Wie wird TPU in der Spritzgießindustrie eingesetzt?

Wie wird TPU in der Spritzgussindustrie eingesetzt? | ZetarMold

Grundlegende Eigenschaften von TPU

TPU ist ein thermoplastisches Elastomer, das durch die Reaktion von Diisocyanaten (wie MDI oder TDI), Polyether- oder Polyesterpolyolen und Kettenverlängerern hergestellt wird. Es hat die folgenden Haupteigenschaften:

Elastizität und Flexibilität

TPU ist eine ausgezeichnete Wahl für Artikel, die sehr dehnbar sein müssen, da seine Elastizität über einen großen Temperaturbereich hinweg gleich bleibt. Dieses Material verträgt auch Kälte gut, es wird nicht brüchig. Dank seiner Zugfestigkeit und Bruchdehnung bleibt TPU bei mechanischer Beanspruchung stabil und ist daher ideal für Anwendungen, die eine hohe mechanische Leistung erfordern.

Abnutzungswiderstand

TPU hat eine hervorragende Reiß- und Abriebfestigkeit. Das bedeutet, dass es sich perfekt für die Herstellung von Produkten eignet, die einer hohen Abnutzung standhalten müssen, wie Schuhsohlen oder Förderbänder. Seine Abriebfestigkeit ist nicht auf normale Einsatzumgebungen beschränkt. TPU kann seine physikalischen Eigenschaften auch bei intensiver und häufiger Nutzung beibehalten und so die Lebensdauer des Produkts verlängern.

Öl- und Chemikalienbeständigkeit

Besonders in Bereichen, in denen die Beständigkeit gegen Chemikalien und Öl entscheidend ist, wie in der Automobil- und Erdölindustrie. TPU kann seine Integrität und Funktionalität in rauen Umgebungen beibehalten, was es zu einer zuverlässigen Wahl für anspruchsvolle Anwendungen macht.

Transparenz

Aufgrund der Transparenz von TPU eignet es sich für Produkte, die transparentes Material benötigen, wie z. B. Handyhüllen und medizinische Produkte. TPU hat eine hohe Transparenz und eine hohe Lichtdurchlässigkeit, die in den meisten Fällen für eine klare Sicht sorgen, und verfügt dennoch über eine hohe physikalische Festigkeit, sodass es harten Bedingungen standhalten kann.

Witterungsbeständigkeit

Mit seiner hervorragenden UV- und Witterungsbeständigkeit ist thermoplastisches Polyurethan (TPU) perfekt für den Einsatz im Freien geeignet. Selbst nach längerem Aufenthalt in der Sonne verliert es kaum seine physikalischen Eigenschaften, was bedeutet, dass Produkte auf TPU-Basis wie Outdoor-Ausrüstung und Baumaterialien lange halten.

TPU in Spritzgießverfahren

Das TPU-Spritzgießverfahren ähnelt dem anderer Thermoplaste, verlangt wegen der besonderen TPU-Eigenschaften jedoch eine präzise Steuerung der Verarbeitungsparameter und -bedingungen. Nachfolgend ein ausführlicher Leitfaden zur Verarbeitung von TPU im Spritzgießverfahren:

Vorbereitung des Rohmaterials

TPU-Rohstoffe (thermoplastisches Polyurethan) liegen in der Regel in Form von TPU-Granulat vor, und vor dem Spritzgießen ist häufig eine ausgiebige Trocknung erforderlich, um die Feuchtigkeit loszuwerden, die die Leistung des hergestellten Teils beeinträchtigen könnte. Die Trocknungstemperatur liegt in der Regel zwischen 80 und 110 °C, und es dauert 2 bis 4 Stunden, bis der Trocknungsprozess abgeschlossen ist, um den Feuchtigkeitsgehalt zu reduzieren, der während des Spritzgießvorgangs zu Fehlern wie Blasen führen kann. Wenn die Ausbringungsrate jedoch sehr hoch ist, muss unter Umständen eine Vakuumtrocknung oder eine Trocknung mit Trockenmittel durchgeführt werden, um die möglicherweise noch im Material vorhandene Feuchtigkeit zu entfernen.

