TPE – 3D-Druck mit flexiblen Materialien

 

Unter der Bezeichung TPE, Flex-Filament oder TPU sind flexible Filamente im Handel erhältlich. TPE (Thermoplastische Elastomere) ist dabei der Überbegriff der Materialgruppe und TPU (Thermoplastisches Polyurethan) eine der Varianten davon. Diese speziellen thermoplastischen Kunststoffe haben Eigenschaften, die für sie für ihren Einsatz im Filament Bereich prädestinieren. Flex-Filamente sind „Zwitter“ zwischen den Werkstoffen Gummi und Kunststoff.

Daten & Fakten für TPE

Was versteht man unter TPE?

Die Abkürzung TPE steht für thermoplastische Elastomere. Charakteristisch für diese Werkstoffe ist, dass sich Flex-Filamente unter Wärmezufuhr verformen lassen, aber bei Zimmertemperatur wie vulkanisierte Elastomere wirken. TPE ist nicht ein bestimmtes Material, da es eine fast grenzenlose Bandbreite an Kombinationen in dieser Werkstoffgruppe gibt.

In der Werkstofffamilie der Polymere bilden thermoplastische Elastomere neben den Thermoplasten, Elastomeren und Duromeren eine eigene Gruppe. Die linearen, unverzweigten langkettigen Polymere der Thermoplaste lassen sich durch Scherkräfte und Wärme verformen. Im abgekühlten Zustand werden sie wieder starr – bleiben dabei aber flexibel. Dieser Vorgang kann jederzeit wiederholt werden. Dagegen sind normale Elastomere (z.B. Gummi) nach einer ersten Vulkanisation nicht erneut formbar. Mit den thermoplastischen Elastomeren werden die Eigenschaften von zwei Werkstoffen besonders gekonnt miteinander kombiniert.

Beispieldrucke mit TPU

TPE hat die folgenden Vorteile:

  • Es entsteht eine Zwei-Material-Kombination aus hart und weich. Mit den jeweiligen Anteilen kann beliebig die Härte reguliert werden.
  • Dieser Mehr-Komponenten-Charakter reduziert den Montageaufwand.
  • Die Verarbeitung ist einfach, weil keine aufwendige chemische Vulkanisation wie bei reinen Elastomeren nötig ist.
  • Es wird bei der Verarbeitung wenig Energie verbraucht.
  • Die Verarbeitungszyklen sind kurz.
  • Die Werkstücke sind thermisch relativ beständig mit großen Verarbeitungsfenstern.
  • Es besteht größtmögliche Designfreiheit in Form und Farbe sowie eine große Bandbreite von Verarbeitungsmöglichkeiten.
  • Das Material kann vollständig recycelt werden.
  • Sie enthalten keine Weichmacher und sind ungiftig.

Wie sind TPE zusammengesetzt?

Man spricht bei der Zwei-Komponenten Form bei thermoplastischen Elastomeren auch von einer Sequenz. Diese können als physikalisch-reversibel vernetzte Block-Copolymere oder Pfropf-Copolymere ausgebildet sein. Weiterhin gibt auch sogenannte Polymerblends als Gemische von Polymeren. Bei der Zusammensetzung von TPE gibt es kaum Grenzen, dementsprechend vielfältig ist das Angebot.

Je nach der chemischen Zusammensetzung sind Flex-Filamente mehr oder weniger hygroskopisch, d.h. sie saugen sich über die Zeit mit Wasser aus der Umgebungsluft voll. Konsultieren Sie dazu die Herstellerinformationen. Falls sich darüber nichts in Erfahrung bringen lässt: Mit einer luftdichten Lagerung des Filaments inklusive Anti-Kondensationsbeutel ist man in jedem Fall auf der sicheren Seite.

Welche TPE-Typen gibt es?

Die chemischen Eigenschaften der thermoplastischen Elastomere lassen sich wegen der vielen Kombinationsmöglichkeiten kaum als Standard definieren. Deshalb hat man ein spezielles Klassifizierungssystem eingeführt. Das Kürzel TPE wird dabei mit einem Buchstaben gekennzeichnet, der die chemischen Eigenschaften der Kombination verdeutlicht. Die DIN EN ISO18064 sieht ursprünglich diese Buchstaben für die Definitionen vor:

