Table of Contents
- Inleiding
- Classificatie van TPU
- Voor- en nadelen van TPU-materiaal
- De eigenschappen van TPU-materiaal (vergeleken met PLA)
Overzicht
Nu 3D-printen een revolutie teweeg blijft brengen in productieprocessen in verschillende industrieën, speelt de materiaalkeuze een essentiële rol bij het bereiken van optimale resultaten. Een van die materialen die veel aandacht heeft gekregen, is Thermoplastisch Polyurethaan (TPU). Gekenmerkt door zijn unieke combinatie van flexibiliteit, duurzaamheid en veelzijdigheid, is TPU uitgegroeid tot een voorkeurskeuze voor het creëren van functionele en ingewikkelde 3D-geprinte objecten. In dit artikel verdiepen we ons in de eigenschappen van TPU-materiaal en onderzoeken we hoe het zijn mogelijkheden toont op het gebied van 3D-printen.
Wat is TPU-materiaal?
Inleiding
Thermoplastisch polyurethaan (TPU) is een geavanceerd materiaal dat brede toepassingen heeft gevonden in 3D-printen. Het is een thermoplastisch elastomeer materiaal met eigenschappen tussen kunststoffen en rubber. In wezen is het een blokcopolymeer, waarvan de chemische structuur bestaat uit afwisselende reeksen van harde en zachte segmenten gevormd door de reactie van diisocyanaat met een kortketenige diol (zogenaamde ketenverlenger) en diisocyanaat met een langketenige diol. Het heeft niet alleen een hoge duurzaamheid en flexibiliteit, maar ook een goede slijtvastheid, hittebestendigheid en uitstekende chemische eigenschappen, waardoor het de prestaties en dimensionale stabiliteit over een breed temperatuurbereik kan behouden. Bovendien heeft het ook een goede oliebestendigheid, oplosmiddelbestendigheid en chemische bestendigheid, en kan het bestand zijn tegen erosie en oplossen van verschillende chemicaliën. Bij 3D-printen kan TPU, als een thermoplastisch elastomeer dat smeltverwerkbaar is, worden omgezet in complexe driedimensionale structuren via fused deposition modeling (FDM) of selectief lasersinteren (SLS) en andere thermoplastische verwerkingstechnieken. Dankzij een uitstekende combinatie van fysische, chemische en thermische eigenschappen, evenals zijn milieuvriendelijke karakter, is TPU een voorkeursmateriaal geworden voor 3D-printtoepassingen in verschillende industrieën. Ingenieurs, fabrikanten en ontwerpers in alle industrieën geven steeds meer de voorkeur aan TPU vanwege zijn unieke eigenschappen en milieuvriendelijke kenmerken.
Classificatie van TPU
TPU (Thermoplastisch Polyurethaan) is een elastisch polymeermateriaal dat wordt gebruikt bij 3D-printen. TPU kan worden ingedeeld in verschillende hardheidsgraden op basis van de Shore durometer-schaal. De Shore-hardheidstest meet de hardheid van elastische materialen zoals rubber, polymeren en elastomeren. Een hogere Shore-waarde duidt op een harder materiaal.TPU-filament dat wordt gebruikt bij 3D-printen heeft doorgaans een Shore-hardheid variërend van 85A tot 95A, sommige speciale soorten TPU-filamenten met een Shore-hardheid van 40A tot 85A. Ze kunnen worden geclassificeerd als:
- Zachte TPU (Shore 85A-88A): Extreem flexibel en elastisch. Kan tot 700-1000% van de oorspronkelijke lengte worden uitgerekt. Typisch gebruikt voor het printen van componenten die een hoge flexibiliteit vereisen, zoals telefoonhoesjes en horlogebanden.
- Middelharde TPU (Shore 90A): Bezit een goede flexibiliteit en duurzaamheid. Kan ongeveer 500% van de oorspronkelijke lengte worden uitgerekt. Gebruikt voor drone-componenten, orthopedische inlegzolen, sportuitrusting, enz. Dit is het meest voorkomende type TPU dat wordt gebruikt bij 3D-printen.
