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. 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. Im Folgenden erfahren Sie, was Sie vor der Verwendung von TPU wissen sollten!

In der additiven Fertigungsindustrie eröffnet dieses Material eine große Bandbreite an verschiedenen Anwendungsbereichen. Von der Herstellung von Schuhsohlen in der Modebranche bis hin zu Reifen oder Stoßdämpfern in der Automobilindustrie bietet das Material viele Chancen. TPU eignet sich hervorragend für Endprodukte, funktionale Prototypen, Designmodelle und kundenspezifische Bauelemente. Darüber hinaus kann das Material z. B. zum Schutz von technischen Geräten eingesetzt werden. Das wohl bekannteste Beispiel hierfür wäre eine Handyschutzhülle, die das Gerät vor Stößen und Brüchen schützen soll.

Dank der Flexibilität eignet sich TPU hervorragend für Handyhüllen.

Besonderheiten von TPU beim 3D-Druck

Im Allgemeinen verfügen Polymere über eine hohe Schlag-, Abrieb-, Verschleiß- und Schnittresistenz. Darüber hinaus verfügen sie über eine relativ hohe Adhäsion (Haftung zwischen den einzelnen Schichten), die zu guten mechanischen Eigenschaften des 3D-gedruckten Teils beiträgt. Auch zeichnet sich dieses 3D-Material gut durch seine UV-Stabilität und guter Witterungsbeständigkeit aus. Polymere verfügen jedoch über einige Schwächen, über die Sie sich vor der Verwendung im Klaren sein sollten. Diese gelten auch für das Polymer TPU. So eignet sich dieses beispielsweise nicht für die Lagerung in einer warmen Umgebung. Außerdem sollten Sie nicht vergessen, die Parameter des Druckers je nach verwendetem Material entsprechend anzupassen. Thermoplastische Polyurethan sind zudem nicht lebensmittelecht und auch was den Preis angeht, so zeigt sich hier ein weiter Nachteil.

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). Auch sollten Sie Ihr beheiztes Druckbett nicht höher als 60 ºC erhitzen. Dies sind jedoch nur allgemeine Tipps. Der Erfolg des Druckes 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.

Die Haftung zwischen den Schichten wirkt sich positiv auf die mechanischen Eigenschaften des Endproduktes aus. (Bildnachweis: The Lubrizol Corporation)

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 größere Teile könnten bei Rückgriff auf dieses Material zu Druckschwierigkeiten führen, obgleich Sie auf Stützstrukturen zurückgreifen können, um dem entgegenzuwirken.

Welche Unternehmen bieten TPU an?

Aktuell bieten viele große Unternehmen TPU zum Verkauf an. Ultimaker führt ein Filament namens TPU 95A, das mit dem UltiMaker S5, UltiMaker 3 und UltimaMer 2+ kompatibel ist. Nach Angaben des Unternehmens unterstützt das Material eine Reißfestigkeit von bis zu 580 % und hat eine gute Korrosionsbeständigkeit gegenüber handelsüblichen Industrieölen und Chemikalien. Das Filament ist in vier unterschiedlichen Farben, schwarz, rot, weiß und blau, verfügbar.
Ein weiterer Anbieter ist Formlabs, der sein so genanntes „Elastic Resin“ für die SLA-Technologie vorgestellt hat. Dieses Harz hat nicht nur eine Shore-Härte von 50A, sondern auch eine hohe Dehnung und Energierückgabe. Die Shore-Härte bezieht sich auf die Härte des verwendeten Materials, oder mit anderen Worten, darauf, wie widerstandsfähig ein Material gegenüber Eindrücken ist. Niedrigere Zahlen bedeuten weniger Widerstand und weichere Materialien. Die Elastizität und Widerstandsfähigkeit dieses Materials ermöglichen seinen Einsatz in mehreren Durchläufen. Darüber hinaus erlaubt die Technologie, Kosten und Lieferzeiten zu reduzieren, indem direkt auf die weichen Teile gedruckt wird.

Bildnachweis: Formlabs

Es gibt auch andere Unternehmen, die sich der Entwicklung dieser Materialien widmen, wie z. B. Recreus, das eine Vielzahl von 3D-Druckfilamenten anbietet. Insbesondere das berühmte FilaFlex-Filament entstand aus dem Bedürfnis nach Innovation im 3D-Druck. Ignacio García, CEO von Recreus, erklärt: „Die 3D-Drucktechnologie selbst war bereits innovativ und zeigte neben der Flexibilität des Materials, mit dem flexible Teile, wie z. B. Schuhe, hergestellt werden können, zweifellos das Potential der additiven Fertigung und FilaFlex. Dies sind einige der führenden Unternehmen, es gibt jedoch auch andere Akteure auf dem Markt, die ebenfalls TPU für den 3D-Druck anbieten“. Im folgenden Video sehen wir, wie HP dieses Polymer in Additive Manufacturing integriert:

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