  1. Thermoplastische Polyamid-Co-Polymere mit dem Buchstaben A (TPE-A/TPA) nach DIN EN ISO 18064. Es geht um Block-Co-Polymere von Polyamid-6 oder Polyamid 12 mit Polyethern oder Polyestern.
  2. Thermoplastische Polyester-Co-Polymere mit dem Buchstaben E (TPE-E/TPC) nach DIN EN ISO 18064. Hier werden Block-Co-Polymere von Polyestern mit den Ausgangstoffen in Form von Polyethern oder Polyestern definiert.
  3. Thermoplastische Styrol-Co-Polymere mit dem Buchstaben S (TPE-S/TPS) nach DIN EN ISO 18064. Gemeint sind hier Block-Co-Polymere von Styrol mit den Bestandteilen Butadien, Isopren, Ethenbuten oder als Alternative Ethenpropen.
  4. Thermoplastische Urethan-Co-Polymere mit dem Buchstaben U (TPE-U/TPU) nach DIN EN ISO 18064. Das sind Block-Co-Colymere nach der Art von aromatischen oder aliphatischen Urethanen mit kurz- und langkettigen Diolen, Polyestern, Polyethern, Polycarbonat oder alternativ Polycaprolactam.
  5. Unvernetzte thermoplastische Poly-Olefin Gemische haben den Buchstaben O (TPE-O/TPO) nach DIN EN ISO 18064. Sie beziehen sich auf Mischungen aus Ethylen-Propylen-Dien und Polypropylen oder Ethylen-Vinylacetat und Polyvinylidenchlorid.
  6. Dynamisch vernetzte, thermoplastische Poly-Olefin Gemische werden mit dem Buchstaben V (TPE-V/TPV) nach DIN EN ISO 18064 gekennzeichnet. Beschrieben sind Blends aus Polyethylen, Polypropylen sowie Polydienen.

Variable Einsatzbereiche für TPE Filamente

TPE haben weitere Materialvorteile. Man kann mit ihnen so gut wie alle Härtegrade realisieren. Dementsprechend groß ist die Auswahl an verschiedenen Stoffen. Das Material hat – je nach Variante – außerdem beste thermische Eigenschaften. Es kann im niedrigen Bereich bei bis zu -40 Grad, nach oben bis zu 120 Grad eingesetzt werden und ist UV- sowie witterungsbeständig. Auch deshalb eignet sich TPE zum Beispiel für Isolierungen rund um Gebäude und Außenbereiche. Der Werkstoff kann außerdem zur elektrischen wie schalldämmenden Abschirmung eingesetzt werden. Flex-Filament besitzt darüberhinaus eine hohe Widerstandskraft gegenüber Umwelteinwirkungen wie Fett, Öl sowie Abrieb. Es ist -sofern nicht explizit vom Hersteller angegeben- nicht lebensmittelecht. Den Schnuller für das Baby also besser nicht mit dem 3D-Drucker ausdrucken.

3D-Druck mit TPE

So variabel wie TPE in ihrer Gestaltung sind, erweisen sich auch die möglichen Verarbeitungsformen des Materials. Hier sind unter anderem Blasformen, Spritzgießen und Extrudieren möglich. Die Werkstoffe sind auch schweißbar. Ihre Extrudierbarkeit macht sie zu einem guten Ausgangsstoff für 3D Filamente. Zu beachten sind dabei jedoch einige Besonderheiten, die allesamt auf die Elastizität des Materials zurückzuführen sind: Erstens gilt, dass flexible Filamente deutlich langsamer gedruckt werden müssen als normale, harte Filamente. Dabei gilt die Faustregel: Je flexibler und weicher das Flex-Filament, umso langsamer sollte man drucken. 15-45 mm/s sind in etwa gängige Geschwindigkeiten, aber harte TPE können manchmal auch schneller gedruckt werden.

Optimale Einstellungen und Sonderfall Bowden-Druck

Zweitens sind Bowden-3D-Drucksysteme für Flex-Filamente ungeeigneter als Direct-Drive-Systeme, die den Motor direkt am Kopf haben. Bowden-Drucker haben den Extruder-Motor am Rahmen, mit einem PTFE-Schlauch ist das Hotend am Druck-Kopf verbunden. Dies tut man, um den Kopf leichter zu machen und schneller drucken zu können. Ein Flex-Druck mit Bowden-Systemen ist möglich, nur muss dabei sichergestellt sein, dass das Filament zwischen Motor und Hotend keinerlei Platz hat, in den es „entkommen“ kann. Die Ergebnisse werden dennoch nie so gut wie im selben System mit Direct Drive. Denn der PTFE-Schlauch zwischen Motor und Hotend bietet viel mehr Platz für Stauchung und Dehnung während des Drucks von flexiblem Filament. Der Zentimeter Abstand zwischen Motor und Hotend bei Direct-Drive-Systemen hingegen fällt hierbei deutlich weniger ins Gewicht. Bei Bowden-Systemen gilt eine Regel des TPE-Drucks verstärkt: Je härter das flexible Filament. umso einfacher und schneller ist es zu drucken.

Die Drucktemperatur liegt üblicherweise zwischen 190 und 240°C, d.h. im selben Bereich wie PLA. Ob man ein Heizbett braucht und wenn ja wie heiss dieses eingestellt werden muss, kommt auf das Material an. Die Hersteller-Dokumentation hilft hier weiter. Der Lüfter sollte immer an sein. Bei TPE lohnt es sich auch, mal mit breiterer Extrusion (Wände, Obere Schichten) zu experimentieren, um einen besseren Druck zu bekommen. Auch einen höherem Extrusions-Multiplikator (auch Flußrate bzw. Flow Rate genannt, meist auch am Drucker selbst während des Drucks regelbar) sollte man ausprobieren.