- Harde TPU (Shore 95A): Nog steeds flexibel maar stugger. Maximale rek van ongeveer 200-300% van de oorspronkelijke lengte. Geschikt voor toepassingen die een zekere mate van flexibiliteit en ondersteuning vereisen, bijv. elektronische behuizingen, inlegzolen, speelgoed, handgrepen, enz.
De brede instelbaarheid van de durometer van TPU is afkomstig van de unieke blokcopolymeerstructuur met afwisselende harde en zachte segmenten, waardoor verschillende niveaus van zachtheid, hardheid en haptische eigenschappen mogelijk zijn. De Shore-hardheid van PLA is nauw verwant aan de chemische structuur en is moeilijk te verbeteren met elementaire middelen. Daarom is TPU een ideale keuze wanneer subtiele aanraking, uitgebreide durometerinstelbaarheid en hoge veerkracht vereist zijn. PLA is geschikter wanneer een hogere hardheid en structurele integriteit nodig zijn.
Voor- en nadelen van TPU-materiaal
|
VOORDELEN |
NADELEN |
|
Uitstekende hechting tussen lagen |
Moeilijk voor beginners om succesvol te printen |
|
Zacht en flexibel |
Werkt mogelijk niet goed op sommige extruders |
|
Hoge rek bij breuk |
Hogere materiaalkosten |
|
Uitstekende mechanische sterkte |
Slechte hydrolysebestendigheid |
|
Goed anti-verouderingsmiddel |
Moeilijk na te bewerken |
|
Milieuvriendelijk |
|
De eigenschappen van TPU-materiaal (vergeleken met PLA)
Als een milieuvriendelijk materiaal dat volwassen gepositioneerd is tussen rubber en kunststoffen, heeft TPU-materiaal veel kenmerken die ongeëvenaard zijn in vergelijking met PLA 3D-printfiliament, wat het een voorkeurskeuze maakt voor bepaalde toepassingen.
Flexibiliteit en elasticiteit
TPU staat bekend om zijn uitstekende flexibiliteit en elasticiteit. Als thermoplastisch elastomeermateriaal vertoont TPU een hoge elasticiteit door zijn losse moleculaire ketenstructuur en zwakke secundaire interacties zoals waterstofbruggen. Tijdens het strekken kunnen de zachte segmenten van TPU uitrekken en bewegen zonder direct te breken, waardoor TPU superieure plastische vervormbaarheid en taaiheid krijgt. De rek bij breuk varieert doorgaans van 200% tot 1000%, wat die van PLA ruimschoots overtreft.
Daarentegen is PLA een biologisch afbreekbaar thermoplastisch polyester materiaal en een relatief stijf plastic. Door zijn enkelvoudige stijve ketenstructuur met gebrek aan ketenmobiliteit, ondergaat PLA gemakkelijk bros breuk bij vervorming. De rek bij breuk van PLA ligt meestal tussen 5-10%, wat duidt op zijn beperkte plastische vervormbaarheid. Vergeleken met PLA maakt de unieke chemische structuur van TPU het een ideaal materiaalkeuze voor 3D-printen van zachte onderdelen die een zachter en natuurlijker gevoel kunnen bereiken dan PLA.
Uitstekende slagvastheid
TPU vertoont een zekere mate van ketenvernetting en sterke intermoleculaire interacties die de ketens verbinden, waardoor ze zeer goed bestand zijn tegen verplaatsing of breuk van hun vaste posities door aangebrachte spanningen. Dientengevolge vertoont TPU een hoge slagvastheid en kan het aanzienlijke slagenergieën absorberen zonder te bezwijken. Daarentegen vertoont het brozere PLA een lagere slagvastheid.
