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Kunststoffe für die additive Fertigung – Kosten und Eigenschaften

Thermoplastische Polyurethane und CLIP-Resins
Flexible Kunststoffe für die additive Fertigung – TPUs und CLIP-Resins im Vergleich

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Vergleich der Shore-Härte verschiedener flexibler Kunststoffe für den 3D-Druck. Bild: Xometry
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Auch beim Einsatz von flexiblen und gummiähnlichen Materialien eröffnet der 3D-Druck vielfältige Möglichkeiten. Solche Materialien haben ein breites Einsatzgebiet – sowohl bei der Produktion von Serienteilen als auch in Kleinserien oder einzelnen Projekten. Die unterschiedlichen Druckverfahren im 3D-Druck benötigen allerdings jeweils andere Polymere oder Resins. Nicht jedes Material ist für jede Technologie geeignet.Autor: Dmitry Kafidov, Geschäftsführer, Xometry Europe

Die für die additive Fertigung verfügbaren flexiblen Polymere lassen sich in zwei Hauptarten einteilen: TPUs, die kompatibel sind mit FDM-, MJF- und SLS-3D-Druckern. Diese Materialien liefern vor allem kostengünstige Bauteile. Es gibt zudem die teureren CLIP-Resins (Carbon DLS), die wesentlich höhere Anforderungen erfüllen. Das sind vor allem bessere Materialeigenschaften wie eine hohe Festigkeit oder besondere Reißfestigkeit.

Der Shore-Wert definiert die Härte des Materials

Für den industriellen 3D-Druck sind vor allem Elastomere (elastisch verformbare Kunststoffe) und gummielastische Polymere wichtig. Für solche Werkstoffe liefert die Shore-Skalierung eine Kennzahl der Härte und bietet damit einen allgemeinen Referenzpunkt zum Vergleich unterschiedlicher Materialien. Es gibt dabei aber unterschiedliche Härte- oder Durometerskalen. Die leckeren Gummibärchen zum Beispiel erreichen auf der Shore OO den Wert 10, Autoreifen auf Shore A den Wert 70 und PVC-Rohre auf Shore D den Wert 80 (s. Grafik).

Die unterschiedlichen Skalen überschneiden sich, grundsätzlich gilt aber:

  • Shore OO wird für extrem weiche Materialien wie Gele eingesetzt (z.B. Gelschuheinlagen).
  • Shore A wird für eine große Palette an Materialtypen eingesetzt; von sehr weichen und flexiblen bis hin zu halbstarren Kunststoffen, die kaum Flexibilität aufweisen.
  • Shore D wird für sehr harte Gummis, halbstarre und starre Kunststoffe eingesetzt (z.B. PVC-Rohre).

Die Herstellungspreise für die einzelnen Verfahren sind sehr unterschiedlich. Es lohnt sich daher, die genauen Eigenschaften, Vor- und Nachteile der unterschiedlichen Materialien zu kennen. Die Produktionsplattform Xometry Europe hat dazu einen Kostenvergleich angestellt. Am Beispiel des abgebildeten CAD-Modells wurden per Sofortpreis-Angebot (Instant Quoting) auf der digitalen Plattform folgende Kosten (pro Stück/pro 100 Stück) ermittelt:

  • TPU Polyurethane 88/95A(MJF): 29,95 € / 11,41 €
  • Flex TPU/TPE ähnlich (SLS): 25,84 € / 21,41 €
  • EPU 40: 212, 44 € / 48,82 €
  • FPU 50: 436,53 € / 100,31 €
  • SIL 30: 632,56 €/159,24 €

Thermoplastisches Polyurethan (TPU)

TPUs gehören zu den thermoplastischen Elastomeren. Die Härte der TPEs kann von 10 Shore OO bis zu 72 Shore D reichen und alle drei Härteskalen abdecken. Die am häufigsten verwendete Skala ist die Shore A-Skala. TPUs besitzen einige Alleinstellungsmerkmale, die sie für die Industrie besonders interessant machen.

Abrieb- und Kratzfestigkeit

Die hohe Abrieb- und Kratzfestigkeit sorgt für große Beständigkeit und führt zu einem hohen ästhetischen Wert. Hervorragende Ergebnisse liefern TPUs im Vergleich mit anderen Thermoplasten für Anwendungen im Fahrzeuginnenraum (Automotive Interior), im Sportbereich und für stark beanspruchte Funktionsteile mit viel Abrieb.

UV-Beständigkeit

Neben ihren guten mechanischen Eigenschaften zeichnen sich TPUs durch ihre ausgezeichnete UV-Beständigkeit und die damit verbundene Farbstabilität aus. Sowohl bei hellen als auch bei dunklen Farben können sich Hersteller darauf verlassen, dass diese Eigenschaft farbechte und ästhetisch hochwertige Teilen liefert.

Flexibilität

Wegen ihrer hohen Flexibilität, Stoßdämpfung und Rückfederung sind TPUs eine hervorragende Wahl für die Fertigung von Fußbekleidung, Sportartikeln und orthopädischen Modellen. Dies macht sie auch für die Innenausstattung in Fahrzeugen (Automotive Interior) und Luftfilterabdeckungen attraktiv.

