Thermoplastisches Polyurethan (TPU) wurde erstmals 1959 von Lubrizol Engineered Polymers, einem Unternehmen von Berkshire Hathaway, entwickelt.
Thermoplastisches Elastomer auf Urethanbasis (TPU) gehört zur Polymergruppe der thermoplastischen Elastomere (TPE), die sich analog der klassischen Elastomere (=Gummi) verhalten.
TPU – Kunststoff ist trotz seiner hohen Flexibilität sehr lange haltbar. Von den Eigenschaften her eine Kombination aus Gummi und Kunststoff, können damit elastische und stark technisch belastbare Bauteile hergestellt werden.
Je nach chemischer Zusammensetzung weisen die verschiedenen Elastomere unterschiedliche Eigenschaften auf. Die Anwendungsgebiete sind daher sehr vielfältig.
Von der Herstellung eines Sportschuhes bis hin zu Medizinprodukten ist alles möglich.
Elastomere sind besondere Kunststoffe. Sie verformen sich durch Belastung, Zug- oder Druckkraft und kehren danach wieder in ihren Ausgangszustand zurück.
Generell besitzen sie eine hohe Abriebfestigkeit und bringen ihre Leistung auch bei niedrigen Temperaturen.
In der Medizinbranche wird auch ihre Beständigkeit gegenüber Ölen, Fetten und einer Vielzahl von Lösungsmitteln sehr geschätzt.
Die unterschiedlichen Härtegrade werden über die Kennzahl der Shorehärte in der Spanne zwischen A30 bis A95 angegeben.
Dabei gilt die Shorehärte A30 sehr weich.
Bildquelle: https://www.j-flex.com/de/how-is-rubber-hardness-measured-what-does-shore-hardness-mean/
3D-Druck mit TPU Filament
TPU Filament ist die bedeutendste Art der flexiblen Materialien, da es sich verhältnismäßig gut drucken lässt. Weiterhin besticht TPU durch sehr gute Abriebfestigkeit sowie Temperaturbeständigkeit von bis zu 80°C. Aufgrund seiner Flexibilität und guten Beständigkeit auch bei niedrigen Temperaturen wird es selten spröde.
TPU besitzt eine gummiartige Elastizität, hohe Reiß- und Abriebfestigkeit, hohe Reißdehnung sowie thermische Stabilität. Darüber hinaus ist TPU beständig gegenüber Ölen, Fetten und einer Vielzahl von Lösungsmitteln.
Angesichts seiner guten Witterungsbeständigkeit und hoher UV-Stabilität können damit auch Bauteile für den Außenbereich gedruckt werden.
Auf dem 3D-Druck-Markt sind momentan noch zwei weitere Varianten dieses flexiblen Kunststoffes zu erwerben – TPE und TPC.
Thermoplastisches Elastomer (TPE) ist eine weichere Variante des TPU Filaments.
TPE kann ohne Wärmezufuhr stark gedehnt und gebogen werden. Aufgrund dieser hohen Elastizität lässt sich dieses Material schwerer drucken als TPU Filament.
Thermoplastisches Copolyester-Elastomer (TPC) ist eine besondere Variante des TPU. Es besticht vor allem durch hohe Resistenz gegenüber Chemikalien, UV-Strahlen und Temperaturen.
Da Elastomere beim Erwärmen sehr klebrig und flexibel sind, ist das Drucken von TPU-Filament generell recht anspruchsvoll.
Je höher der Härtegrad des Elastomers, umso leichter lässt es sich bearbeiten.
Die Kosten für TPU Filament liegen im Durchschnitt bei 30-155€ pro KG.
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Allgemeine Eigenschaften
Thermoplastische Polyurethane (TPU)
Materialgruppe | Thermoplastische Elastomere |
Dichte | 1,15g/cm³ |
Schlagzähigkeit | sehr hoch |
Zugfestigkeit | 54 N/mm² |
Bruchdehnung | 700% |
Flammbarkeit | normal entflammbar |
Witterungsbeständigkeit | gut |
Einsatztemperaturen (Dauereinsatz) | -40°C bis 80°C |
Mögliche Anwendungen von TPU Filament
TPU ist ein Kunststoff, der eine Reihe einzigartiger Eigenschaften aufweist. Mit seiner gummiartigen Elastizität unterscheidet er sich von den gebräuchlicheren Materialien ABS, PETG und PLA deutlich.
Er ist gut abriebfest und zeigt auch bei niedrigen Temperaturen wenig Verschleißerscheinung. Verschiedene Branchen können diese hohe Flexibilität des TPU-Kunststoffes gut für sich nutzen.
