TPU 3D-Druck meistern: Ihr kompletter Leitfaden für flexible, langlebige Teile
Haben Sie jemals über 3D-Druck flexibler Teile nachgedacht? Dann ist Thermoplastisches Polyurethan (TPU), wie es allgemein bekannt ist, definitiv ein Material für Ihre Liste.
TPU 3D-Druck bietet einzigartige Möglichkeiten, die mit anderen 3D-Druckmaterialien wie ABS, PLA oder Nylon nicht erreichbar sind. Durch Kombination der Eigenschaften von Kunststoff und Gummi kann TPU elastische, hochlanglebige Teile produzieren, die sich leicht biegen oder komprimieren lassen.
In diesem Tutorial erkunden wir Vorteile und Anwendungen von TPU, die Technologien, die das Material unterstützen, sowie Tipps, um 3D-Druck mit TPU so einfach und effizient wie möglich zu gestalten.
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Was ist TPU?
Thermoplastisches Polyurethan (TPU) gehört zur Familie der thermoplastischen Elastomere und vereint die besten Eigenschaften von Thermoplasten und Gummi (Duroplasten).
Der Begriff TPE – ThermoPlastischer Elastomer – ist vielleicht geläufiger. Früher das Go-to-Material für flexiblen 3D-Druck, ist TPE ein sehr weicher, gummiartiger Kunststoff, der sich ohne Deformation biegen oder dehnen lässt. Seine Weichheit macht TPE jedoch für Maschinenextruder sehr herausfordernd.
TPU kann als neuere Version von TPE betrachtet werden. TPU besitzt gummiartige Elastizität, hohe Reiß- und Abriebfestigkeit, hohe Dehnung bei Bruch sowie thermische Stabilität.
Zusätzlich ist TPU beständig gegen Öle, Fette und diverse Lösungsmittel. Da es fester als TPE ist, lässt es sich auch deutlich leichter 3D-drucken.
| Vorteile | Nachteile | Anwendungen |
|---|---|---|
| Elastisch und weich | Hygroskopisch | Sportartikel |
| Sehr dehnbar (je nach Bruchdehnung) | Neigung zu Stringing und Verstopfung | Schutzhüllen |
| Geringes Warping und Schrumpfung | Muss bei niedrigen Temperaturen gedruckt werden | Automotive-Buchsen |
| Chemikalienbeständig | Schwer nachzubearbeiten | Schwingungsdämpfende Komponenten |
| Gute Schlagfestigkeit | ||
| Gute Schwingungsdämpfung und Stoßabsorption | ||
| In vielen Farben verfügbar |
Anwendungen
TPU hat ein breites Anwendungsspektrum. Beispielsweise eignet es sich gut für 3D-Druck funktionaler flexibler Prototypen oder Endverbrauchsteile, die gebogen und komprimiert werden müssen.
Konsumgüter
Für Konsumgüter ist TPU ideal für Accessoires wie Handyhüllen und Schuhelemente.
2015 kreierte New Balance Laufschuhe mit TPU-3D-gedruckten Midsoles. Mit 3D Systems' DuraForm Flex TPU, 3D-Druck und generativem Design erreichte der Schuhriese hohes Maß an Flexibilität in den Midsoles sowie Festigkeit, optimales Gewicht und Langlebigkeit.
Medizin
Eine weitere interessante TPU-Anwendung ist der Medizinsektor. Das Material kann für orthopädische Modelle genutzt werden. 2016 führte US-Unternehmen Graphene 3D Lab leitfähiges TPU-Filament ein, geeignet für flexible Elektronik, einschließlich tragbarer Medizinprodukte wie Armbänder.
Automotive
Mit hoher Chemikalienbeständigkeit gegen Öle und Fette ist TPU ideal für Automobilanwendungen wie Dichtungen, Dichtringe, Stopfen, Schläuche und Schutzanwendungen.
Ein innovatives Beispiel: Ein 3D-gedrucktes Elektroauto des chinesischen Startups XEV Limited. Das Auto besteht aus ca. 100 Teilen, viele davon 3D-gedruckt mit TPU neben PLA und Nylon.
