- Einführung
- Klassifizierung von TPU
- Vor- und Nachteile des TPU-Materials
- Die Eigenschaften des TPU-Materials (Vergleich mit PLA)
Überblick
Da der 3D-Druck weiterhin die Fertigungsprozesse in allen Branchen revolutioniert, spielt die Materialauswahl eine entscheidende Rolle für optimale Ergebnisse. Ein solches Material, das große Aufmerksamkeit erlangt hat, ist thermoplastisches Polyurethan (TPU). TPU zeichnet sich durch seine einzigartige Kombination aus Flexibilität, Haltbarkeit und Vielseitigkeit aus und hat sich als bevorzugte Wahl für die Herstellung funktionaler und komplexer 3D-Druckobjekte herausgestellt. In diesem Artikel gehen wir auf die Eigenschaften des TPU-Materials ein und untersuchen, welche Fähigkeiten es im Bereich des 3D-Drucks zeigt.
Was ist TPU-Material?
Einführung
Thermoplastisches Polyurethan (TPU) ist ein fortschrittliches Material, das im 3D-Druck breite Anwendung findet. Es ist ein thermoplastisches Elastomermaterial mit Eigenschaften zwischen Kunststoff und Gummi. Im Wesentlichen ist es ein Blockcopolymer, dessen chemische Struktur aus abwechselnden Sequenzen von harten und weichen Segmenten besteht, die durch die Reaktion von Diisocyanat mit kurzkettigem Diol (sogenannter Kettenverlängerer) und Diisocyanat mit langkettigem Diol gebildet werden. Es hat nicht nur eine hohe Haltbarkeit und Flexibilität, sondern auch eine gute Verschleißfestigkeit, Hitzebeständigkeit und hervorragende chemische Eigenschaften, wodurch es seine Leistung und Dimensionsstabilität über einen weiten Temperaturbereich aufrechterhalten kann. Darüber hinaus hat es auch eine gute Ölbeständigkeit, Lösungsmittelbeständigkeit und Chemikalienbeständigkeit und kann Erosion und Auflösung verschiedener Chemikalien widerstehen. Im 3D-Druck kann TPU als thermoplastisches Elastomer, das schmelzverarbeitet werden kann, durch Fused Deposition Modeling (FDM) oder selektives Lasersintern (SLS) und andere thermoplastische Verarbeitungstechniken in komplexe dreidimensionale Strukturen umgewandelt werden. Dank einer hervorragenden Kombination aus physikalischen, chemischen und thermischen Eigenschaften sowie seiner Umweltfreundlichkeit ist TPU zum bevorzugten Material für 3D-Druckanwendungen in verschiedenen Branchen geworden. Ingenieure, Hersteller und Designer in allen Branchen bevorzugen TPU aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaften und Umweltfreundlichkeit zunehmend.
Klassifizierung von TPU
TPU (Thermoplastisches Polyurethan) ist ein elastisches Polymermaterial, das im 3D-Druck verwendet wird. TPU kann anhand der Shore-Härteskala in verschiedene Härtegrade eingeteilt werden. Der Shore-Härtetest misst die Härte elastischer Materialien wie Gummi, Polymere und Elastomere. Ein höherer Shore-Wert weist auf ein härteres Material hin. TPU-Filamente , die im 3D-Druck verwendet werden, haben typischerweise eine Shore-Härte von 85A bis 95A, einige spezielle Arten von TPU-Filamenten haben eine Shore-Härte von 40A bis 85A. Sie können wie folgt klassifiziert werden:
- Weiches TPU (Shore 85A-88A): Extrem flexibel und elastisch. Kann auf 700-1000 % seiner ursprünglichen Länge gedehnt werden. Wird normalerweise zum Drucken von Komponenten verwendet, die eine hohe Flexibilität erfordern, wie z. B. Handyhüllen und Uhrenarmbänder.
- Mittleres TPU (Shore 90A): Verfügt über gute Flexibilität und Haltbarkeit. Kann auf etwa 500 % seiner ursprünglichen Länge gedehnt werden. Wird für Drohnenkomponenten, orthopädische Einlagen, Sportgeräte usw. verwendet. Dies ist der am häufigsten im 3D-Druck verwendete TPU-Typ.
- Hartes TPU (Shore 95A): Immer noch flexibel, aber steifer. Maximale Dehnung von etwa 200–300 % der ursprünglichen Länge. Geeignet für Anwendungen, die ein gewisses Maß an Flexibilität und Halt erfordern, z. B. elektronische Gehäuse, Einlegesohlen, Spielzeug, Griffe usw.
