TPU im 3D-Druck: Shore-Härte, Extruder und Druckeinstellungen

Thema: 3D-Druck: Einstellungen, Material & Fehler

Oft heißt es, TPU lasse sich nur mit Direct Drive drucken. So absolut stimmt das nicht: BASF Forward AM beschreibt Ultrafuse TPU 95A als Einstiegsmaterial auch für Bowden-Drucker. Entscheidend sind die Härte des Filaments, der Weg zwischen Antrieb und Düse und die Fördergeschwindigkeit.

Was TPU ist und was die Shore-Härte angibt

TPU gehört zu den thermoplastischen Elastomeren (TPE); nach Prusa unterscheiden sich TPU und andere TPE vor allem in der Shore-Härte. Beide hier ausgewerteten Datenblätter bestimmen sie als Eindringhärte mit dem Durometer nach ISO 7619-1. Prusa nennt für TPU typischerweise 60A bis 90A und hält fest: Je weicher das Filament, desto schwieriger der Druck.

Die Zahl im Produktnamen ist eher eine Klasse als ein Messwert; vergleichbar sind Werte nur bei gleicher Prüfvorschrift.

Die Dehnungen stammen aus verschiedenen Prüfnormen (ASTM D3039 bzw. ISO 527), zeigen aber beide: Stehend gedruckte Proben reißen deutlich früher. Als Anwendungen nennen Prusa und UltiMaker etwa RC-Reifen, Riemen, Griffe und Schutzhüllen.

Bowden oder Direct Drive: der Weg des Filaments

Der Extruder schiebt das Filament wie eine Schubstange in die Düse; ein weiches Elastomer gibt dabei nach. Bruère und Kollegen nennen das Ausknicken wegen des niedrigen Elastizitätsmoduls typisch für TPE und sehen im Abstand zwischen Antrieb und Düse einen direkten Einfluss. Beim untersuchten Bowden-Drucker UltiMaker S5 ist der Schlauch rund 1 m lang.

Direct Drive, also ein Antrieb direkt über dem Hotend, verringert das Ausknicken; Bowden-Aufbauten halten die Autoren für möglich, aber anspruchsvoller. Prusa empfiehlt für den XL wegen des langen Filamentwegs einen Bypass und rät, die Andruckrolle zu lockern, weil zu fest gespannte Räder es verwickeln können.

Eigenes Rechenbeispiel: Wie stark der Strang federt

Wir nehmen 1,75-mm-Filament (A ≈ 2,41 mm²) und als grobe Näherung den Zugmodul E = 67 MPa an, den UltiMaker für liegend gedruckte Proben aus TPU 95A angibt. Ein gestauchter Strang verkürzt sich elastisch um ΔL = F × L / (E × A). Für eine angenommene Förderkraft F = 5 N gilt:

Bei angenommen 0,45 mm Linienbreite, 0,2 mm Schichthöhe und 20 mm/s fördert der Drucker 1,8 mm³/s, also nur ≈ 0,75 mm Filament pro Sekunde. Der Federweg im Schlauch entspricht damit rund 41 s Förderung, um die der Druckaufbau an der Düse rechnerisch nachhinkt.

Nach Euler trägt zudem ein frei stehendes Stück mit I = π × d⁴ / 64 ≈ 0,46 mm⁴ bei 10 mm Länge nur F = π² × E × I / L² ≈ 3 N. Für sehr kurze Stücke gilt die Formel nicht mehr, der Trend bleibt: halbe freie Länge, vierfache Knicklast. Reibung und Spiel im Schlauch fehlen in diesem stark vereinfachten Modell.

Tempo, Temperatur und Rückzug

Prusa nennt 20 mm/s als typische und 30 bis 40 mm/s als höchste empfohlene Geschwindigkeit, BASF für Ultrafuse TPU 95A 15 bis 40 mm/s. Bei Bruère und Kollegen nahm die Unterextrusion weicher Filamente (70A, 82A) unterhalb von 15 mm/s ab. Dahinter steht der Volumenstrom, den der Beitrag zur 3D-Druckdüse erklärt.

