TPU-Spritzgießen: Material, Eigenschaften, Prozess & Design

TPU-Spritzguss

Spritzgießen Die Technologie beschränkt sich nicht auf herkömmliche Thermoplaste; sie ist auch auf Elastomere sowie andere Materialien anwendbar. TPU ist eines der Hochleistungselastomere, das für das Spritzgießen verschiedenster Teile und Produkte verwendet wird. 

TPUs sind flexibel, ermüdungsbeständig und langlebig und bieten eine hohe Zugfestigkeit. Wenn Sie mit TPU-Materialien für Spritzgussteile arbeiten oder überlegen, welche TPEs für Sie geeignet sind, bietet Ihnen dieser Artikel einen detaillierten Überblick über den TPU-Spritzgussprozess.

Was ist thermoplastisches Polyurethan (TPU)?

TPU-Material 

TPU ist ein thermoplastisches Elastomer, das die Eigenschaften von Gummi und Kunststoff vereint, darunter ein ausgewogenes Verhältnis von Flexibilität und Zähigkeit, Abriebfestigkeit und gute mechanische Festigkeit. Es ist mit gängigen thermoplastischen Spritzgusssystemen kompatibel und lässt sich zu komplexen Teilen und Produkten verarbeiten. 

Die molekulare Bildung von TPU-Materialien erfolgt durch einen stufenweisen Polymerisationsprozess. Das bedeutet, dass das TPU-Polymer durch eine schrittweise chemische Reaktion von Diisocyanaten, Polyolen und Kettenverlängerern sowie spezifischen Additiven gebildet wird.  

Des Weiteren werden rohe TPU-Granulate (in der gewünschten Farbe) für das Spritzgießen verwendet. 

Welche Materialeigenschaften hat thermoplastisches Polyurethan? 

Die Eigenschaften können variieren, da es TPU-Qualitäten von weich bis hart und steif-hart gibt. Es gilt jedoch als Hochleistungselastomer mit Eigenschaften, die eine Kombination aus Gummi und Kunststoff darstellen.

Für allgemeine Anwendungen geeignete TPU-Typen bieten eine hohe Zugfestigkeit und Reißfestigkeit, eine ausgezeichnete Bruchdehnung, Abriebfestigkeit, Chemikalienbeständigkeit und thermische Stabilität bis zu 120 °C.

Im Folgenden werden die Eigenschaften des thermoplastischen Polyurethanmaterials in der Tabelle dargestellt.

Der Prozess des TPU-Spritzgießens 

TPU-Formteil

Das TPU-Spritzgießen ähnelt dem herkömmlichen thermoplastischen Spritzgießen, bei dem Granulat in den Trichter gefüllt wird. Der Zuführzylinder schmilzt das Granulat und transportiert es zur Düse. Das geschmolzene TPU wird anschließend unter hohem Druck in eine gehärtete Stahl- oder Aluminiumform eingespritzt. 

Das fließfähige Material erfasst beim Erstarren die Konturen des Formhohlraums und gibt so beim Öffnen und Auswerfen der Form die gewünschte Gestalt frei.

Werfen wir einen Blick auf die Liste der Schritte, die beim Spritzgießen von TPU-Teilen anfallen.

• Wählen Sie anhand des gewünschten Härtegrades eine geeignete TPU-Materialsorte.
• Stellen Sie die Parameter der Spritzgießmaschine ein, z. B. Druck, Schussgröße und Temperaturregelung. 
• Geben Sie die TPU-Granulate für das Spritzgießen in den Trichter.
• Bei kontrollierter Zylindertemperatur wird das geschmolzene TPU in den Formhohlraum eingespritzt.
• Lassen Sie die gefüllte Form für eine vorbestimmte Zeit abkühlen, um sicherzustellen, dass das Teil gleichmäßig erstarrt.
• Das erstarrte TPU-Teil aus der Form entnehmen und Nachbearbeitungsschritte durchführen.
• Führen Sie die notwendigen Inspektionen und Messungen durch, um die Qualitätskontrolle sicherzustellen.

Was sind die wichtigsten Vorteile von TPU?

Wie bereits erwähnt, ist TPU ein elastisches Material mit beachtlicher Zähigkeit. Darüber hinaus bietet TPU in der Fertigung weitere Vorteile, darunter Chemikalienbeständigkeit, UV-Beständigkeit, gute Isolationsfähigkeit und vielseitige industrielle Einsatzmöglichkeiten.

