Wenn ja, ist Thermoplastisches Polyurethan oder TPU, wie es allgemein bekannt ist, definitiv ein Material, um Ihrer Liste hinzuzufügen. TPU 3D-Druck bietet einzigartige Möglichkeiten, die mit anderen 3D-Druckmaterialien wie ABS, PLA oder Nylon nicht zu erreichen sind. Durch die Kombination der Eigenschaften von Kunststoff und Gummi kann TPU elastische, hoch belastbare Teile herstellen, die sich leicht biegen oder komprimieren lassen.

Im heutigen Tutorial werden wir die Vorteile und Anwendungen von TPU, die Technologien, die das Material unterstützen, sowie einige Tipps, die Ihnen helfen, den 3D-Druck mit TPU so einfach und effizient wie möglich zu gestalten, untersuchen.

Was ist TPU?

Thermoplastisches Polyurethan (TPU) gehört zur Familie der thermoplastischen Elastomere und Gummibänder, die die besten Eigenschaften von Thermoplasten und Kautschuken (Duroplasten) vereinen. Vielleicht kennen Sie den Begriff TPE – oder ThermoPlastic Elastomer. Früher als Material für den flexiblen 3D-Druck bekannt, ist TPE ein sehr weicher, gummiartiger Kunststoff, der ohne Verformung gebogen oder gedehnt werden kann.

Aufgrund seiner Weichheit ist TPE jedoch ein sehr anspruchsvolles Material für Maschinenextruder für den 3D-Druck. TPU wiederum kann als die neuere Version von TPE angesehen werden. TPU besitzt gummiartige Elastizität, hohe Reiß- und Abriebfestigkeit, hohe Reißdehnung sowie thermische Stabilität. Darüber hinaus ist TPU beständig gegen Öle, Fette und eine Vielzahl von Lösungsmitteln. Da es fester als TPE ist, ist TPU daher auch viel einfacher zu drucken.

Anwendungen

TPU hat eine breite Palette von Anwendungen in allen Branchen. Zum Beispiel ist es eine gute Option für den 3D-Druck flexibler funktionaler Prototypen oder Endanwendungen, die gebogen und komprimiert werden müssen.

Konsumgüter

Für Konsumgüter ist TPU ideal für die Herstellung von Zubehör wie Telefonkästen und Schuhkomponenten. Im Jahr 2015 hat New Balance Laufschuhe mit TPU 3D-bedruckten Zwischensohlen entwickelt. Durch die Verwendung dieses Materials in Verbindung mit generativem Design hat der Schuhgigant neben optimalem Gewicht und Haltbarkeit ein hohes Maß an Flexibilität und Festigkeit erreicht.

Medizinisch

Eine weitere interessante Anwendung von TPU ist Medizin. Zum Beispiel kann das Material verwendet werden, um orthopädische Modelle zu erstellen. Im Jahr 2016 stellte das US-amerikanische Unternehmen Graphene 3D Lab ein leitfähiges TPU-Filament vor, das sich für die Herstellung flexibler Elektronik einschließlich tragbarer medizinischer Geräte wie Armbänder eignet.

Automobil

Mit seiner hohen chemischen Beständigkeit gegenüber Ölen und Fetten ist TPU ideal für Automobilanwendungen wie Dichtungen, Stopfen, Rohre und Schutzanwendungen. Ein Beispiel ist ein 3D-gedrucktes Elektroauto des chinesischen Startups XEV Limited. Das Auto besteht aus rund 100 Teilen, von denen viele mit TPU neben PLA und Nylon 3D-bedruckt wurden.

3D-Druck mit TPU: die Technologien

Wenn Sie 3D-Druck mit diesem flexiblen Material erforschen möchten, stehen Ihnen zwei Haupttechnologien zur Auswahl: Selektives Lasersintern (SLS) und Fused Deposition Modeling (FDM). Lassen Sie uns in die Möglichkeiten jedes einzelnen eintauchen.

Selektives Lasersintern

Selektives Lasersintern (SLS) ist eine Pulverbett-Fusion-3D-Drucktechnologie, die einen Laserstrahl verwendet, um pulverförmiges Material selektiv zu schmelzen und zu verschmelzen. SLS bietet viele Vorteile für die industrielle Fertigung, da die Technologie in der Lage ist, Funktionsteile mit großen mechanischen Eigenschaften herzustellen. Darüber hinaus benötigt SLS keine Stützstrukturen, so dass Freiformteile ohne Entfernungsmarkierungen möglich sind.

Teile erfordern jedoch eine gewisse Nachbearbeitung, um eine bessere Oberflächengüte zu erzielen. 
Anfangs wurde die Technologie mit verschiedenen Nylonarten verwendet, aber mit den jüngsten Fortschritten in der Materialforschung ist es nun möglich, TPU-Pulver zu sintern. Derzeit gibt es einige Hersteller auf dem Markt, die TPU-Pulver mit verschiedenen Shore-Härtegraden anbieten:    

• 3D Systems bietet sein eigenes DuraForm TPU Elastomer an, das mit seinem 3D-Drucker Pro 60 HD-HS kompatibel ist.
• Der französische AM-Spezialist Prodways hat TPU-70A im Materialportfolio mit einer Reißdehnung von mehr als 300%. Bei TPU-70A kann die Shore-Härte basierend auf der Energiezufuhr angepasst werden.

Designtipps bei der Verwendung von TPU-Pulvern

Mindestwandstärke

1,5 mm ist die Mindestwandstärke bei Verwendung von TPU-Pulver. 3D gedruckte Teile mit 1,5 mm Wandstärke sind sehr flexibel, aber Sie können Ihr Teil auch steifer machen, indem Sie die Wandstärke auf 3 mm erhöhen.

