Het meest flexibele 3D-printmateriaal van 2023: TPU

Heb je je ooit afgevraagd waarom 3D-printtechnologie aan populariteit wint en oudere, traditionele productiemethoden vervangt?

Als je probeert de redenen voor deze transformatie op te sommen, zal de lijst vrijwel zeker beginnen met maatwerk. Mensen zijn op zoek naar personalisatie. Ze zijn minder geïnteresseerd in standaardisatie.

Het is dankzij deze verandering in het gedrag van mensen en het vermogen van 3D-printtechnologie om te voldoen aan de behoefte van mensen aan personalisatie door middel van maatwerk, dat deze technologie in staat is om traditionele, op standaardisatie gebaseerde productietechnologieën te vervangen.

Flexibiliteit is een verborgen factor achter de zoektocht van mensen naar personalisatie. En het feit dat er flexibel 3D-printmateriaal op de markt is waarmee gebruikers steeds flexibelere onderdelen en functionele prototypes kunnen ontwikkelen, is voor sommigen een bron van pure vreugde.

3D-geprinte mode en 3D-geprinte protheses zijn voorbeelden van toepassingen waarin de flexibiliteit van 3D-printen gewaardeerd moet worden.

3D-printen met rubber is een gebied dat nog volop in onderzoek is en verder ontwikkeld moet worden. Totdat rubber volledig printbaar is, beschikken we nog niet over 3D-printtechnologie voor rubber. We zullen dus alternatieven moeten gebruiken.

Uit onderzoek blijkt dat thermoplastische elastomeren de beste alternatieven voor rubber zijn. Er zijn vier verschillende soorten flexibele materialen die we in dit artikel uitgebreid zullen bespreken.

Deze flexibele 3D-printmaterialen heten TPU, TPC, TPA en Soft PLA. We beginnen met een korte algemene uitleg over flexibele 3D-printmaterialen.

Wat is het meest flexibele filament?

Door flexibele filamenten te kiezen voor je volgende 3D-printproject, open je een wereld aan nieuwe mogelijkheden voor je prints.

Met flexibel filament kun je niet alleen allerlei objecten printen, maar als je een printer met een dubbele of meervoudige extruder hebt, kun je met dit materiaal zelfs behoorlijk indrukwekkende dingen printen.

Onderdelen en functionele prototypes, zoals op maat gemaakte slippers, stressbalhoofden of trillingsdempers, kunnen met uw printer worden geprint.

Als je vastbesloten bent om Flexi-filament te gebruiken bij het printen van je objecten, zul je ongetwijfeld je ideeën zo dicht mogelijk bij de werkelijkheid brengen.

Met zoveel mogelijkheden die er tegenwoordig op dit gebied zijn, is het moeilijk voor te stellen hoe de 3D-printtechnologie er in het verleden zonder dit printmateriaal heeft uitgezien.

Voor gebruikers was printen met flexibele filamenten destijds een behoorlijke uitdaging. Die uitdaging werd veroorzaakt door een reeks factoren die allemaal terug te voeren waren op het feit dat deze materialen erg zacht zijn.

Door de zachtheid van het flexibele 3D-printmateriaal was het riskant om het met zomaar elke printer te printen; je had juist een zeer betrouwbare printer nodig.

De meeste printers van destijds hadden last van het zogenaamde 'duw-draad-effect'. Wanneer je destijds iets zonder stijfheid door een spuitmond duwde, boog, verdraaide en bood het weerstand.

Iedereen die wel eens draad uit een naald haalt om stoffen te naaien, zal dit fenomeen herkennen.

Afgezien van het probleem van het duweffect, was de productie van zachtere filamenten zoals TPE een zeer zware klus, vooral met nauwe toleranties.

Als je rekening houdt met slechte toleranties en begint met de productie, bestaat de kans dat het geproduceerde filament te maken krijgt met slechte detaillering, verstoppingen en een extrusieproces.

Maar de tijden zijn veranderd. Tegenwoordig is er een breed scala aan zachte filamenten, waarvan sommige zelfs elastische eigenschappen en verschillende zachtheidsgraden hebben. Zacht PLA, TPU en TPE zijn daar enkele voorbeelden van.

