Ob technische Dämpfungselemente, Flexschläuche, Griffe oder Tastaturfelder, TPU und flexible, gummiartige Materialien können für verschiedenste Anwendungen eingesetzt werden. Wird das Material mit der 3D-Druck Technologie SLS (oder FDM) verarbeitet, entstehen diverse neue Möglichkeiten.
TPU, auch bekannt als thermoplastisches Polyurethan, ist ein Elastomer-Kunststoff, der eine hohe Flexibilität und Beständigkeit gegen Fette und Öle aufweist. In der additiven Fertigung bietet TPU viele Anwendungsmöglichkeiten, von Schuhsohlen und Reifen bis hin zu kundenspezifischen Bauelementen und Handyschutzhüllen. Es eignet sich besonders gut für den 3D-Druck von Endprodukten, funktionalen Prototypen und Designmodellen. In diesem Blogbeitrag erfahren Sie, was beim 3D-Druck mit TPU zu beachten ist, welche Vorteile das flexible Material in der additiven Fertigung bietet und in welchen Anwendungsbereichen TPU seine Vorzüge besonders gut ausspielen kann. Auch geben wir wertvolle Konstruktionshinweise und wägen den Kosten-Nutzen-Faktor gegeneinander ab. Der Fokus dieses Beitrages liegt bei der Drucktechnologie SLS, da TPU große Herausforderungen an den Druckprozess stellt und mit dem FDM zum Beispiel Lattice-Strukturen aus TPU-Material nicht abbildbar sind (Stützstrukturen etc.).
Beim Selektiven Lasersintern (SLS) werden kleine Polymerpulverpartikel durch einen Hochleitungslaser gesintert. So entsteht in einem Pulverbett das gewünschte Bauteil. SLS ermöglicht im Bereich der additiven Fertigung eine hohe Produktivität bei geringen Stückkosten – insbesondere in den Bereichen Rapid Prototyping, Individual-Fertigung ab Losgröße eins und Kleinserien. Einige besondere Vorteile des Materials:
Die technischen Eigenschaften im Detail können Sie auf den Materialdeteilseiten nachlesen:
Selektives Laser Sintering (SLS) und der 3D-Druck von TPU – eine hervorragende Kombination, die allerdings einige Besonderheiten mit sich bringt. So ist vor allem das besondere thermische Verhalten der TPU relevant. Bei SLS 3D-Druck mit TPU sind angepasste Prozessparameter notwendig - und die Prozessführung ist herausfordernd. Die einzelnen Bauteile müssen im Bauraum einen größeren Abstand haben als beispielsweise beim Druck von PA12. Auch nach dem TPU 3D-Druck muss auf die Besonderheiten des Materials geachtet werden. Die Abkühlung des Bauraum-Kuchens und das Entpulvern ist aufwändiger, um die Teile sauber herauslösen zu können.
Ein mechanisches Glätten der Oberfläche ist bei TPU nicht möglich. Mit speziell angepassten Lösemitteln und Arbeitsprozessen ist aber ein chemisches Glätten realisierbar. Sehr interessant dabei ist die Option, dass die Oberfläche mediendicht versiegelt werden kann. Ein Einlaufen von Wasser in das gedruckte Bauteil ist somit nicht mehr möglich.
Sollten die Bauteile eingefärbt werden, wird dies vorzugsweise mittels Tauchfärben umgesetzt. Hierbei wird die Naturfarbe von TPU überfärbt. Ökologisch und nachhaltig ist eine weitere Eigenschaft von TPU im SLS-3D-Druck: Das Pulver kann zu 100 % wiederverwendet werden, da es im thermischen Druckprozess keinen Schaden nimmt. In der Praxis findet allerdings nur eine Beimischung von 10 bis 15 % pro Druckauftrag statt, um die Qualität der Drucke konstant zu halten.
Für den 3D-Druck von TPU gelten vergleichbare Konstruktionsrichtlinien wie beim Material PA12. Davon abgesehen sollten Sie folgende Besonderheiten bei der Konstruktion berücksichtigen:
Für weniger komplexe Formen kann die Technologie FDM eine Alternative sein, da diese für TPU-Bauteile preisgünstiger ist. Allerdings werden beim FDM 3D-Druck je nach Geometrie Stützstrukturen erforderlich. Diese sind beim TPU häufiger erforderlich als bei anderen Materialien, was die Druckbarkeit von TPU-Bauteilen mit der FDM-Technologie stark einschränkt. Für Fragen diesbezüglich gerne eine «individuelle Anfrage» stellen im Store.
Ergänzt mit Lattice-Strukturen lassen sich hochinteressante Anwendungen mit TPU realisieren. Die Härte der gedruckten Bauteile ist sehr fein über die Geometrie justierbar. So erzeugt beispielsweise die schaumähnliche Kelvin-Struktur weiche Bauteile mit einer erhöhten Resistenz gegen Biegebelastungen, während die ebenfalls schaumähnliche Oktett-Struktur härtere Bauteile ermöglicht, die Zugbelastungen optimal widerstehen. Typische Anwendungen von TPU aus dem SLS-3D-Druck sind unter anderem:
Bei der Frage, bis zu welchem Stückzahlbereich TPU konkurrenzfähig 3D-gedruckt werden kann, müssen wir mit einer Faustregel antworten. Diese besagt: Die Wirtschaftlichkeit ist stark abhängig von der Größe und Komplexität des geforderten Bauteils. Im SLS haben typische Serien einen Umfang zwischen 5.000 und 15.000 Teilen. Bei TPU liegen die Stückzahlen für einen wirtschaftlichen 3D-Druck etwas darunter.
Wenn es um sehr große Stückzahlen geht, wird der TPU 3D-Druck nicht so kostengünstig wie der Spritzguss. Die Relevanz des 3D-Drucks von flexiblen Materialien wie TPU liegt vor allem in der Komplexität – und bietet immer dann immense Vorteile, wenn eine Fertigung mit konventionellen Methoden nicht möglich ist. Oder wenn kleine Stückzahlen im Spritzguss nicht wirtschaftlich gefertigt werden können.
Falls kleinere Mengen eines TPU-Bauteils mit einfacher Geometrie (ohne Lattice-Strukturen und dergleichen) gefertigt werden sollen, ist die Technologie FDM eine preiswertere Alternative.
Bild: der Fahrradgriff konnte aufgrund der einfacheren Geometrie problemlos mit der Technologie FDM gefertigt werden.
Für Fragen zum TPU 3D-Druck oder anderen Fachthemen stehen wir gerne zur Verfügung. Wir freuen uns auf Ihr Projekt.
Ihre Jellypipe
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