Verfügbare TPU-Materialien
| Hersteller | Markenname | Shore A Härte | Kernproperties | Technologie |
|---|---|---|---|---|
| 3D Systems | DuraForm TPU Elastomer | Variabel | Abriebfest, reißfest, einfach zu verarbeiten, Bruchdehnung 200% | SLS |
| Prodways | TPU-70A | 70A | Hohe Auflösung, Bruchdehnung >300% | SLS |
| Advanc3D | Adsint TPU 80 shA | 80A | Gute Abrieb- und Chemikalienbeständigkeit, Bruchdehnung 600% | SLS |
| Sinterit | Flexa Soft | 40-55A | Bruchdehnung 137% | SLS |
| Sinterit | Flexa Black | 80-90A | Bruchdehnung 155% | SLS |
| Sinterit | Flexa Grey | 70-90A (einstellbar) | Bruchdehnung 137% | SLS |
| Sinterit | Flexa Bright | 79A | Bruchdehnung 317% | SLS |
| LUVOCOM | LUVOSINT® TPU 92 Shore A | 88A | Hohe Festigkeit, hohe Abriebfestigkeit, Bruchdehnung 500% | SLS |
| Lubrizol | Estane® 3D TPU F70D-045TR UV | 70D | Tieftemperaturflexibilität, UV-Stabilität | FFF, SLS, MJF |
| Lubrizol | Estane® 3D TPU F50D-045SR GP | 50D | Hohe Steifigkeit, exzellente Chemikalien- und Ölbeständigkeit | FFF, SLS, MJF |
| Lubrizol | Estane® 3D TPU F98A-030CR HC | 98A | Exzellente mechanische Eigenschaften, geringes Warping/Schrumpfung | FFF, SLS, MJF |
| Lubrizol | Estane® 3D TPU F75D-035 TR UV | 75D | Hoher Modul, exzellente Verarbeitungseigenschaften | FFF, SLS, MJF |
| Ninjatek | Ninjaflex TPU | 85A | Abriebfestigkeit 20% besser als ABS, 68% besser als PLA, chemikalienbeständig, Bruchdehnung 660% | FFF |
| Ninjatek | Cheetah TPU | 95A | Große Schlagfestigkeit, Abriebfestigkeit 40% besser als ABS, 76% besser als PLA, Bruchdehnung 580% | FFF |
| Ninjatek | Armadillo TPU | 75D | Steif, abriebfest, zäh, exzellente Brückenfähigkeit, nahezu kein Warping | FFF |
| Polymaker | PolyFlex™ TPU95 | 95A | Einfach zu verarbeiten, Bruchdehnung 330% | FFF |
| rigid.ink | rigid.ink TPU | 94A | Zäh und langlebig, Bruchdehnung 500% | FFF |
| MatterHackers | MatterHackers PRO TPU | 95A | Beständig gegen Abrieb, Fett und Öl | FFF |
| Fillamentum | Flexfill TPU | 92A und 98A | Ölbeständig mit exzellenter Schichthaftung | FFF |
3D-Druck mit TPU: Die Technologien
Für flexibles Material gibt es zwei Haupttechnologien: Selektives Lasersintern (SLS) und Fused Deposition Modelling (FDM).
Selektives Lasersintern (SLS)
SLS ist eine Pulverbettfusion-Technologie, die Laserstrahl nutzt, um pulverförmiges Material selektiv zu schmelzen und zu verschmelzen.
SLS bietet viele Vorteile für industrielle Fertigung, da die Technologie funktionale Teile mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften produzieren kann. Zudem benötigt SLS keine Stützstrukturen, ermöglicht Freiformteile ohne Stützenentfernungsmale. Teile benötigen jedoch Nachbearbeitung für bessere Oberflächenqualität.
Ursprünglich mit verschiedenen Nylontypen genutzt, ermöglichen jüngste Materialforschungsfortschritte nun TPU-Pulver-Sintern.
Aktuell bieten wenige Hersteller TPU-Pulver mit verschiedenen Shore-Härten an:
- 3D Systems bietet proprietäres DuraForm TPU Elastomer, kompatibel mit Pro 60 HD-HS 3D-Drucker.
- Französischer AM-Spezialist Prodways führt TPU-70A mit Bruchdehnung >300 %. Shore-Härte lässt sich über Energieinput anpassen.
- 2017 führte deutscher Materialhersteller Advanc3D Adsint TPU 80 shA ein, angeblich dehnbarstes kommerziell verfügbares Material für SLS.