Hoge treksterkte
TPU vertoont over het algemeen een treksterkte tussen 20-100 MPa, wat die van conventionele rubbermaterialen aanzienlijk overtreft. Dit wordt toegeschreven aan de aanwezigheid van harde segmentdomeinen in TPU die aanzienlijke spanningen onder belasting kunnen weerstaan. Onder het bufferende effect van zachte segmentdomeinen is TPU minder gevoelig voor vroegtijdig falen en behoudt het zijn integriteit onder grote vervormingen. Ter vergelijking heeft PLA een inferieure treksterkte van 50-70 MPa, wat de toepassingen beperkt. Samenvattend vertoont TPU een superieure treksterkte ten opzichte van zowel conventionele rubbers als PLA, waardoor bredere toepassingen mogelijk zijn.
Hoge slijtvastheid
De moleculaire ketens van TPU interageren via versterkte waterstofbruggen en vanderwaalskrachten, waardoor de cohesieve sterkte wordt verbeterd en TPU een verhoogde scheursterkte van 10-80 kN/m krijgt. Dit maakt TPU-gevormde onderdelen minder gevoelig voor barsten tijdens gebruik. Daarentegen vertoont PLA een scheursterkte van slechts 5 kN/m, aanzienlijk lager dan TPU. Dus TPU vertoont aanzienlijk hogere weerstand tegen slijtage en scheuren ten opzichte van PLA, dankzij zijn sterke intermoleculaire interacties en hoge cohesieve sterkte.
Uitstekende vermoeidheidsweerstand
De segmentketens van TPU kunnen aanzienlijk uitrekken en vervormen, en hun oorspronkelijke conformatie herstellen bij het wegnemen van stress. Dit stelt hen in staat om herhaaldelijk grote vervormingen te weerstaan. Tegelijkertijd blijven de interketenverbindingen stevig aan elkaar gehecht via robuuste intermoleculaire krachten, minder gevoelig voor breuk onder cyclische belasting. Zo vertoont TPU een duidelijke vermoeidheidsweerstand en verbeterde duurzaamheid. Daarentegen vertoont PLA een inferieure vermoeidheidsduurzaamheid door moleculaire ketenverschuiving.
Superieure zuur- en alkalibestendigheid
TPU bevat polaire waterstofbruggen en sterke intermoleculaire interacties, wat het een compact driedimensionaal netwerk geeft dat bestand is tegen erosie en afbraak door zure en alkalische oplosmiddelen. Daarentegen is PLA gevoelig voor ketenverschuiving onder zure en alkalische omstandigheden door zwakkere intermoleculaire krachten, wat de stabiliteit in gevaar brengt. Zo vertoont TPU een aanzienlijk grotere zuur- en alkalibestendigheid, waarbij het zijn eigenschappen behoudt bij langdurige blootstelling aan oplossingen met een pH van 3-9.
Verbeterde olie- en oplosmiddelbestendigheid
De dichte driedimensionale structuur van TPU voorkomt het binnendringen en de werking van veel chemische oplosmiddelmoleculen, waardoor TPU een hoge weerstand heeft tegen veel voorkomende oplosmiddelen. De open structuur en zwakke intermoleculaire krachten van PLA maken het gemakkelijk oplosbaar en doordringbaar voor veel organische oplosmiddelen. Daarom is TPU geschikter voor omgevingen met oliën en organische oplosmiddelen.
Superieure oxidatiebestendigheid
TPU bevat antioxidanten om oxidatie te voorkomen, en de compacte moleculaire structuur maakt het moeilijk voor zuurstofmoleculen om door te dringen, waardoor de oxidatiebestendigheid wordt verbeterd. Zonder toegevoegde antioxidanten en met een open structuur die zuurstof toelaat, is PLA gevoelig voor ketenbreuk en afbraak bij oxidatie. Zo overtreffen de oxidatiebestendigheid en levensduur van TPU die van PLA ruimschoots.
Verbeterde stralingsbestendigheid
De dichte structuur en robuuste intermoleculaire interacties van TPU maken het moeilijk voor stralingsenergie om de moleculaire ketens direct te raken en te vernietigen. De zwakkere intermoleculaire krachten van PLA maken het gevoelig voor moleculaire ketenbreuk en afbraak onder straling. Daarom vertoont TPU een grotere stralingsbestendigheid en stralingsstabiliteit in vergelijking met PLA.