Die breite Härteanpassungsfähigkeit von TPU resultiert aus seiner einzigartigen Blockcopolymerstruktur mit abwechselnd harten und weichen Segmenten, die unterschiedliche Weichheits-, Härte- und Haptikgrade ermöglichen. Die Shore-Härte von PLA hängt eng mit seiner chemischen Struktur zusammen und lässt sich nur schwer mit einfachen Mitteln verbessern. Daher ist TPU die ideale Wahl, wenn eine subtile Haptik, eine umfassende Härteanpassungsfähigkeit und hohe Elastizität erforderlich sind. PLA ist besser geeignet, wenn eine höhere Härte und strukturelle Integrität erforderlich sind.
Vor- und Nachteile von TPU-Material
|
VORTEILE |
NACHTEILE |
|
Hervorragende Schicht-zu-Schicht-Bindung |
Für Anfänger ist es schwierig, erfolgreich zu drucken |
|
Weich und flexibel |
Funktioniert möglicherweise auf einigen Extrudern nicht gut |
|
Hohe Bruchdehnung |
Höhere Materialkosten |
|
Ausgezeichnete mechanische Festigkeit |
Schlechte Hydrolysebeständigkeit |
|
Gutes Anti-Aging |
Schwierig nachzubearbeiten |
|
Umweltfreundlich |
Die Eigenschaften des TPU-Materials (Vergleich mit PLA)
Als umweltfreundliches Material, das eine ausgereifte Position zwischen Gummi und Kunststoff einnimmt, verfügt TPU über viele unübertroffene Eigenschaften im Vergleich zu PLA -3D-Druckfilament , was es für bestimmte Anwendungen zur bevorzugten Wahl macht.
Flexibilität und Elastizität
TPU ist für seine hervorragende Flexibilität und Elastizität bekannt. Als thermoplastisches Elastomermaterial weist TPU aufgrund seiner lockeren Molekülkettenstruktur und schwachen sekundären Wechselwirkungen wie Wasserstoffbrücken eine hohe Elastizität auf. Beim Dehnen können sich die weichen Segmente von TPU ausdehnen und bewegen, ohne direkt zu reißen, was TPU eine überlegene plastische Verformbarkeit und Zähigkeit verleiht. Seine Bruchdehnung liegt typischerweise zwischen 200 % und 1000 % und übertrifft damit die von PLA bei weitem.
Im Gegensatz dazu ist PLA ein biologisch abbaubares thermoplastisches Polyestermaterial und ein relativ starrer Kunststoff. Aufgrund seiner einzelnen steifen Kettenstruktur mit mangelnder Kettenbeweglichkeit erleidet PLA bei Verformung leicht einen spröden Bruch. Die Bruchdehnung von PLA liegt normalerweise zwischen 5 und 10 %, was auf seine begrenzte plastische Verformbarkeit hinweist. Im Vergleich zu PLA ist TPU aufgrund seiner einzigartigen chemischen Struktur eine ideale Materialwahl für den 3D-Druck weicher Teile, die ein weicheres und natürlicheres Gefühl als PLA erreichen können.
Hervorragende Schlagfestigkeit
TPU weist einen gewissen Grad an Kettenvernetzung und starken intermolekularen Wechselwirkungen zwischen den Ketten auf, wodurch sie sehr widerstandsfähig gegen Verschiebungen oder Brüche aus ihrer festen Position durch angelegte Spannungen sind. Folglich weist TPU eine hohe Schlagfestigkeit auf und kann erhebliche Aufprallenergien absorbieren, ohne zu versagen. Im Gegensatz dazu weist das sprödere PLA eine geringere Schlagfestigkeit auf.
Hohe Zugfestigkeit
TPU weist im Allgemeinen eine Zugfestigkeit zwischen 20 und 100 MPa auf und übertrifft damit die von herkömmlichen Gummimaterialien deutlich. Dies ist auf das Vorhandensein von Hartsegmentdomänen in TPU zurückzuführen, die erheblichen Belastungen unter Belastung standhalten können. Durch die Pufferwirkung von Weichsegmentdomänen ist TPU weniger anfällig für vorzeitiges Versagen und behält seine Integrität bei großen Verformungen. Im Vergleich dazu hat PLA eine geringere Zugfestigkeit von 50 bis 70 MPa, was seine Anwendungsmöglichkeiten einschränkt. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass TPU im Vergleich zu herkömmlichen Gummis und PLA eine überlegene Zugfestigkeit aufweist, was ein breiteres Anwendungsspektrum ermöglicht.
