Thermoplastische Polyurethane (TPU) Spritzguss bei Mythentec

Thermoplastische Polyurethane gehören zur übergeordneten Werkstoffgruppe der thermoplastischen Elastomere. TPU ist somit ein TPE, weist innerhalb dieser Gruppe jedoch ein eigenständiges Eigenschaftsprofil auf. Der Werkstoff besteht aus elastischen Weichsegmenten und festeren Hartsegmenten.

Im Unterschied zu chemisch vernetzten Elastomeren wird TPU bei erhöhter Temperatur plastisch verformbar. Das Material kann deshalb auf konventionellen Spritzgiessmaschinen verarbeitet werden und erstarrt beim Abkühlen wieder. Dieser reversible Prozess ermöglicht eine wirtschaftliche Fertigung komplexer Formteile mit kurzen bis mittleren Zykluszeiten.

Zu den charakteristischen Eigenschaften geeigneter TPU-Typen zählen unter anderem eine hohe Abriebfestigkeit, ein guter Weiterreisswiderstand und ein ausgeprägtes elastisches Rückstellvermögen. Viele Typen verfügen ausserdem über eine hohe Schlagzähigkeit, gute Dämpfungseigenschaften und Flexibilität bei niedrigen Temperaturen.

Die konkreten Eigenschaften hängen stets vom gewählten TPU-Typ ab. Aussagen zur Medienbeständigkeit, UV-Stabilität, Temperaturbelastbarkeit oder Biokompatibilität können daher nicht pauschal auf die gesamte Werkstoffgruppe übertragen werden. Für die Materialauswahl müssen die späteren Einsatzbedingungen und funktionalen Anforderungen des Bauteils vollständig betrachtet werden.

Polyester-TPU und Polyether-TPU im Vergleich

Ein wesentliches Unterscheidungsmerkmal ist die chemische Basis der Weichsegmente. In technischen Anwendungen kommen insbesondere polyester- und polyetherbasierte TPU-Typen zum Einsatz.

Polyester-TPU zeichnet sich typischerweise durch hohe mechanische Festigkeit, gute Abriebfestigkeit und eine vergleichsweise gute Beständigkeit gegenüber Mineralölen und vielen technischen Fetten aus. Diese Werkstofftypen eignen sich daher häufig für mechanisch und tribologisch beanspruchte Formteile. Bei dauerhaftem Kontakt mit Feuchtigkeit, warmem Wasser oder mikrobiell belasteten Umgebungen muss ihre Eignung jedoch genau geprüft werden.

Polyether-TPU bietet in der Regel Vorteile bei Hydrolysebeständigkeit, Mikrobenbeständigkeit und Kälteflexibilität. Es kann deshalb für Bauteile geeignet sein, die Feuchtigkeit, wechselnden Temperaturen oder tieferen Einsatztemperaturen ausgesetzt sind. Auch hier unterscheiden sich die verfügbaren Materialtypen hinsichtlich Härte, Festigkeit und chemischer Beständigkeit.

Neben der Einteilung in Polyester- und Polyether-TPU wird zwischen aromatischen und aliphatischen Typen unterschieden. Aromatische TPU-Werkstoffe decken einen grossen Teil der technischen Standardanwendungen ab. Für transparente, helle oder dauerhaft UV-exponierte Bauteile können aliphatische Spezialtypen erforderlich sein, da herkömmliche aromatische TPU-Typen bei Licht- und UV-Einwirkung zu Verfärbungen neigen können.

Eine zu hohe Restfeuchte kann während der Plastifizierung zum Abbau der Polymerketten führen. Mögliche Folgen sind Schlieren, Blasen, matte Oberflächen, schwankendes Fliessverhalten und eine Verringerung der mechanischen Eigenschaften.

Vor der Verarbeitung ist deshalb in der Regel eine fachgerechte Vortrocknung erforderlich. Trocknungstemperatur und Trocknungsdauer richten sich nach dem konkreten Materialtyp und den Vorgaben des Werkstoffherstellers. Auch die Lagerung und Materialbereitstellung zwischen Trocknung und Verarbeitung müssen so organisiert sein, dass eine erneute Feuchtigkeitsaufnahme vermieden wird.

TPU reagiert zudem empfindlich auf unnötig hohe thermische Belastungen. Massetemperatur, Verweilzeit und Schneckendrehzahl müssen auf das Material und das Schussvolumen abgestimmt werden. Eine zu lange Verweilzeit oder eine übermässige Scherbeanspruchung kann zu Materialabbau, Verfärbungen oder einer Veränderung der Bauteileigenschaften führen. Dies ist insbesondere bei kleinen Schussgewichten im Verhältnis zum Plastifizieraggregat zu berücksichtigen.

Auch das Fliess- und Erstarrungsverhalten unterscheidet sich zwischen weichen und harten TPU-Typen. Weiche Einstellungen können bei der Entformung leichter gedehnt oder verformt werden und benötigen je nach Geometrie längere Kühlzeiten. Härtere Varianten stellen wiederum andere Anforderungen an Temperaturführung, Fliesswege und Druckübertragung.

TPU kann sowohl im Einkomponenten- als auch im Zweikomponenten-Spritzguss verarbeitet werden. Im 2K-Spritzguss lassen sich beispielsweise weiche Funktionsbereiche direkt mit einem harten thermoplastischen Grundkörper verbinden. Typische Funktionen sind Dichtung, Dämpfung, Griffigkeit, Schutz oder Schwingungsentkopplung.