Design-Tipps für TPU-Pulver
Mindestwandstärke
1,5 mm ist Mindestwandstärke bei TPU-Pulver. Teile mit 1,5 mm Wänden sind sehr flexibel; durch Erhöhung auf 3 mm wird das Teil steifer.
Mindestfeaturegröße
Bei Design von Details für TPU-Teile sicherstellen, dass sie minimum 0,5 mm groß sind. Für Sichtbarkeit von erhabenen und gravierten Details sollten Höhe und Breite nicht kleiner als 1,5 mm sein.
Komplexe Designs
Als Pulverbetttechnologie kann SLS geschlossene und ineinandergreifende Teile erstellen, eliminiert Montage einzelner gedruckter Komponenten. Für Erfolg: Freiraum zwischen Teilen minimum 1 mm, bei großen Objekten erhöhen.
Entlüftungslöcher
Ausgehöhlte Teile sparen Druckzeit und Material. Aber: Löcher mit mindestens 1,5 mm Durchmesser einplanen, um Pulver nach Druck aus dem Teil zu entfernen.
Fused Deposition Modelling (FDM)
FDM-Technologie kann auch mit TPU-Filamenten genutzt werden.
Zwei Hauptvorteile von FDM statt SLS für TPU-Teile: erstens günstiger, zweitens typisch schnellerer TPU-Teile-Druck mit Filament statt Pulver.
Andererseits resultiert FDM mit TPU-Filamenten in weniger dimensionsgenauen Teilen, sichtbaren Druckschichten, die nicht geglättet werden können. Da TPU weicher als ABS und PLA ist, können TPU-Filamente im Extruder flexen, was Filament-Coiling und Extruder-Verstopfung verursacht. Die Weichheit des Materials sorgt jedoch für starke, langlebige Schicht-zu-Schicht-Haftung.
5 Tipps für 3D-Druck mit TPU-Filamenten
Grundlegende Druckeranforderungen:
- Extrudertemperatur: 225–250 °C
- Extrudertyp: Direct Drive empfohlen
- Beheiztes Druckbett: 50 ±10 °C
- Kühlung: Bauteillüfter empfohlen (mittel oder hoch)
- Gehäuse: nicht notwendig
- Bauoberfläche: Kaptonband (PEI), blaues Malerkrepp
Drucktemperatur
Empfohlener Extrusionsbereich: 225–250 °C, abhängig von Drucker und TPU-Filament. Höhere Temperaturen lassen Filament schneller schmelzen und leichter aus der Düse fließen.
Geschwindigkeit
TPU druckt typischerweise am besten bei langsameren Geschwindigkeiten. Halbe Durchschnittsgeschwindigkeit (15–20 mm/s) für hochwertige Drucke empfohlen.
Extrusionsmultiplikator
Der Extrusionsmultiplikator steuert, wie viel Filament aus der Düse kommt. Da TPU-Filamente unsachgemäß extrudieren können, was zu schlechter Schicht- und Perimeterbindung führt: Extrusionsmultiplikator leicht erhöhen.
Retraktion
Retraktion zieht Filament zurück in den Extruder, um Austritt geschmolzenen Filaments zu verhindern. Nützlich bei starren Filamenten wie PLA/ABS, bei TPU jedoch herausfordernd und kann Verstopfung verursachen. Dringend empfohlen: Retraktion deaktivieren, um Dehnung und Kompression des flexiblen Filaments in der Düse zu verhindern.
Rafts und Skirts
Ein Raft ist eine wegwerfbare horizontale Fläche unter dem Teil, verhindert Warping. Da TPU-Teile meist nicht warpen, sind Rafts nicht empfohlen – nicht zuletzt, da sie durch hohe Druckgeschwindigkeiten zusätzliche Probleme verursachen können. Stattdessen: Skirt drucken – einige Materialschlaufen um den Druck – um Filamentfluss zu prüfen und Erfolg der ersten Schichten zu sichern.
Fazit
TPU ist ein hochnützliches Material mit einzigartigen Eigenschaften und breitem Anwendungsspektrum.
3D-Druck mit TPU kann jedoch aufgrund der einzigartigen Materialeigenschaften knifflig sein – daher ist Verständnis der Möglichkeiten und Grenzen vor dem Druck wichtig. Mit diesem Leitfaden sind Sie auf bestem Weg, erfolgreiche 3D-gedruckte TPU-Teile zu produzieren.
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