Hohe Verschleißfestigkeit
Die Molekülketten von TPU interagieren über verstärkte Wasserstoffbrücken und Van-der-Waals-Kräfte, was die Kohäsionsfestigkeit erhöht und TPU eine erhöhte Reißfestigkeit von 10-80 kN/m verleiht. Dadurch sind TPU-Formteile im Gebrauch weniger anfällig für Risse. Im Gegensatz dazu weist PLA eine Reißfestigkeit von nur 5 kN/m auf, die deutlich niedriger ist als die von TPU. TPU weist also im Vergleich zu PLA aufgrund seiner starken intermolekularen Wechselwirkungen und hohen Kohäsionsfestigkeit eine deutlich höhere Verschleiß- und Reißfestigkeit auf.
Ausgezeichnete Ermüdungsbeständigkeit
Die Segmentketten von TPU können sich erheblich dehnen und verformen und nehmen nach Spannungsabbau ihre ursprüngliche Form wieder an. Dadurch können sie wiederholt großen Verformungen standhalten. Gleichzeitig bleiben die Verbindungen zwischen den Ketten durch robuste intermolekulare Kräfte fest verbunden und neigen bei zyklischer Belastung weniger zum Brechen. TPU weist daher eine ausgeprägte Ermüdungsbeständigkeit und verbesserte Haltbarkeit auf. Im Gegensatz dazu weist PLA aufgrund des Abrutschens der Molekülketten eine geringere Ermüdungsbeständigkeit auf.
Überlegene Säure- und Alkalibeständigkeit
TPU enthält polare Wasserstoffbrücken und starke intermolekulare Wechselwirkungen, die ihm ein kompaktes dreidimensionales Netzwerk verleihen, das gegen Erosion und Abbau durch saure und alkalische Lösungsmittel beständig ist. Im Gegensatz dazu neigt PLA aufgrund schwächerer intermolekularer Kräfte unter sauren und alkalischen Bedingungen zu Kettenabrutschen, was seine Stabilität beeinträchtigt. TPU weist daher eine deutlich höhere Säure- und Alkalibeständigkeit auf und behält seine Eigenschaften bei langfristiger Einwirkung von Lösungen mit einem pH-Wert von 3–9.
Verbesserte Öl- und Lösungsmittelbeständigkeit
Die dichte dreidimensionale Struktur von TPU verhindert das Eindringen und die Wirkung vieler chemischer Lösungsmittelmoleküle und verleiht TPU eine hohe Beständigkeit gegen viele gängige Lösungsmittel. Die offene Struktur und die schwachen intermolekularen Kräfte von PLA sorgen dafür, dass es von vielen organischen Lösungsmitteln leicht aufgelöst und durchdrungen wird. Daher ist TPU besser für Umgebungen mit Ölen und organischen Lösungsmitteln geeignet.
Überlegene Oxidationsbeständigkeit
TPU enthält Antioxidantien, um Oxidation zu verhindern, und seine kompakte Molekularstruktur erschwert das Eindringen von Sauerstoffmolekülen, wodurch seine Oxidationsbeständigkeit verbessert wird. Ohne zusätzliche Antioxidantien und mit einer offenen Struktur, die das Eindringen von Sauerstoff ermöglicht, neigt PLA bei Oxidation zu Kettenspaltung und Abbau. Daher sind die Oxidationsbeständigkeit und Lebensdauer von TPU denen von PLA weit überlegen.
Verbesserte Strahlungsresistenz
Aufgrund der dichten Struktur und der starken intermolekularen Wechselwirkungen von TPU sind die Molekülketten nur schwer direkt durch Strahlungsenergie zu beeinflussen und zu zerstören. Die schwächeren intermolekularen Kräfte von PLA machen es anfällig für Molekülkettenspaltung und -abbau unter Strahlung. Daher weist TPU im Vergleich zu PLA eine höhere Strahlungsbeständigkeit und Bestrahlungsstabilität auf.
Die am besten geeigneten 3D-Druckparameter (nehmen Sie als Beispiel das SUNLU TPU- Material )
Im Gegensatz zu herkömmlichen starren 3D-Druckmaterialien wie Polymilchsäure (PLA) stellt die hochelastische und flexible Beschaffenheit von TPU eine größere Herausforderung für 3D-Druckprozesse dar, insbesondere für Benutzer mit wenig Erfahrung, und kann leicht zu erfolglosen Drucken führen.