De meest geschikte 3D-printparameters (aan de hand van SUNLU TPU-materiaal)
In tegenstelling tot conventionele stijve 3D-printmaterialen zoals polylactisch zuur (PLA), brengt de zeer elastische en flexibele aard van TPU grotere uitdagingen met zich mee voor 3D-printprocessen. Vooral voor mensen met beperkte ervaring, en kan gemakkelijk leiden tot mislukte prints.
Om optimale resultaten te behalen bij 3D-printen met TPU, wordt hier het filament SUNLU TPU als casestudy gebruikt voor aanbevolen parameters en belangrijke overwegingen, die als volgt zijn:
Printparameters:
- Extrusietemperatuur: 205-230°C. Hogere temperaturen binnen dit bereik kunnen een voldoende smelting van TPU garanderen.
- Extrusievermenigvuldiger: 1,05-1,15 keer. Voor distale extrusie is de printsnelheid 20-30 mm/s en de retractiesnelheid 10-20 mm/s. Voor proximale extrusie kunnen conventionele printsnelheden worden gebruikt, en de snelheid kan met 15-25% worden verlaagd voor complexere modellen. De retractiesnelheid wordt met 10-20% van de normale snelheid verlaagd. Langzamere snelheden binnen deze bereiken maken een voldoende stroom van TPU mogelijk en verhogen de succeskans.
- Extrusiebreedte: 0,40+/-0,02 mm. Filamentdiameter: 1,75+/-0,10 mm. De instellingen moeten uitgebreid worden bepaald op basis van de parameters van de extrusiekop. Te grote afmetingen buiten deze toleranties zijn moeilijk te controleren.
- Gebruik speciale extrusiekoppen voor TPU-materiaal, zoals 0,6 mm diameter en TPU-filamentvoeringen. Conventionele extrusiekoppen kunnen mogelijk verstoppingen veroorzaken en de afdrukkwaliteit in gevaar brengen.
- Vermijd hechting van het printbed. Gebruik staalgaas, dubbelzijdig plakpapier of PET-folie om het ontvormen te vergemakkelijken.
Belangrijke overwegingen:
- Proximale extrusie wordt aanbevolen vanwege de inherente voordelen bij het voeden van flexibel filament.
- Schakel de ventilator uit om de temperatuurdaling van het model tot minder dan 5°C/min te regelen. Gebruik een gesloten printer om te voorkomen dat vocht de afdrukkwaliteit beïnvloedt.
- Beperk de hoogte van het model. Een te grote hoogte boven deze referentiewaarde is gevoelig voor wiebelen aan de bovenkant, wat de succeskans beïnvloedt.
- TPU-materialen moeten verzegeld en opgeslagen worden in een droge en geventileerde omgeving met een relatieve vochtigheid lager dan 60% om vochtschade te voorkomen.
Indien correct geïmplementeerd, kunnen deze aanbevelingen en belangrijke overwegingen helpen om hoogwaardig 3D-printen met flexibele TPU-materialen zoals SUNLU TPU-filament mogelijk te maken.
Toepassing van TPU-materiaal
Dankzij de unieke chemische structuur en uitstekende fysische en mechanische eigenschappen, wordt TPU veel gebruikt in vele gebieden. Het komt voornamelijk tot uiting in:
- Schoenproductie
TPU bezit superieure elasticiteit en slijtvastheid, waardoor het een optimaal materiaal is voor schoenzolen en -bovenwerken. Toonaangevende sportmerken zoals Adidas en Nike gebruiken TPU bij de fabricage van zolen, bovenwerken en diverse andere componenten van hardloopschoenen om comfort, ondersteuning en duurzaamheid te verbeteren en tegelijkertijd een zeer elastische en ergonomische draagervaring voor eindgebruikers te bieden. Bovendien kan TPU worden vervaardigd in complexe geometrieën om tegemoet te komen aan diverse ontwerpvereisten.