Die hohe Beständigkeit gegenüber Ölen, Säuren, Laugen und Reinigungsmitteln runden seine ausgezeichneten mechanischen Fähigkeiten ab.
Es findet Anwendung als: Lenkrollen, Gehäuse, Schuhe, Sportausrüstung, Automobilindustrie, Medizinbranche, Instrumententafeln, Griffe, Handyschutzhüllen, Dichtungen, Dämpfungselemente, Stempel
Vor-und Nachteile von TPU Filament
Vorteile:
Nachteile:
Vorüberlegung beim 3D-Druck mit TPU Filament
3D-Drucker Voraussetzungen:
1. Beheiztes Druckbett (optional)
Aufgrund seiner Flexibilität hat TPU gute Haftungseigenschaften auf dem Druckbett. Ein beheizbares Druckbett ist daher nicht unbedingt notwendig.
Das Blue Tape Band hat sich in den letzten Jahren als gute Druckauflage für den TPU-Druck bewehrt.2. Geschlossener Druckraum (optional)
Ein geschlossener Druckraum ist für TPU nicht erforderlich. Durch das geringe Schrumpfverhalten einhergehend mit der guten Schichthaftung gibt es nur selten Probleme mit „Warping“ oder gespaltenen Schichten.
3. Extruder-Typ
Einige flexible Filamente lassen sich gut mit Bowden-Extrudern drucken. Im Allgemeinen ist es aber generell immer von Vorteil, einen Extruder mit Direktantrieb zu haben. So wird der Druck einfacher und es kommt seltener vor, dass sich das Filament im Bowdenschlauch verklemmt.
Welches Support-Material eignet sich für TPU Filament?
Als Support-Material eignet sich PVA Filament oder auch normales PLA Filament, je nachdem welche Qualität die zu stützenden Flächen besitzen müssen.
Lagerung:
TPU hat die Fähigkeit Wasser zu binden. Daher ist es ratsam, die Filamente trocken zu lagern. Luftdichte ZIP-Beutel mit dem Trocknungsmittel Silica eigenen sich sehr gut dafür.
Neben der trockenen Lagerung achte immer darauf, dein Material vor UV-Strahlen zu schützen.
Trocknung:
Sollte das Filament nach einer gewissen Zeit doch Feuchtigkeit aufgenommen haben, kannst du es mit Hilfe eines Dörrgeräts oder einfach im Backofen wieder trocken. Es gibt auch professionelle Trocknungsboxen.
Trocknungszeit und Temperatur für TPU liegen in der Regel bei ca. 65°C und 4-8 Stunden Umluft. Dies ist aber sehr abhängig vom jeweiligen Feuchtigkeitsgehalt des Materials.
Bevor du die ganze Rolle in den Ofen steckst, teste vorher mit einem kleinen Stück Filament.
Sicherheit:
Beim Druck mit TPU entstehen nur geringe giftige bzw. gesundheitsschädigende Dämpfe. Rein sicherheitstechnisch kann TPU Filament deshalb auch in der Wohnung verdruckt werden aber es sollte stets frische Luft in den Raum gelassen werden.
Welche Slicing-Einstellungen verwende ich für TPU Filament?
Es sei erwähnt, dass es sich diesen Ausführungen nur um Empfehlungen handelt. Je nach Zusammensetzung des Filaments können verschiedene Werte auch etwas abweichen.
Zu Beginn solltest du immer mit den Herstellerwerten arbeiten, die im Anschluss durch eigene Erfahrungswerte ergänzt bzw. verändert werden können.
Drucktemperatur (210°C - 250°C)
Beim Drucken mit TPU Filament werden hohe Drucktemperaturen zwischen 210-250°C benötigt.
Je höher die Drucktemperatur, desto besser ist auch die Schichthaftung, was ideal bei technischen Bauteilen ist.
Zu hohe Temperaturen erkennt man daran, dass die Schichten etwas verlaufen und sich Fäden am Bauteil bilden können.
Sollten die Schichten jedoch fleckig und etwas rau sein, ist das ein Zeichen für eine zu geringe Drucktemperatur.
Es wird keine spezielle Druckdüse benötigt.
Druckbett und Druckbetttemperatur (20°C - 60°C)
Wie schon erwähnt, wird beim Druck mit TPU kein beheiztes Druckbett benötigt. Zur Verbesserung der Druckqualität kannst du eine geringe Druckbetttemperatur einstellen. Diese sollte dafür maximal bei 60°C liegen.