Shore-hardheid

Dit is een veelvoorkomend criterium dat je vaak tegenkomt bij fabrikanten van filamenten, die het vermelden bij de naam van hun 3D-printmateriaal.

De Shore-hardheid wordt gedefinieerd als de maatstaf voor de weerstand die een materiaal biedt tegen indrukking.

Deze schaal werd in het verleden bedacht, toen er nog geen referentiepunt bestond om de hardheid van materialen te meten.

Voordat de Shore-hardheid werd uitgevonden, moesten mensen de hardheid van materialen waarmee ze hadden geëxperimenteerd, uitleggen aan de hand van hun eigen ervaringen, in plaats van een getal te noemen.

Deze schaal is een belangrijke factor bij de keuze van het juiste matrijsmateriaal voor de productie van een onderdeel van een functioneel prototype.

Als je bijvoorbeeld wilt kiezen tussen twee soorten rubber voor het maken van een gipsen mal van een staande ballerina, dan geeft de Shore-hardheid aan welke rubbersoort het meest geschikt is. Rubber met een Shore-hardheid van 70 A is minder bruikbaar dan rubber met een Shore-hardheid van 30 A.

Bij het werken met filamenten is het algemeen bekend dat de aanbevolen Shore-hardheid van een flexibel materiaal doorgaans varieert van 100A tot 75A.

Het flexibele 3D-printmateriaal met een Shore-hardheid van 100A is uiteraard harder dan materiaal met een Shore-hardheid van 75A.

Waar moet je op letten bij de aanschaf van een flexibel filament?

Bij de aanschaf van filamenten, en niet alleen flexibele filamenten, zijn er diverse factoren waarmee rekening moet worden gehouden.

Je moet beginnen bij een centraal punt dat voor jou het belangrijkst is, bijvoorbeeld de kwaliteit van het materiaal dat resulteert in een mooi ogend onderdeel van een functioneel prototype.

Dan moet je nadenken over de betrouwbaarheid van de toeleveringsketen, oftewel: het materiaal dat je eenmaal gebruikt voor 3D-printen, moet continu beschikbaar zijn. Anders loop je het risico dat je een beperkte voorraad 3D-printmateriaal gebruikt.

Nadat je over deze factoren hebt nagedacht, moet je ook rekening houden met een hoge elasticiteit en een breed scala aan kleuren. Niet elk flexibel 3D-printmateriaal is immers verkrijgbaar in de kleur die je wilt hebben.

Nadat je al deze factoren in overweging hebt genomen, kun je de klantenservice en de prijs van het bedrijf vergelijken met die van andere bedrijven op de markt.

Hieronder vindt u een overzicht van enkele materialen waaruit u kunt kiezen voor het printen van een flexibel onderdeel of een functioneel prototype.

Lijst met flexibele 3D-printmaterialen

Alle onderstaande materialen hebben een aantal basiseigenschappen gemeen: ze zijn allemaal flexibel en zacht. De materialen hebben een uitstekende vermoeiingsweerstand en goede elektrische eigenschappen.

Ze hebben een uitzonderlijke trillingsdemping en slagvastheid. Deze materialen zijn bestand tegen chemicaliën en weersinvloeden en hebben een goede scheur- en slijtvastheid.

Ze zijn allemaal recyclebaar en hebben een goed schokabsorberend vermogen.

Printervereisten voor het printen met flexibele 3D-printmaterialen

Er zijn een aantal standaardinstellingen die u op uw printer moet instellen voordat u met dit materiaal gaat printen.

De temperatuur van de extruder van uw printer moet tussen de 210 en 260 graden Celsius liggen, terwijl de temperatuur van het printbed tussen de omgevingstemperatuur en 110 graden Celsius moet liggen, afhankelijk van de glasovergangstemperatuur van het materiaal dat u wilt printen.

De aanbevolen printsnelheid bij het printen met flexibele materialen kan variëren van slechts vijf millimeter per seconde tot dertig millimeter per seconde.

Het extrudersysteem van uw 3D-printer moet een directe aandrijving hebben en het is aan te raden een koelventilator te gebruiken voor een snellere nabewerking van de onderdelen en functionele prototypes die u produceert.