Durchmesser, Geschwindigkeit und Retraktion

Bei TPE-Filamenten spielt aufgrund der Elastizität der Filament-Durchmesser eine größere Rolle als bei harten Filamenten. Deshalb ist Filament mit 2,85mm Durchmesser leichter zu drucken als mit 1,75mm. Dies gilt insbesondere in den für TPE nicht besonders geeigneten Bowden-Systemen.

Bei unsauberen Oberflächen und Fädenziehen lohnt es sich, mit reduzierter Druckgeschwindigkeit und an den Retraktions-Einstellungen zu spielen. Als letzte Maßnahme können Sie die Retraktion auch ganz deaktivieren. Wenn man für seinen Drucker mal funktionierende Einstellungen für ein TPE gefunden hat, kann man sich freuen. Denn die Anpassungen an andere Flex-Filamente sind nur marginal. Ausgangsbasis dafür können hierbei Hersteller-PDFs, Hersteller-Druckprofile oder Benutzerforen sein.

Optimale Einstellungen und Extruder-Kalibration

Eine Extruder-Kalibration, bei der man diverse Parameter so lange nachjustiert, bis der Drucker auf den Millimeter eine exakte Menge Filament einzieht und v.a. herausdrückt, kann helfen. Insbesondere bei Bowden-Systemen können Sie damit den optimalen Extrusions-Multiplikator finden. Bei der Extruder-Kalibration ändert man um den Drucker auf das hereinkommende Filament optimal zu kalibrieren die sogenannten E-Steps pro Millimeter. Das sind die Schritte, die der Extruder pro Millimeter drehen soll. Dies ist vom Filament unabhängig. Bei der Kalibration des herausgedrückten Filaments arbeitet man hingegen mit dem Extrusions-Multiplikator, und dieser kann je nach Filament anders ausfallen.

Der richtige Untergrund

TPE–Filamente haften auf allen möglichen Untergründen. Möglich ist Blue Tape/Malerkrepp, Buildtak, Perfboard, Glas mit Kapton-Band oder PEI. Die jeweilige chemische Zusammensetzung des TPE kann jedoch die möglichen Untergründe einschränken. Auf PEI-beschichteten Druckbetten sollten Sie Flex-Filamente nur mit einer Zwischenschicht drucken, z.B. Haarspray oder PVA-basiertem Klebestift. Ohne eine solche Zwischenschicht besteht die Gefahr, dass der Druck zu gut haftet und bei der Ablösung Teile aus der PEI-Beschichtung gerissen werden. Schrumpfung bei Abkühlung ist bei TPE dank der Flexibilität kein Thema, eine Klimakammer ist zum Druck folglich nicht nötig. Auch unangenehme Gerüche beim Druck gibt es in der Regel keine.

Über Härtegrade und die Shore-Skala

Die chemische Zusammensetzung von TPE spielt für den 3D-Druck-Anwender nur am Rande eine Rolle. Für ihn zählen nur die physikalischen Eigenschaften: Wie temperaturstabil sind die Drucke und wie flexibel, dehnbar bzw. reißfest. Denn z.B. bei Autoreifen für das 3D-gedruckte ferngesteuerte Auto oder die Smartphone-Hülle braucht man sehr weiches Flex-Filament. Eine Kamera-Halterung für die Race-Drohne oder die Stoßstange für das erwähnte Auto hingegen müssen nur gerade so elastisch sein, dass sie einen Aufprall abfedern ohne zu zerbrechen. Hier empfiehlt sich also ein eher härteres TPE.

Die Elastizität eines Materials wird in der sogenannten Shore-Skala mit einem Durometer gemessen. Dabei wird die Tiefe gemessen, die ein Metallkeil erreicht, wenn er mit einer fixen Kraft in das Material gedrückt wird. Der Shore-Wert besteht aus einem oder mehreren Buchstaben und einem Zahlenwert. Die gängigsten und v.a. für 3D-Druck-Material relevanten Skalen sind die A-Skala für weiche Materialien und die D-Skala für härtere. Beim Zahlenwert gilt: Je niedriger, umso weicher.

Um eine Vorstellung der Härtegrade und Shore-Skalen zu kriegen: Ein Gummiband hat einen Shore-Wert von 25, eine Türdichtung 55 und ein Autoreifen 70, alles auf der A-Skala. Auf der D-Skala hat ein LKW-Reifen einen Shore-Wert von 50 und das Polyethylen-Plastik der gängigen Arbeits-Schutzhelme 75. Die vorher erwähnten Reifen fürs ferngesteuerte Auto würde man also eher mit einem Material der A-Skala drucken. Für Drohnen-Kamerahalterung und Stoßstange eignen sich hingegen eher Flex-Materialien der D-Skala.

Daten & Fakten für TPE

Chemische Bezeichnung Thermoplastische Elastomere (chemisch unterschiedlich)
Druckgeschwindigkeit 15 - 60 mm/s
Dichte 0,85 - 1,30 g/cm3
Schmelztemperatur 190 - 230°C (je nach Material)
Heizbett-Temperatur aus bzw. 30 - 75°C (je nach Material)
Zugdehnung 400 - 800%
Wärmeformbeständigkeitstemperatur 50 - 80°C
Zugfestigkeit 17 - 58 MPa