Einige TPU-Materialien erfordern es, die Druckfläche zuvor mit einer dünnen Klebstoffschicht zu benetzen. Auch wenn es sich für den ersten Moment etwas komisch anhört - diese Schicht hilft enorm dabei, das Druckobjekt später ohne Schaden vom Druckbett zu lösen.
Gerade bei Glasplatten können Kapton-Band, Haarspray, Haftkleber oder Haftspray eine gute Zwischenschicht zum gedruckten TPU-Bauteil darstellen.
TPU Filamente können auch auf PEI-, Flashforge- und BuildTak-Druckplatten gedruckt werden. Hier ist jedoch Vorsicht geboten, da die Druckplattenhaftung von TPU sehr stark ist.
Auch perforierte bzw. grobe Dauerdruckplatten, die bei einigen Prusa - 3D-Druckern zur Ausstattung gehören, eignen sich gut für das Drucken mit TPU-Material.
Druckgeschwindigkeit (20mm/s - 40mm/s)
Um qualitativ hochwertige TPU Bauteile zu erhalten, solltest du geringe Druckgeschwindigkeiten zwischen 20mm/s und 40mm/s nutzen.
Je größer die Druckgeschwindigkeit gewählt wird, desto höhere Drucktemperaturen werden benötigt, um das Material auch rechtzeitig zum Schmelzen zu bringen.
Bei zu hohen Geschwindigkeiten kann es zu Verstopfungen in der Düse kommen.
Druckgeschwindigkeit erste Schicht (15mm/s - 20mm/s)
Damit die Haftung zwischen der ersten Schicht und dem Druckbett so gut wie möglich ist, sollte für die erste Schicht eine geringe Druckgeschwindigkeit gewählt werden.
Mit 15mm/s bis 20mm/s habe ich gute Erfahrungen gemacht.
Kühlung (10% - 30%)
Der Lüfter für dein Druckobjekt sollte während des Drucks mit TPU-Filament nicht benutzt werden oder ggf. nur auf geringer Stufe laufen (10-30%).
Generell kann man empfehlen, TPU mit ausgeschaltetem Bauteillüfter zu drucken. Die Schichthaftung wird dadurch maximiert.
Bei einigen Designs ist die Bauteilkühlung optional. Diese kann verwendet werden, um Fäden zu vermeiden oder die Abkühlzeit zu beschleunigen. Das ist gerade bei Überhängen und Brücken wichtig.
Füllung
Bei TPU Filament kannst du die Flexibilität der Bauteile mittels Fülldichte und Füllmuster bestimmen.
Eine zu gering gewählte Fülldichte erkennst du an einer schlechten Oberflächenqualität der Bauteilwände.
Eine Fülldichte von 25-30% sollte in der Regel nicht unterschritten werden.
Ein guter Weg, die Stabilität des Bauteils zu verbessern sowie eine schöne Oberfläche zu erzeugen, ist das Vergrößern der Wandstärke.
Schichthöhe
Je größer die Schichthöhe, desto höher muss die Drucktemperatur sein, weil eine größere Menge an Material aufgeschmolzen werden muss. Die Schichthöhe sollte im Bereich von 0,1mm bis 0,2mm liegen. Wenn dieser Wert überschritten wird, kann der dadurch entstehende überhöhte Druck in der Düse zu Verstopfungen führen.
Schichthöhe erste Schicht
In der Regel sollte die erste Schicht 150% der eigentlichen Schichthöhe betragen. Das erhöht die Gesamtkontaktfläche und verbessert die Haftung auf dem Druckbett deutlich.
Druckbetthaftung
In der Regel ist die Druckbetthaftung von TPU-Druckteilen sehr gut.
Es ist sinnvoll, einen Skirt um dein Bauteil mit zu drucken, um den Fluss und die eingestellte Drucktemperatur zu überprüfen.
Neben der Skirt-Option bieten die Slicer folgende Funktionen zur Verbesserung der Druckbetthaftung an:
Raft: Beim Raft wird eine horizontale Struktur unter das komplette Bauteil gedruckt. Diese große Oberfläche haftet sehr gut auf dem Druckbett, hinterlässt jedoch Spuren auf der Unterseite.
Brim: Mit Hilfe der Brim-Funktion werden in der ersten Schicht mehrere Bahnen um das Bauteil gedruckt, wodurch die Auflagefläche vergrößert wird. Diese nicht zum Bauteil gehörigen Bahnen müssen nach dem Druck entfernt werden.