Im Folgenden werden die wichtigsten Vorteile von TPUs kurz zusammengefasst:

• Abriebfestigkeit: Harte TPU-Materialien sind äußerst abriebfest.
• Elastische Eigenschaften: TPU ist ein elastisches Material mit ausgezeichneter Bruchdehnung von bis zu 700%.
• Robustheit und Haltbarkeit: TPUs sind robust und können bis zu 10 Jahre halten.
• Ästhetischer Anreiz: Es stehen verschiedene TPU-Farboptionen zur Verfügung, und die Teile behalten ihre Oberfläche und ihr Aussehen über lange Zeit.
• UV-Beständigkeit: Die ursprünglichen Eigenschaften bleiben erhalten, wenn TPU-Spritzgussteile sind Sonnenlicht oder rauen Umgebungsbedingungen ausgesetzt.
• Verträglichkeit bei niedrigen Temperaturen: TPU-Teile sind auch bei negativen Temperaturen bis zu –50 °C funktionsfähig.
• Minimale Wasseraufnahme: TPU ist hydrophob und hat eine Wasserabsorptionsrate von ca. 0.2 %.
• Biokompatibilität: TPUs wie Exin RxT80A und Quadrathane ALC sind biokompatibel und sicher für medizinische Anwendungen.
• Chemische Resistenz: TPUs sind beständig gegen schwache Säuren und Laugen, Öle, Fette, Kohlenwasserstoffe und einige Alkohole. 

TPU vs. Urethan-Spritzguss

TPU vs. Urethan-Spritzguss

Urethan ist ein Duroplast, Polyurethan hingegen ein thermoplastisches Elastomer. Aufgrund dieses Materialunterschieds erfordern beide Spritzgießverfahren unterschiedliche Werkzeuge, Einspritzdrücke und erreichbare Präzisionen.

Urethan-Spritzgießen wird oft auch als Urethan-Gießen oder -Formen von duroplastischen Polyurethanen bezeichnet. Beim Urethan-Gießen werden typischerweise Silikonformen verwendet, während beim TPU-Formen metallische Spritzgussformen zum Einsatz kommen.

TPU-Spritzgießen wird aufgrund seiner Präzision, Dimensionsstabilität und Langzeitbeständigkeit bevorzugt. Urethan-Spritzgießen hingegen eignet sich gut für kostengünstiges Prototyping und die Kleinserienfertigung.

Anwendungsbereiche von TPU-Spritzgussteilen 

TPU-Spritzgussprodukte

Geformte TPU-Teile und -Produkte finden in verschiedenen Branchen Anwendung, insbesondere dort, wo Flexibilität und Verschleißfestigkeit gefordert sind. Sie eignen sich für diverse Industriezweige, darunter die Automobilindustrie, die Unterhaltungselektronik, die Medizintechnik, industrielle Systeme und die Schuhindustrie. 

TPU ist ebenfalls eine geeignete Option für die Overmolding-Prozess, das es mit starren Kunststoffen wie ABS und Polycarbonat kombiniert. Schauen wir uns die folgende Tabelle an, um Anwendungsbeispiele für spritzgegossene TPU-Teile in verschiedenen Branchen zu sehen.

Designrichtlinien für TPU-Spritzguss 

TPU-Spritzgussformdesign

Die Präzision, Herstellbarkeit, die Stückkosten und die Gesamtqualität von TPU-Spritzgussteilen/-produkten werden maßgeblich vom Design beeinflusst. Daher müssen bei der Konstruktion von TPU-Teilen und Spritzgussformen mehrere Schlüsselfaktoren berücksichtigt werden.

Als nächstes besprechen wir die wichtigsten Konstruktionsrichtlinien für TPU-Spritzgussteile und -formen. 

TPU-Teile-Designrichtlinien 

• Schrumpfungszugabe: Berücksichtigen Sie die Materialschrumpfung von TPU (0.2-2%), die nach dem Erstarren des TPU in der Form auftritt. 
• Wandstärke des Bauteils: Ungleichmäßige Wandstärken bei Formteilen können zu Fehlern wie Einfallstellen führen. Achten Sie daher auf eine gleichmäßige Wandstärke (bis zu 3 mm). 
• Abgerundete Ecken: Die Radien (innen und außen) müssen mindestens 0.5 × Wandstärke betragen, und es müssen abgerundete Ecken verwendet werden, um Spannungskonzentrationen zu vermeiden.
• Rippenmerkmale: Um die Festigkeit zu erhöhen, werden Rippen an der Oberfläche von Teilen angebracht, deren Höhe < 3 x Wandstärke (t) ist. 
• Formschräge: Beachten Sie den Entformungsschrägenwinkel für einen fehlerfreien Auswurf der Teile, typischerweise 1 bis 3°.