TPU Polyurethan 88/95A

TPU Polyurethan 88/95A wird auch unter dem Markennamen Ultrasint TPU01 geführt. Hierbei handelt sich um ein Mehrzweckmaterial, das ausschließlich für die additive Technologie Multi Jet Fusion (MJF) eingesetzt wird. Es ist ein sogenanntes thermoplastisches Polyurethan, das sich durch hohe Flexibilität und hohe Reißfestigkeit auszeichnet. Der 3D-Druck mit TPU bietet einzigartige Möglichkeiten, die sich mit anderen 3D-Druckmaterialien wie ABS, PLA oder Nylon nur sehr schwer erreichen lassen.

Aufgrund einer Kombination aus kunststoff- und gummiähnlichen Eigenschaften lassen sich aus TPU elastische und gleichzeitig sehr beständige Teile herstellen, die leicht zu biegen oder zusammenzudrücken sind. Die starren, gummiähnlichen Eigenschaften – vergleichbar mit den Rollen eines Skateboards – eröffnen eine große Bandbreite unterschiedlicher Anwendungen. Außerdem lässt sich das Material leicht drucken und besitzt eine gute UV- und Hydrolyse-Beständigkeit.

Flex TPU/TPE ähnlich

Wer nach einem beständigen, flexiblen und gummiartigen Material sucht, wird in Flex TPU/TPE für das Verfahren Selektives Lasersintern (SLS) die beste Lösung finden. Dieses TPU-Elastomer für SLS bietet eine Reihe von Vorteilen. Es kehrt nach Verformung wieder in seine Ursprungsform zurück und ist sehr beständig gegen UV-Einfluss. Durch die Konstruktion interessanter Strukturen lassen sich 3D-Teile für Anwendungen in den unterschiedlichsten Branchen produzieren. Das reicht von der Automobilbranche bis zur Schuhindustrie. Das Material erzeugt eine glatte, weiße Oberfläche und weist eine gute Hydrolyse-Beständigkeit sowie eine hervorragende Stoßdämpfung auf.

TPU-Materialien können zwar auch mit Fused Deposition Modeling (FDM) gedruckt werden. Solche Teile besitzen jedoch normalerweise eine schlechtere Qualität als TPU-Teile, die mit pulverbasierten Verfahren wie SLS oder MJF angefertigt wurden. Zudem unterscheiden sich die Verfahren preislich kaum.

Flexible Resins für CLIP-Verfahren

CLIP-Resins gehören zu einer Gruppe hochwertiger Kunstharze, die beim Verfahren Carbon DLS zum Einsatz kommen.

DLS EPU 40 (Elastomer Polyurethan)

Als Hochleistungs-Polyurethan ist EPU 40 eine gute Wahl für Anwendungen, die hohe Elastizität und Reißfestigkeit erfordern. EPU CLIP-Resin bietet ein hervorragendes elastisches Verhalten bei zyklischen Zug- und Druckbelastungen. Es lässt sich dehnen und biegen und kehrt anschließend immer wieder in seine ursprüngliche Form zurück. Zudem ist es biologisch und chemisch verträglich.

EPU 40 ist vergleichbar mit kommerziellen TPUs mit einer Shore-Härte von 70A. Es ist gummiartig, beständig, flexibel, dehnbar und besitzt eine Schichtdicke von lediglich 100 μm (0,1 mm), die mit dem bloßen Auge kaum noch sichtbar ist. Da die fertigen Teile an Spritzgussmodelle sehr nahe herankommen, sind sie besonders für die Prototypenentwicklung interessant. Anwendungen finden sich bei Verschlüssen und Dichtungen, als Stoßdämpfer oder auch Schwingungsisolatoren.

DLS FPU 50 (Flexibles Polyurethan)

FPU 50 ist ein Stoß-, Abrieb- und Ermüdungsbeständiges halbstarres Material. Es eignet sich vor allem für Teile, die wiederkehrenden Belastungen ausgesetzt sind. Dieses Material ist perfekt für robuste Gehäuse, Klappmechanismen und Passungen. Bezüglich seiner hervorragenden Ermüdungs- und Hitzebeständigkeit ist FPU mit Polypropylen vergleichbar. So können Teile mit einer Dicke bis zu 0,25 mm 3D-gedruckt werden. Außerdem ist es nicht so gummiartig und elastisch wie EPU 40. Anwendungen finden sich auch hier in Schnappverbindungen, bei Zugentlastungen sowie Halterungen zum Einbetten kleiner elektrischer Schaltkreise.

DLS SIL 30 (Silikon)

SIL 30 ist ein Silikon-Urethan und mit einer Shore-A-Härte von 35 vergleichbar mit kommerziellen TPEs. Das CLIP-Verfahren ermöglicht den 3D-Druck mit modernen Polymersorten, einschließlich chemisch komplexen Materialien wie auf Polyurethan und Cyanatester basierenden Harzen. Dies ermöglicht eine vielfältige und ständig wachsende Auswahl an Materialien für die gängigen technischen Anforderungen. Besonderes Merkmal ist die Oberfläche mit Soft-Touch-Haptik und die Bioverträglichkeit des Materials. Es wird daher unter anderem an Wearables wie Fitnessarmbändern und in der Medizin verwendet.

Diese CLIP-Resins sind alle für längerfristigen Hautkontakt (mehr als 30 Tage) geeignet. Bis auf EPU 40 eignen sich alle CLIP-Resins sogar für kurzzeitigen Kontakt mit der Schleimhaut (bis zu 24 Stunden).

Xometry Inc.
xometry.eu


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