Injektionsparameter

1. Temperaturregelung: Der Verarbeitungstemperaturbereich von TPU liegt üblicherweise bei 180-230℃. Da sich jeder Verarbeitungseinfluss auf das Endprodukt auswirkt, kann Wärme die physikalischen Eigenschaften des TPU beeinträchtigen. Eine genaue Temperaturregelung ist daher im Produktionsprozess entscheidend, um die richtige Qualität des Endprodukts sicherzustellen. Ein wesentlicher Nachteil besteht darin, dass TPU im Allgemeinen eine etwas niedrigere Schmelztemperatur als viele andere Thermoplaste hat und deshalb eine feinere Temperaturregelung der Verarbeitungsanlagen erfordert.

2. Einspritzgeschwindigkeit: Um innere Spannungen und Blasen durch zu schnelles Einspritzen zu vermeiden, sollte eine mittlere Einspritzgeschwindigkeit verwendet werden. Die Art des Einspritzens beeinflusst außerdem die Reaktionsgeschwindigkeit und die gleichmäßige Füllung der Form, was die mechanischen Eigenschaften des Produkts verbessert. Bei sehr hohen Geschwindigkeiten wird Luft im Material eingeschlossen, sodass das Formteil ein blasiges Erscheinungsbild erhält.

3. Nachdruckregelung: Nachdruck und Nachdruckzeit müssen so abgestimmt sein, dass die Produkte maßstabil bleiben und eine ansprechende Oberfläche erhalten. Zu hoher Nachdruck erzeugt starke innere Spannungen; eine zu kurze Nachdruckzeit führt dagegen zu Schwindung und Verzug. Die optimale Nachdruckzeit hängt vor allem von der Produktdicke und der Komplexität der Konstruktion ab.

Formenbau

Die Formkonstruktion hat erheblichen Einfluss auf spritzgegossene TPU-Produkte. TPU besitzt zwar eine gute Fließfähigkeit, dennoch müssen Anschnitt und Verteilerkanal sinnvoll ausgelegt sein, damit kleine Anschnitte oder ungeeignete Kanäle keine unvollständige Füllung verursachen. Auch die Entformbarkeit ist zu berücksichtigen: Eine korrekte Entformungsschräge verhindert Schäden am Bauteil. Weitere wichtige Größen sind Oberflächengüte und Temperatur der Form. Eine gute Formoberfläche verhindert Oberflächenfehler, während eine geeignete Formtemperatur für gleichmäßige Kühlung sorgt und die Zykluszeit verkürzt. Wichtige Aspekte der TPU-Spritzgießformkonstruktion:

Diese Verteilung hängt von den Formbedingungen ab, z. B. von der Härte des Rohmaterials, der Dicke des Teils, der Form des Teils, der Temperatur beim Formen und der Temperatur der Form. Was den typischen Schwindungsbereich betrifft, so geben die beiden wichtigen Quellen keinen spezifischen Wert von s an, der typischerweise zwischen 0,005-0,020 cm/cm liegt. Zum Beispiel wird ein 100×10×2 mm großer rechteckiger Stab am Anschnitt in Längsrichtung dünner, und die Schrumpfung in Fließrichtung ist um das 2-3fache größer, wenn die Härte 75A statt 60D beträgt. Wie in der ersten Abbildung dargestellt, gibt es eine Beziehung zwischen der TPU-Härte und der Teiledicke mit der Schrumpfungsrate. Wie zuvor dargestellt, sinkt die Schrumpfungsrate des Teils bei einer TPU-Härte zwischen 78A und 90A mit zunehmender Dicke, und bei einer TPU-Härte zwischen 95A und 74D steigt die Schrumpfungsrate mit zunehmender Dicke leicht an.

Der Hauptverteiler ist der Kanal, der die Düse der Spritzgießmaschine mit dem Unterverteiler oder den Kavitäten im Werkzeug verbindet. Dieser Kanal erweitert sich nach innen in einem Winkel von mehr als 2 Grad, um das Entfernen von Verteilerresten zu erleichtern. Bei Mehrkavitätenwerkzeugen verbindet der Unterverteiler den Hauptverteiler mit jeder Kavität; die Abstände sollten gleich oder im Werkzeug ausbalanciert sein. Verteilerquerschnitte können rund, halbkreisförmig oder rechteckig sein, und ihr idealer Durchmesser sollte zwischen 6 und 9 mm liegen. Die Verteileroberfläche sollte wie die Werkzeugkavität poliert sein, um den Fließwiderstand des Materials zu verringern und die Füllgeschwindigkeit des Werkzeugs zu erhöhen.