Richtlinien für die Konstruktion von Spritzgussformen 

• Lüftungsschlitze: Achten Sie auf eine ausreichende Entlüftung der Spritzgussform mit Schlitzen von 0.02 bis 0.05 mm Durchmesser. Dies ist unerlässlich, um Lufteinschlüsse zu vermeiden.
• Standort des Tores: Platzieren Sie den Anguss an der Stelle, an der das Bauteil die größte Wandstärke aufweist. Dies erleichtert das Nachfüllen und den Spannungsabbau.
• Oberflächenbeschaffenheit der Form: Die Wand des Formhohlraums bestimmt die Oberflächenqualität des geformten TPU-Teils. Übermäßiges Polieren sollte jedoch vermieden werden, da dies das Entformen erschwert.

Tipps für erfolgreiches TPU-Spritzgießen

Die Kontrolle der Formtemperatur, die Anwendung eines engen Einspritzdrucks und einer engen Einspritzgeschwindigkeit, die gleichmäßige Kühlung und die Aufrechterhaltung eines angemessenen Nachdrucks sind für ein erfolgreiches TUP-Spritzgießen unerlässlich. 

Im Folgenden finden Sie einige nützliche Tipps zum Spritzgießen mit TUP. 

• Prozesstemperatur präzise steuern: Abhängig vom TPU-Typ werden die Schmelztemperatur (~180–230 °C) und die Werkzeugtemperatur (~30–60 °C) kontrolliert.
• Einspritzdruck: Verwenden Sie einen Druckbereich von 60 bis 100 MPa bei mäßiger Geschwindigkeit.
• Gleichmäßige Kühlung gewährleisten: Wählen Sie eine längere Kühlzeit und ein geeignetes System, um eine gleichmäßige Kühlung des TPU-Formteils zu erreichen. 
• Haltedruck: Der Gegendruck sollte bei etwa 50-80% des Einspritzdrucks liegen.

Herausforderungen und Lösungen beim TPU-Spritzgießen

Obwohl TPU leicht in die gewünschten Formen gebracht werden kann, gibt es einige Herausforderungen im Zusammenhang mit der Prozessausführung, Maßungenauigkeiten und Oberflächenbeschaffenheit, Schrumpfung, Formöffnung und Gratbildung.

Werfen wir einen Blick auf die folgende Tabelle, in der die Herausforderungen, Ursachen und Lösungen beim TPU-Formverfahren aufgezeigt werden.

Summieren 

TPU-Materialien lassen sich mit den richtigen Spritzgusswerkzeugen und Prozessparametern in komplexe Formen spritzgießen. Verschiedene Anwendungen profitieren von der Verarbeitung von TPU, da es eine Kombination aus hoher Elastizität, Abriebfestigkeit, Schlagfestigkeit und Langlebigkeit bietet. 

Von der frühen Entwurfsphase über die Produktion bis hin zur Nachbearbeitung müssen Sie verschiedene Faktoren berücksichtigen, um qualitativ hochwertige Ergebnisse zu erzielen. 

Darüber hinaus können Sie mit ProleanTech zusammenarbeiten, um TPU-Spritzgussteile nach Ihren Vorgaben zu erhalten. Spritzgussdienstleistungen Wir liefern hochwertige Kunststoff- und Elastomerteile zu wettbewerbsfähigen Preisen.  

Häufig gestellte Fragen

Was ist der Nachteil von TPU?

Zu den Hauptnachteilen des TPU-Materials gehören langsamere Formgebungszyklen, Verarbeitungsschwierigkeiten und Empfindlichkeit gegenüber Feuchtigkeit.  

Ist TPU ein Kunststoff oder ein Gummi?

TPU ist ein Elastomer, eine Mischung aus Kunststoff und Gummi, das sich wie Gummi verhält und wie Thermoplaste verarbeitet werden kann.