können, um ein optimales Ergebnis zu gewährleisten. Da es sich um ein flexibles Material handelt, ist es sehr anfällig Verstopfungen in der Düse hervorzurufen und somit zu Druckproblemen an Teilen zu führen. Filamenthersteller verwenden häufig die Z-Hop-Funktion, um Spannungen zu vermeiden. Dies bedeutet, dass der Extruder, anstatt die nächste Schicht horizontal zu erzeugen, einige Zentimeter ansteigt und sich bewegt, um die nächste Schicht zu beginnen, wodurch sichergestellt wird, dass kein Material zwischen dem Teil und der Düse zurückbleibt.

Bild: BCN3D

Zudem ist es wichitg zu beachten, dass jede Maschine und jedes Filament anders ist. Daher wird empfohlen, Tests durchzuführen, um den optimalen Schrumpfungswert zu ermitteln. Außerdem ist zu beachten, dass dieser Wert zwischen verschiedenen TPU-Filamenten variieren kann. TPU muss nicht zwingend nachbehandelt werden, aber bestimmte Techniken können durchgeführt werden, um die Eigenschaften oder das ästhetisches Erscheinungsbild zu verbessern. Eine gängige Option ist eine Polierbehandlung, um die Oberfläche zu glätten und Schichtspuren zu entfernen, was das endgültige Aussehen des gedruckten Objekts verbessern kann. Es kann auch eine Farb- oder Lackschicht aufgetragen werden, um die Widerstandsfähigkeit gegen Wasser, Staub und Schmutz zu verbessern.

Hauptanwendungen

In der additiven Fertigungsindustrie eröffnet dieses Material eine Welt der Möglichkeiten für verschiedene Märkte. In der Schuhbranche können elastische Sohlen hergestellt werden, in der Medizinbranche orthopädische Modelle. Im Luft- und Raumfahrtsektor werden Instrumente oder Sensoren entwickelt und im Automobilsektor werden Reifen und Stoßdämpfer hergestellt. Auch im Sport, bei der Herstellung von Protektoren in Fitnessgeräten, ist es zu finden.

TPU ist ideal für Endverbrauchsteile, Funktionsprototypen, Konzeptmodelle und kundenspezifische Komponenten. Diese Art von Material wird z. B. bei der Herstellung von Handyhüllen verwendet, da es das Gerät vor Stößen und Brüchen schützt.

Durch den Zusammenhalt der Schichten wird eine hervorragende mechanische Homogenität erreicht (Bild: The Lubrizol Corporation)

Hersteller und Materialpreise

Auf dem heutigen Markt der additiven Fertigung finden wir große Unternehmen, die TPU für die Herstellung flexibler Teile anbieten. Der Gigant UltiMaker hat ein Filament namens TPU 95A, das mit seinen 3D-Druckern Ultimaker S5, Ultimaker 3, Ultimaker 2+ und dem neuesten Drucker des Herstellers, dem UltiMaker S7, kompatibel ist. Nach Angaben des Unternehmens unterstützt das Material eine Bruchdehnung von bis zu 580 %. Zudem ist das Filament in 4 verschiedenen Farben erhältlich.

Ein weiteres großes Unternehmen ist Formlabs, das im vergangenen Jahr sein so genanntes „Elastic Resin“ für die SLA-Technologie vorgestellt hat. Dieses Harz hat einen Shore-Durometer von 50A sowie eine hohe Dehnung und Energierückgabe. „Shore“ bezieht sich auf die Härte des verwendeten Materials, oder mit anderen Worten, wie widerstandsfähig ein Material gegen Eindrücke ist. Niedrigere Zahlen bedeuten weniger Widerstand und weichere Materialien. Die Elastizität und Festigkeit dieses Materials ermöglicht den Einsatz in mehreren Zyklen.

Bild: Formlabs

Es gibt jedoch auch andere Unternehmen, die sich hauptsächlich der Entwicklung dieser Materialien widmen, wie z. B. Recreus. Dieses Unternehmen zeichnet sich durch eine Vielzahl von 3D-Druck-Filamenten aus, die es derzeit anbietet. Insbesondere das renommierte FilaFlex-Filament entstand aus dem Bedürfnis, innovativ zu sein und die Grenzen des 3D-Drucks zu durchbrechen. Ignacio Garcia, CEO von Recreus, sagte: „Die 3D-Drucktechnologie an sich war bereits innovativ und zusammen mit der Flexibilität des Materials, mit dem sich flexible Teile, wie z. B. Turnschuhe, herstellen lassen, wurde das Potenzial der additiven Fertigung und von FilaFlex deutlich“. Ebenfalls wird das Material von anderen Unternehmen wie BASF in Pulverform angeboten. Sie haben eine Reihe von TPU-Pulvern unter der Bezeichnung Ultrasint® im Angebot, und ihr TPU01 ist beispielsweise speziell für die Drucker der Serie Multi Jet Fusion 5200 von HP konzipiert. Der Preis für TPU-Filament liegt bei etwa 30-40 Euro pro Kilogramm.

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