Der Hohlraum für kalte Butzen ist eine Aussparung am Ende des Primärkanals, die dazu dient, zusätzliches kaltes Material, das zwischen zwei Schüssen entsteht, zu speichern und zu verhindern, dass es den Unterkanal oder den Anschnitt verstopft. Kaltes Material, das in die Vertiefung eingebracht wird, kann auch schnell die innere Spannung des Produkts erzeugen. Der Hohlraum für kaltes Material sollte idealerweise einen Durchmesser von 8-10 mm und eine Tiefe von etwa 6 mm haben.

Der Anschnitt ist der Durchgang, über den der Haupt- oder Nebenverteilerkanal mit der Kavität verbunden wird. Sein Querschnitt ist üblicherweise kleiner als der des Verteilerkanals, sodass er tatsächlich die kleinste Stelle des Angusssystems bildet; außerdem muss er kurz sein. Der Anschnitt kann beispielsweise rechteckig oder rund ausgeführt werden, wobei seine Abmessungen von der Produktdicke abhängen. Bei Produkten mit einer Dicke < 4mm gilt Durchmesser = 1mm, bei einer Dicke von 4-8mm Durchmesser = 1. Bei einer Wanddicke unter 8 mm beträgt der Durchmesser 1. 4 mm, bei Dicken zwischen 8 mm und 4 mm beträgt er 2 und bei Dicken über 4mm beträgt er 2. 0-2. 7 mm. Die Anschnittposition wird üblicherweise im dicksten Bereich des Produkts gewählt, wo sie Optik und Funktion möglichst wenig beeinträchtigt, und im Winkel von 90 Grad zur Werkzeugwand angeordnet, um Schwindungshohlräume und Wirbelmarkierungen zu vermeiden.

Entlüftungsöffnungen sind schlitzförmige Öffnungen in der Form, durch die Luft in den Formhohlraum entweichen kann, da das Einschließen von Luft zu Defekten wie Hohlräumen, schlechten Schweißnähten oder unvollständiger Füllung der Form führen kann und durch die Kompression der Luft, die zur Wärmeentwicklung führt, zu Verbrennungen bei der Herstellung führt. Die Entlüftung kann am Ende des Schmelzeflusses in der Kavität oder an der Trennfläche der Form erfolgen, im Allgemeinen sind sie 0,15 mm tief und 6 mm breit.

TPU-Spritzgießen Bedingungen

Die beim TPU-Spritzgießen eingesetzten Temperatur-, Druck- und Zeitparameter sind entscheidend für einwandfreie Plastifizierung, Fließfähigkeit und Kühlung. Aussehen und Leistung der gefertigten TPU-Teile hängen unmittelbar von ihrer korrekten Einstellung ab. Bei einem stabilen Prozess weisen die Endprodukte eine gleichmäßige Färbung zwischen Weiß und Beige auf.

Temperatur

Die Parameter, die beim Formen von TPU geregelt werden können, sind die Zylindertemperatur, die Düsentemperatur und die Werkzeugtemperatur. Die ersten beiden wirken sich weitgehend auf die Plastifizierung und das Fließen von TPU aus, die dritte auf dessen Fließ- und Kühlgeschwindigkeit.

1. Zylindertemperatur: Die Wahl der Zylindertemperatur richtet sich nach der Härte des TPU. Härteres TPU besitzt eine höhere Schmelztemperatur und erfordert daher auch eine höhere Zylindertemperatur. Der typische Verarbeitungsbereich liegt bei 177–232 °C. Das Temperaturprofil steigt gewöhnlich von der Einzugszone beziehungsweise dem hinteren Ende bis zur Düse beziehungsweise zum vorderen Ende allmählich an, damit sich das TPU gleichmäßig erwärmt und plastifiziert.