Mindestgröße der Features

Wenn Sie Details für Ihr TPU-Teil entwerfen, stellen Sie sicher, dass sie mindestens 0,5 mm groß sind. Für die Sichtbarkeit von geprägten und gravierten Details sollte deren Höhe und Breite nicht kleiner als 1,5 mm sein.

Komplexe Designs

Als Pulverbetttechnologie kann SLS umschlossene und ineinandergreifende Teile (z. B. eine Kette) erzeugen, wodurch die Notwendigkeit entfällt, einzelne gedruckte Komponenten zu montieren. Damit dies gelingt, muss der Abstand zwischen den Teilen mindestens 1 mm betragen. Bei großen Objekten sollte der Abstand erhöht werden.

Austrittslöcher

Das Aushöhlen Ihres Teils kann nützlich sein, da es die Druckzeit reduziert und Material spart. Vergessen Sie dabei jedoch nicht, in Ihre Design-Löcher mit einem Durchmesser von mindestens 1,5 mm zu funken, um das Pulver nach dem Druckvorgang in Ihrem Teil zu entfernen.

Fused Deposition Modeling

FDM kann auch mit TPU-Filamenten verwendet werden.

Es gibt zwei wesentliche Vorteile der Verwendung von FDM anstelle von SLS bei der Herstellung von TPU-Teilen: Erstens ist FDM weniger teuer und zweitens ist es typischerweise schneller, TPU-Teile mit Filamenten als mit Pulvern herzustellen. Auf der anderen Seite führt der 3D-Druck mit TPU-Filamenten unter Verwendung von FDM zu einem weniger maßhaltigen Teil mit sichtbaren Druckschichten, die nicht geglättet werden können.

Da TPU ein weiches Material ist, insbesondere wenn es mit ABS- und PLA-Thermoplasten verglichen wird, können sich TPU-Filamente in dem Extrudermechanismus biegen, was zum Aufwickeln des Filaments und Verstopfen eines Extruders führt. Die Weichheit des Materials macht die Schichthaftung in TPU-Drucken jedoch stark und haltbar.

5 Tipps für 3D-Druck mit TPU-Filamenten

Grundlegende Druckeranforderungen:

    Extrudertemperatur: 225-250 ° C
    Art des Extruders: Direct Drive Extruder wird empfohlen
    Beheiztes Druckbett: 50 ± 10 ° C
    Kühlung: Teillüfter wird empfohlen (mittlere oder hohe Einstellung)
    Geschlossener Bauraum: nicht notwendig
    Bauplattform: Kaptonband (PEI)

Drucktemperatur

Der empfohlene Extrusionstemperaturbereich liegt zwischen 225-250 ° C, abhängig vom Typ eines 3D-Druckers und einem TPU-Filament, das Sie haben. Beachten Sie jedoch, dass beim Drucken mit höheren Temperaturen das Filament schneller schmelzen und leichter von einer Düse fließen kann.

Geschwindigkeit

TPU druckt normalerweise am besten bei langsameren Geschwindigkeiten. Es empfiehlt sich, die Hälfte der Durchschnittsgeschwindigkeit (15 mm / s – 20 mm / s) einzustellen, um qualitativ hochwertige Ausdrucke zu gewährleisten.

Extrusionsmultiplikator

Extrusionsmultiplier ist die 3D-Druckereinstellung, mit der Sie steuern können, wie viel Filament aus der Düse kommt oder einfach die Extrusionsrate. Da TPU-Filamente während des Druckprozesses nicht ordnungsgemäß extrudieren können, führt dies zu einer ungeeigneten Verbindung von Schichten und Perimetern. Eine Möglichkeit, mit diesem Problem umzugehen, besteht darin, den Extrusionsfaktor etwas zu erhöhen.

Rückzug

Die Retraktion ist der Mechanismus in einem 3D-Drucker, der das Filament rückwärts in den Extruder zieht, um das Austreten des geschmolzenen Filaments zu verhindern. Diese Eigenschaft ist bei starren Filamenten wie PLA und ABS sehr nützlich, bei TPU-Filamenten können jedoch Rückzüge eine Herausforderung darstellen und zu Verstopfungen führen.

Daher ist es sehr ratsam, das Zurückziehen zu deaktivieren, um das Dehnen und Komprimieren des flexiblen Filaments in der Düse zu verhindern.

Rafts und Skirts

Ein Raft ist eine wegwerfbare horizontale Fläche, auf der ein Teil aufgedruckt ist, und dient dazu, ein Verziehen zu verhindern. Da sich TPU-Teile normalerweise nicht verziehen, werden Rafts beim 3D-Drucken mit TPU nicht empfohlen, nicht zuletzt, weil sie aufgrund hoher Druckgeschwindigkeiten zusätzliche Druckprobleme verursachen können. Im Gegensatz dazu wäre es ratsam, einen Skirt zu drucken – ein paar Schleifen um den Druck herum, um den Fluss des Filaments zu überprüfen und den Erfolg der ersten paar Schichten sicherzustellen.

Fazit

TPU ist ein sehr nützliches Material, das einzigartige Eigenschaften und eine breite Palette möglicher Anwendungen bietet. Der 3D-Druck mit TPU kann jedoch aufgrund der einzigartigen Eigenschaften des Materials zunächst schwierig sein, weshalb es wichtig ist, die Möglichkeiten und Einschränkungen von TPU vor dem Drucken zu verstehen. Wir hoffen, dass Sie mit diesem Tutorial auf dem besten Weg sind, Ihre 3D-gedruckten TPU-Teile erfolgreich zu produzieren.