Um optimale Ergebnisse beim 3D-Druck mit TPU zu erzielen, wird das Filament SUNLU TPU hier als Fallstudie für empfohlene Parameter und wichtige Überlegungen verwendet, die wie folgt lauten:
Druckparameter:
- Extrusionstemperatur: 205–230 °C. Höhere Temperaturen in diesem Bereich können ein ausreichendes Schmelzen des TPU gewährleisten.
- Extrusionsmultiplikator: 1,05-1,15-fach. Für die distale Extrusion beträgt die Druckgeschwindigkeit 20-30 mm/s und die Rückzugsgeschwindigkeit 10-20 mm/s. Für die proximale Extrusion können herkömmliche Druckgeschwindigkeiten verwendet werden, und die Geschwindigkeit kann für komplexere Modelle entsprechend um 15-25 % reduziert werden. Die Rückzugsgeschwindigkeit wird um 10-20 % der normalen Geschwindigkeit reduziert. Langsamere Geschwindigkeiten innerhalb dieser Bereiche ermöglichen einen ausreichenden TPU-Fluss und erhöhen die Erfolgsrate.
- Extrusionsbreite: 0,40 +/- 0,02 mm. Filamentdurchmesser: 1,75 +/- 0,10 mm. Die Einstellungen sollten umfassend anhand der Parameter des Extrusionskopfes bestimmt werden. Übermäßig große Größen außerhalb dieser Toleranzen sind schwer zu kontrollieren.
- Verwenden Sie spezielle Extrusionsköpfe für TPU-Material, beispielsweise mit 0,6 mm Durchmesser und TPU-Filament-Liner. Herkömmliche Extrusionsköpfe können möglicherweise Verstopfungen verursachen und die Druckqualität beeinträchtigen.
- Vermeiden Sie ein Anhaften des Druckbetts. Verwenden Sie Stahlgeflecht, doppelseitiges Klebepapier oder PET-Folien, um das Entformen zu erleichtern.
Wichtige Überlegungen:
- Aufgrund der inhärenten Vorteile einer flexiblen Filamentzufuhr wird eine proximale Extrusion empfohlen.
- Deaktivieren Sie den Lüfter, um den Temperaturabfall des Modells auf weniger als 5 °C/min zu begrenzen. Verwenden Sie einen geschlossenen Drucker, um zu vermeiden, dass Feuchtigkeit die Druckqualität beeinträchtigt.
- Begrenzen Sie die Höhe des Modells. Eine zu große Höhe über diesem Referenzwert führt zu Schwankungen an der Oberseite, was sich negativ auf die Erfolgsrate auswirkt.
- TPU-Materialien sollten versiegelt und in einer trockenen und belüfteten Umgebung mit einer relativen Luftfeuchtigkeit unter 60 % gelagert werden, um Feuchtigkeitsschäden zu vermeiden.
Bei entsprechender Umsetzung können diese Empfehlungen und wichtigen Überlegungen dazu beitragen, hochwertigen 3D-Druck mit flexiblen TPU-Materialien wie SUNLU TPU-Filament zu ermöglichen.
Anwendung von TPU-Material
Dank seiner einzigartigen chemischen Struktur und seiner hervorragenden physikalischen und mechanischen Eigenschaften wird TPU in vielen Bereichen eingesetzt. Dies spiegelt sich vor allem in folgenden Bereichen wider:
- Schuhherstellung
TPU besitzt eine überragende Elastizität und Abriebfestigkeit, was es zu einem optimalen Material für Schuhsohlen und Obermaterial macht. Führende Sportmarken wie Adidas und Nike verwenden TPU bei der Herstellung von Laufschuhsohlen, Obermaterial und verschiedenen anderen Komponenten, um Komfort, Halt und Haltbarkeit zu verbessern und dem Endnutzer gleichzeitig ein hochelastisches und ergonomisches Tragegefühl zu bieten. Darüber hinaus kann TPU in komplexen Geometrien hergestellt werden, um unterschiedlichen Designanforderungen gerecht zu werden.