- Sportuitrusting
De superieure treksterkte, rek bij breuk en duurzaamheid van TPU zorgen ervoor dat het veelvuldig wordt gebruikt bij de productie van diverse sportuitrustingen, zoals kajaks, fietsbanden en sturen, rotsklimankers, zwembrillen, snowboardlaarzen en gymnastiekmatten, ter verbetering van de veiligheid, stabiliteit en ergonomie. Dergelijke uitrusting vertoont een uitstekende slijtvastheid en een langdurige levensduur. De uitmuntende plooibaarheid en elasticiteit van TPU-materialen kunnen impactkrachten effectief dempen. TPU kan ook worden vervaardigd in een diverse reeks geometrieën en afmetingen om aan de vereisten van verschillende sporttoepassingen te voldoen.
- Technische kunststoffen
Vanwege de superieure fysische en mechanische eigenschappen van TPU-materialen kunnen deze dienen als geschikte alternatieven voor metalen voor technische kunststoffen zoals tandwielen, lagers, bussen en pijpfittingen om gelijktijdig lichtgewicht en duurzaamheid te bereiken. Ondanks hun flexibiliteit vertonen TPU 3D-geprinte componenten ook een hoge slagvastheid, stressbestendigheid en vermoeidheidsbestendigheid.
- Auto-industrie
De soepele tastzin, weersbestendigheid en chemische bestendigheid van TPU maken het een optimale keuze voor interieurcomponenten van auto's. Het wordt veelvuldig gebruikt in stuurwielhoezen, schakelpookknoppen, instrumentenpanelen, deurpanelen, enz. Deze onderdelen vertonen een robuuste duurzaamheid en het vermogen om barre omstandigheden zoals extreme hitte en kou te weerstaan. Superieure slagvastheid en elasticiteit vergroten ook de veiligheid van het voertuig.
- Medische en gezondheidszorg
De biocompatibiliteit en buigzaamheid van TPU maken het tot een cruciaal onderdeel van medische hulpmiddelen en gezondheidszorgproducten zoals zuurstofmaskers, katheters, orthodontische beugels, rolstoelen en krukken. Deze hulpmiddelen vertonen een uitstekende biocompatibiliteit en een verwaarloosbaar potentieel voor nadelige reacties bij menselijke proefpersonen. Ze kunnen ook worden vervaardigd in verschillende geometrieën en afmetingen om aan diverse medische toepassingen te voldoen. Bovendien vertonen ze duurzaamheid en het vermogen om langdurig gebruik en zware omstandigheden te weerstaan.
- 3D-printen
De buigzaamheid en taaiheid van TPU-materialen bieden superieure 3D-printbaarheid. Zo wordt SUNLU TPU-materiaal veelvuldig gebruikt in 3D-geprinte schoenzolen, hoesjes voor mobiele telefoons, UAV-componenten en tassen. Hun 3D-geprinte artikelen kenmerken zich door complexe geometrieën, lichtgewicht en hoge elasticiteit. TPU-materialen vertonen ook een robuuste zuur- en alkalibestendigheid en uitzonderlijke corrosiebestendigheid. Van alledaagse benodigdheden tot modeprojecten, alles kan 3D-geprint worden.
Conclusie
Samenvattend bevestigen de wijdverbreide toepassingen van TPU-materialen de superieure prestaties en het immense potentieel ervan op het gebied van geavanceerde materialen. Dankzij de unieke eigenschappen en veelzijdigheid is TPU een onmisbaar materiaal geworden voor 3D-printen. Met name SUNLU TPU vertoont uitmuntende flexibiliteit, duurzaamheid en chemische bestendigheid, waardoor het het voorkeursmateriaal is voor eindgebruikers. Door de specifieke printparameters van SUNLU TPU te begrijpen en de voordelen ervan te benutten, kunnen hobbyisten het potentieel van TPU in 3D-printingactiviteiten ontsluiten. Of het nu gaat om consumentengoederen, industriële componenten of medische hulpmiddelen, SUNLU TPU-materialen maken nieuwe ontwerpen en toepassingen mogelijk en stimuleren meer innovatieve producten. Met de voortdurende ontwikkeling van 3D-printtechnologieën zal TPU een cruciale rol spelen bij het vormgeven en voortstuwen van de toekomst van additive manufacturing.
——————————————————