Zusätzliche Rafts oder Brims müssen aufgrund der guten Druckbetthaftung des TPU aber nur selten eingesetzt werden.
Flussfaktor
Der Flussfaktor beim Druck mit TPU Filament sollte leicht auf ca. 5-10% erhöht werden.
Je nach Einstellung des 3D-Druckers und der Qualität deines Druckergebnisses, kannst du mit den Herstellerwerten experimentieren
Retraction
TPU Filament reagiert sehr empfindlich auf schnelle Bewegungen, die bei der Retraction vorkommen. Dabei können schnell Verstopfungen in der Düse entstehen.
Es daher zu empfehlen, den Rückzug zu deaktivieren. So wird das Dehnen und Komprimieren des flexiblen Filaments in der Düse weitestgehend verhindert.
Sollte es nach dem ersten Druck zu Fäden kommen, kannst du die Rückzugsgeschwindigkeit reduzieren (10-20mm/s) und mit einem kleinen Rückzugsweg (0,5mm- 1,5mm) versuchen, den Druckfehler zu beheben.
Eine Alternative zu den Rückzugeinstellungen, wäre die Option „Coasting“. Diese reduziert den Druck in Druckdüse und verhindert so unkontrolliertes Nachlaufen von geschmolzenem Material.
Spezial Funktion / Einstellungen:
Achte beim Druck mit TPU Filament auch auf die Lage der Filamentspule. Da das Filament beim Einziehen in die Düse gedehnt wird, kann es aufgrund der Flexibilität des Materials zu Problemen bei der Materialförderung kommen.
Wenn es möglich ist, versuche die Filamentspule oberhalb deines Druckers zu platzieren, damit sich das Filament gut abwickeln lässt. Somit reduzierst du den Widerstand und vermeidest eventuell den daraus entstehenden Druckfehler (Unterextrusion).
Häufige Druckfehler beim 3D-Druck mit TPU Filament
Was tun bei Stringing(Fäden)?
Dieser Fehler tritt auf, wenn der Druck in der Düse zu groß ist und das aufgeschmolzene Material unter dem Einfluss der Schwerkraft aus der Düse läuft.
Zur Fehlerbehebung gibt es verschiedene Möglichkeiten:
- Rückzugs-Einstellungen verändern
- Drucktemperatur reduzieren
- Flussrate reduzieren
- Linienbreite verringern
- Lüftergeschwindigkeit erhöhen
- Düse reinigen
Weitere Druckfehler schnell und effektiv beheben?
Nachbearbeitung von drucken aus TPU Filament
Bauteile, die aus TPU-Filament gedruckt wurden, lassen sich nur bedingt nachbearbeiten. Durch die Flexibilität des Materials ist es schwer, diese Bauteile zu fräsen, schleifen oder zu polieren. Solche spanabhebenden Nachbearbeitungen sollten generell mit Vorsicht durchgeführt werden, da hier Reibung und Wärme entsteht. Es kann passieren, dass sich das Bauteil dadurch verformt.
Kleben und Bemalen funktionieren ohne große Einschränkungen.
Wichtige Fragen zum TPU Filament
Was ist TPU Filament?
TPU ist ein elastomerischer Kunststoff, der synthetisch hergestellt wird. Man erkennt ihn an seiner hohen Flexibilität und Verformbarkeit. Er verbindet die physikalischen Eigenschaften von Thermoplasten und Elastormeren.
Ist TPU Filament giftig?
Zum Teil – die Dosis macht das Gift.
Um TPU Filament so flexibel herzustellen, werden dieselben Weichmacher benötigt, die uns auch im alttäglichen Leben begegnen. Es werden davon allerdings nur sehr geringe Mengen verwendet, die nicht gesundheitsgefährdend sind.
Dennoch sollte ein gut belüfteter Druckraum immer vorhanden sein.
Wie druckt man TPU?
TPU sollte man immer langsam drucken.
Empfehlenswert sind dabei Geschwindigkeiten von 10-30mm/s. Auf Retraction sollte man wenn möglich komplett verzichten oder nur geringe Werte verwenden.
Ist TPU Filament lebensmittelecht?
TPU Filament ist nicht lebensmittelecht. Lebensmittelechte Filamente sind zum beispielsweise PETG Filament und PLA Filament.
Ist TPU Filament UV-beständig?
TPU weißt eine gute UV-Beständigkeit auf. Es kann passieren, dass die Farben mit der Zeit verblassen. Auf die mechanischen Eigenschaften haben die UV-Strahlen aber nur bedingt Einfluss.
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