Uitdagingen bij het printen met deze materialen

Uiteraard zijn er een aantal aandachtspunten voordat u met deze materialen gaat printen, gebaseerd op de problemen die gebruikers in het verleden hebben ondervonden.

Het is bekend dat thermoplastische elastomeren slecht verwerkt worden door de extruders van de printer.
Ze absorberen vocht, dus verwacht dat je print in omvang toeneemt als het filament niet correct wordt bewaard.
Thermoplastische elastomeren zijn gevoelig voor snelle bewegingen, waardoor ze kunnen vervormen wanneer ze door de extruder worden geperst.

TPU

TPU staat voor thermoplastisch polyurethaan. Het is een zeer populair materiaal op de markt, dus bij de aankoop van flexibele filamenten is de kans groot dat je dit materiaal vaker tegenkomt dan andere soorten filamenten.

Het staat in de markt bekend om zijn grotere stijfheid en het feit dat het gemakkelijker te extruderen is dan andere filamenten.

Dit materiaal heeft een behoorlijke sterkte en een hoge duurzaamheid. Het heeft een hoge elasticiteit van ongeveer 600 tot 700 procent.

De Shore-hardheid van dit materiaal varieert van 60 A tot 55 D. Het heeft een uitstekende bedrukbaarheid en is semi-transparant.

De chemische bestendigheid tegen vetten en oliën maakt het materiaal bijzonder geschikt voor gebruik met 3D-printers. Dit materiaal heeft bovendien een hoge slijtvastheid.

Het wordt aanbevolen om de temperatuur van uw printer tussen 210 en 230 graden Celsius te houden en de temperatuur van het printbed tussen 60 en 60 graden Celsius (niet verwarmd) tijdens het printen met TPU.

De printsnelheid moet, zoals hierboven vermeld, tussen de vijf en dertig millimeter per seconde liggen, en voor de hechting aan het printbed wordt aangeraden om Kapton-tape of schilderstape te gebruiken.

De extruder moet een direct drive-extruder zijn en het gebruik van een koelventilator wordt afgeraden, in ieder geval voor de eerste lagen van deze printer.

TPC

Ze staan ​​voor thermoplastisch copolyester. Chemisch gezien zijn het polyetheresters met een afwisselende, willekeurige lengtevolgorde van lange of korte glycolketens.

De harde segmenten van dit deel bestaan ​​uit kortketenige estereenheden, terwijl de zachte segmenten meestal alifatische polyethers en polyesterglycolen zijn.

Omdat dit flexibele 3D-printmateriaal als een technisch hoogwaardig materiaal wordt beschouwd, zie je het niet zo vaak als TPU.

TPC heeft een lage dichtheid met een elasticiteitsbereik van 300 tot 350 procent. De Shore-hardheid varieert van 40 tot 72 D.

TPC vertoont een goede chemische bestendigheid en hoge sterkte met goede thermische stabiliteit en temperatuurbestendigheid.

Bij het printen met TPC wordt aangeraden de temperatuur tussen 220 en 260 graden Celsius te houden, de bedtemperatuur tussen 90 en 110 graden Celsius en de printsnelheid gelijk aan die van TPU.

TPA

Het chemische copolymeer van TPE en nylon, thermoplastisch polyamide genaamd, combineert de gladde en glanzende textuur van nylon met de flexibiliteit die kenmerkend is voor TPE.

Het materiaal heeft een hoge flexibiliteit en elasticiteit van 370 tot 497 procent, met een Shore-hardheid van 75 tot 63 A.

Het is uitzonderlijk duurzaam en heeft een printbaarheid die vergelijkbaar is met die van TPC. Het is bovendien goed bestand tegen hitte en hecht goed aan de lagen.

De temperatuur van de extruder van de printer moet tijdens het printen van dit materiaal tussen de 220 en 230 graden Celsius liggen, terwijl de temperatuur van het printbed tussen de 30 en 60 graden Celsius moet zijn.

De afdruksnelheid van uw printer kan hetzelfde zijn als de aanbevolen snelheid bij het printen van TPU en TPC.

De bedhechting van de printer moet op PVA-basis zijn en het extrudersysteem kan zowel een direct drive als een Bowden-extruder zijn.