Die Düsentemperatur gibt das Datenblatt vor: Prusa nennt 230 bis 245 °C je nach Härte und Marke, BASF für seine Sorte 210 bis 230 °C. Prusa empfiehlt außerdem, die Düsentemperatur um 5 °C anzuheben und ohne Bauteilkühlung zu drucken. Das sind Quellenbeispiele, keine Freigabe.

Prusa rät zu wenig Rückzug gegen Verstopfen und Verwickeln, anfangs auch ganz ohne und dann schrittweise mehr; Bruère und Kollegen sahen Verbesserungen mit 1,5 mm bei 20 mm/s. Grundlagen erklärt der Artikel zur Retraktion; gegen Fäden helfen die Vergleichstests zum Stringing beim 3D-Druck.

Haftung, Feuchte und Bauteilgestaltung

TPU haftet sehr gut und schrumpft nach Prusa kaum. Auf glatten oder satinierten PEI-Blechen empfiehlt Prusa eine Trennschicht wie Klebestift, damit sehr weiches Material die Oberfläche nicht beschädigt; das pulverbeschichtete, texturierte Blech braucht keine. Mehr dazu im Beitrag zu Haftmitteln für das Druckbett.

Prusa nennt für TPU, das häufiger als PLA getrocknet werden muss, 60 °C für 4 bis 6 Stunden; BASF verlangt für seine Sorte 70 °C für mindestens 5 Stunden. Bruère und Kollegen maßen eine Wasseraufnahme bis 1,89 Gewichtsprozent bei einer Herstellerangabe von höchstens 0,15 %.

Mehr Füllung und Perimeter machen ein TPU-Teil nach Prusa fester, weniger Perimeter sowie Boden- und Deckschichten flexibler. Stehend gedruckte Proben erreichen laut UltiMaker nur 6,4 MPa Bruchfestigkeit gegenüber 23,7 MPa liegend; die Lastrichtung gehört deshalb in die Wahl der Druckorientierung.

Typische Fehler und Grenzen

Prusa nennt außerdem verstopfte Düsen, schlechte Brücken und Überhänge sowie schwer entfernbare Stützen. Für Stützen empfiehlt Prusa 0,3 mm Z-Abstand und mindestens 100 % XY-Abstand; siehe den Beitrag zum Support-Interface.

Unter Last gibt TPU 95A früh nach: UltiMaker misst eine Wärmeformbeständigkeit von 50,3 °C (ISO 75-2/B, 0,455 MPa Biegespannung). Oberhalb von 116 °C stuft UltiMaker Anwendungen als ungeeignet ein; der Wert entspricht gerundet der Vicat-Erweichungstemperatur von 115,7 °C (ISO 306/A120). Er ist also eine Obergrenze, keine Einsatztemperatur für belastete Teile. Ungeeignet sind laut Datenblatt auch dauerhaftes Eintauchen in Wasser und lange UV-Bestrahlung. Elastische Teile sind zudem schwer zu messen: Schon die Messkraft eines Messschiebers verformt sie.

Prüfliste für den ersten TPU-Druck

Eigener Vorschlag; maßgeblich bleiben die Angaben des Filamentherstellers.

• Datenblatt der Sorte lesen: Shore-Härte, Düsentemperatur, Geschwindigkeit, Trocknung.
• Filamentweg prüfen: Direct Drive oder kurzer Bowden, Andruckrolle gelockert, keine freie Lücke am Antrieb.
• Filament nach Herstellerangabe trocknen.
• Mit etwa 20 mm/s beginnen, Rückzug zunächst aus oder gering.
• Auf glattem PEI eine Trennschicht auftragen.
• Probeteil drucken, Fäden, Unterextrusion und Haftung bewerten, je Durchgang nur eine Größe ändern.