- Sportausrüstung
Aufgrund seiner überlegenen Zugfestigkeit, Bruchdehnung und Haltbarkeit wird TPU häufig bei der Herstellung verschiedener Sportgeräte wie Kajaks, Fahrradreifen und -lenkern, Kletterankern, Schwimmbrillen, Snowboardstiefeln und Gymnastikpolstern eingesetzt, um Sicherheit, Stabilität und Ergonomie zu verbessern. Solche Geräte weisen eine ausgezeichnete Abriebfestigkeit und lange Lebensdauer auf. Die hervorragende Biegsamkeit und Elastizität von TPU-Materialien kann Aufprallkräfte effektiv abschwächen. TPU kann außerdem in einer Vielzahl von Geometrien und Abmessungen hergestellt werden, um den Anforderungen verschiedener Sportanwendungen gerecht zu werden.
- Technische Kunststoffe
Aufgrund der überlegenen physikalischen und mechanischen Eigenschaften von TPU-Materialien können sie als brauchbare Alternative zu Metallen für technische Kunststoffe wie Zahnräder, Lager, Buchsen und Rohrverbindungen dienen, um gleichzeitig ein geringeres Gewicht und eine längere Lebensdauer zu erreichen. Trotz ihrer Flexibilität weisen TPU-3D-gedruckte Komponenten auch eine hohe Schlagfestigkeit, Spannungsbeständigkeit und Dauerfestigkeit auf.
- Automobilindustrie
Die biegsame Haptik, Witterungsbeständigkeit und chemische Beständigkeit von TPU machen es zur optimalen Wahl für Fahrzeuginnenraumkomponenten. Es wird häufig in Lenkradbezügen, Schaltknäufen, Instrumententafeln, Türverkleidungen usw. verwendet. Diese Teile zeichnen sich durch robuste Haltbarkeit und die Fähigkeit aus, rauen Bedingungen wie extremer Hitze und Kälte standzuhalten. Überlegene Schlagfestigkeit und Elastizität erhöhen auch die Fahrzeugsicherheit.
- Medizin und Gesundheitswesen
Die Biokompatibilität und Biegsamkeit von TPU machen es zu einem wichtigen Bestandteil medizinischer Geräte und Gesundheitsprodukte wie Sauerstoffmasken, Kathetern, kieferorthopädischen Klammern, Rollstühlen und Krücken. Diese Geräte weisen eine ausgezeichnete Biokompatibilität und ein vernachlässigbares Potenzial für Nebenwirkungen bei menschlichen Versuchspersonen auf. Sie können auch in einer Vielzahl von Geometrien und Abmessungen hergestellt werden, um verschiedenen medizinischen Anwendungen gerecht zu werden. Darüber hinaus zeichnen sie sich durch Langlebigkeit und die Fähigkeit aus, längerer Nutzung und rauen Bedingungen standzuhalten.
- 3d Drucken
Die Biegsamkeit und Zähigkeit von TPU-Materialien ermöglichen eine hervorragende 3D-Druckbarkeit. Beispielsweise wird SUNLU TPU-Material häufig in 3D-gedruckten Schuhsohlen, Handyhüllen, UAV-Komponenten und Taschen eingesetzt. Ihre 3D-gedruckten Artikel zeichnen sich durch komplexe Geometrien, geringes Gewicht und hohe Elastizität aus. TPU-Materialien weisen außerdem eine robuste Säure- und Laugenbeständigkeit sowie eine außergewöhnliche Korrosionsbeständigkeit auf. Von Alltagsgegenständen bis hin zu Modeprojekten kann alles 3D-gedruckt werden.
Abschluss
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die weit verbreiteten Anwendungen von TPU-Materialien ihre überlegene Leistung und ihr immenses Potenzial im Bereich fortschrittlicher Materialien belegen. Aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaften und Vielseitigkeit ist TPU zu einem unschätzbar wertvollen Material für den 3D-Druck geworden. Insbesondere SUNLU TPU weist eine herausragende Flexibilität, Haltbarkeit und chemische Beständigkeit auf, was es zum Material der Wahl für Endbenutzer macht. Indem sie die spezifischen Druckparameter von SUNLU TPU verstehen und seine Vorteile nutzen, können Bastler das Potenzial von TPU im 3D-Druck ausschöpfen. Ob bei Konsumgütern, Industriekomponenten oder medizinischen Geräten – SUNLU TPU-Materialien ermöglichen neuartige Designs und Anwendungen und katalysieren innovativere Produkte. Mit der anhaltenden Entwicklung von 3D-Drucktechnologien wird TPU eine entscheidende Rolle bei der Gestaltung und Förderung der Zukunft der additiven Fertigung spielen.
——————————————————