Die elastischen Eigenschaften von TPU eröffnen vielfältige konstruktive Möglichkeiten, erfordern jedoch eine werkstoffgerechte Auslegung. Wanddicken, Übergänge, Rippen, Durchbrüche und Entformungsrichtungen beeinflussen nicht nur die Formfüllung, sondern auch Verzug, Schwindung und das Verhalten des Bauteils bei der Entformung.

Möglichst gleichmässige Wanddicken unterstützen eine homogene Abkühlung und reduzieren das Risiko von Einfallstellen, Lufteinschlüssen und inneren Spannungen. Grössere Wanddickensprünge sollten vermieden oder durch fliessende Übergänge ausgeführt werden. Radien an Innen- und Aussenkanten verbessern den Materialfluss und reduzieren lokale Spannungsspitzen bei späterer mechanischer Belastung.

Entformungsschrägen sind bei TPU besonders wichtig. Obwohl sich flexible Bauteile während der Entformung begrenzt dehnen können, darf diese Elastizität nicht als Ersatz für ein entformungsgerechtes Design betrachtet werden. Zu geringe Entformungsschrägen können zu hoher Auswerferbelastung, Oberflächenbeschädigungen oder dauerhafter Verformung führen. Strukturierte oder genarbte Oberflächen benötigen in der Regel grössere Entformungswinkel als glatte Flächen.

Rippen, Dichtlippen, Rastbereiche und Filmscharniere müssen auf die jeweilige TPU-Härte abgestimmt werden. Sehr dünne oder filigrane Elemente können hohe Anforderungen an Fliessfähigkeit, Entlüftung und Werkzeugpräzision stellen. Bei dauerhaft belasteten elastischen Bereichen sind ausserdem Kriechverhalten, Spannungsrelaxation und möglicher Druckverformungsrest zu berücksichtigen.

Bei Hart-Weich-Bauteilen ist die Grenzfläche zwischen TPU und Trägerkunststoff bereits in der Konstruktion zu planen. Die geeignete Ausführung hängt davon ab, ob der Verbund vorwiegend chemisch haftend, formschlüssig oder durch eine Kombination beider Prinzipien erzeugt wird. Im Rahmen der kunststoffgerechten Entwicklung unterstützt Mythentec bei der Abstimmung von Material, Geometrie und Herstellungsverfahren.

Das Werkzeugkonzept wird an die Fliessfähigkeit, Härte und Entformungsempfindlichkeit des gewählten TPU-Typs angepasst. Besondere Bedeutung haben Anspritzung, Entlüftung, Temperierung und Auswerferkonzept.

Die Anschnittposition beeinflusst Fliessweg, Bindenähte, Druckbedarf und Orientierung des Materials. Anschnitte und Verteiler müssen ausreichend dimensioniert und strömungsgünstig ausgeführt werden, damit übermässige Scherung und unnötige Druckverluste vermieden werden. Gleichzeitig ist zu berücksichtigen, an welcher Stelle der Anschnitt nach dem Entformen abgetrennt wird und welche optischen oder funktionalen Anforderungen an diesen Bereich bestehen.

Eine wirksame Werkzeugentlüftung unterstützt die vollständige Formfüllung und reduziert das Risiko von Verbrennungen, sichtbaren Fliessfehlern oder unvollständig ausgeformten Details. Entlüftungsbereiche sind insbesondere an den Enden längerer Fliesswege, an Bindenähten und in dünnwandigen Funktionszonen vorzusehen.

TPU ermöglicht je nach Materialtyp und Werkzeugoberfläche sowohl glatte und glänzende als auch matte, strukturierte oder griffige Bauteiloberflächen. Die spätere Oberflächenwirkung wird nicht nur durch die Werkzeugstruktur bestimmt. Materialhärte, Pigmentierung, Werkzeugtemperatur, Fliessverhalten und Entformungsbedingungen beeinflussen das sichtbare Ergebnis ebenfalls.

Strukturierte Oberflächen können die Haptik verbessern, Reflexionen reduzieren oder kleinere Gebrauchsspuren optisch weniger auffällig machen. Bei der Auslegung muss jedoch berücksichtigt werden, dass tiefe Narbungen die Entformung erschweren und entsprechend grössere Entformungsschrägen erfordern können.

TPU lässt sich in vielen Farbtönen einfärben. Farbbatches und Additive müssen mit dem Grundmaterial und den vorgesehenen Einsatzbedingungen kompatibel sein. Bei hellen, transparenten oder farbstabilen Bauteilen sind UV-Einwirkung, Materialbasis und mögliche Farbveränderungen während der Verarbeitung besonders zu beachten.

Eine nachträgliche Bedruckung, Kennzeichnung, Beschichtung oder Verklebung ist material- und verfahrensabhängig möglich. Die vergleichsweise niedrige Oberflächenenergie einzelner TPU-Typen kann jedoch eine Vorbehandlung oder speziell abgestimmte Farb- und Klebstoffsysteme erforderlich machen. Die Eignung sollte deshalb unter realistischen Serienbedingungen geprüft werden.

Je nach Projekt übernimmt Mythentec neben dem Spritzgiessen auch nachgelagerte Arbeitsschritte und die Weiterverarbeitung der Kunststoffbauteile. Dazu können beispielsweise Montage, Prüfung, Kennzeichnung oder die Zusammenführung zu Baugruppen gehören.