2. Düsentemperatur: Die Düsentemperatur liegt normalerweise etwas unter der höchsten Zylindertemperatur, da eine offene Düse sonst zum Fadenziehen oder Austreten der Schmelze neigt. Wird eine selbstschließende Düse eingesetzt, kann ihre Temperatur dagegen im Bereich der höchsten Zylindertemperatur eingestellt werden.

3. Formtemperatur: Die Formtemperatur beeinflusst die Werkstoffeigenschaften und Oberflächenrauheit von TPU-Teilen erheblich. Maßgeblich sind unter anderem der Kristallinitätsgrad des TPU und die Bauteilgröße. Üblicherweise wird die Form mit einem temperierten Medium wie Wasser geregelt. Härteres TPU weist zudem unterschiedliche Vernetzungsgrade auf. Für Texin mit Härte 480A liegt die geeignete Formtemperatur beispielsweise bei 20–30 °C, für 591A bei 30–50 °C und für 355D bei 40–65 °C. Der typische Bereich für TPU-Teile beträgt 10–60 °C. Bei zu niedriger Formtemperatur erstarrt ein Teil der Schmelze vorzeitig; dadurch entstehen Fließlinien, das Wachstum der Sphärolithe wird begrenzt und die Kristallinität bleibt niedrig. Dies führt zu Nachschwindung und schwankenden Bauteileigenschaften.

Druck

Der Druck bzw. die Kraft beim Spritzgießen besteht aus dem Plastifizierdruck, der auch als Gegendruck und Einspritzdruck bezeichnet wird. Beim Zurückziehen der Schnecke ist der Druck über der Schmelze der Staudruck, der durch das Überlaufventil geregelt wird. Ein höherer Gegendruck erhöht die Schmelzetemperatur, verringert die Plastifiziergeschwindigkeit, sorgt für bessere Temperaturen in der Schmelze, unterstützt die Farbstoffmischung und hilft bei der Beseitigung der in der Schmelze vorhandenen Gase, verlängert aber den Formgebungszyklus. Es ist zu beachten, dass der TPU-Gegendruck im Allgemeinen zwischen 0,3 und 4 MPa liegt.

Zeit

Die Zeit, die für einen Einspritzvorgang benötigt wird, wird als Gießzyklus bezeichnet. Dazu gehören das Füllen der Form, das Halten der Form, das Abkühlen und andere Zeiten (wie das Öffnen der Form, das Entnehmen des Teils, das Schließen der Form usw.). Er wirkt sich darauf aus, wie viel Arbeit Sie erledigen können und wie viel Sie Ihre Maschine nutzen. Die Zyklen beim TPU-Formen hängen davon ab, wie hart das Material ist, wie dick das Teil ist und wie kompliziert das Teil ist. Härtere Materialien brauchen weniger Zeit, dickere Teile brauchen mehr Zeit, und komplizierte Teile brauchen mehr Zeit. Auch die Temperatur der Form wirkt sich auf den Zyklus aus. TPU-Gießzyklen dauern in der Regel 20-60 Sekunden.

Nachbehandlung von Teilen

Aufgrund ungleichmäßiger Plastifizierung im Zylinder oder unterschiedlicher Abkühlungsraten im Formhohlraum kommt es bei TPU häufig zu ungleichmäßiger Kristallisation, Ausrichtung und Schrumpfung, was zu inneren Spannungen führt, insbesondere bei dickwandigen Teilen oder Teilen mit Metalleinsätzen. Diese Teile können reduzierte mechanische Eigenschaften, Silberstreifen auf der Oberfläche oder sogar Verformungen und Risse während der Lagerung und Verwendung aufweisen. Diese Probleme können durch Glühen der Teile behoben werden. Die Glühtemperatur hängt von der Härte des TPU ab, wobei eine höhere Härte höhere Temperaturen erfordert.

Einsatzformteil

Um die Festigkeitsanforderungen für die Montage und Verwendung zu erfüllen, benötigen TPU-Teile oft Metalleinlagen. Sie setzen die Metalleinlagen an der gewünschten Stelle in die Form ein und spritzen dann das TPU um sie herum, um ein Teil zu erhalten. Bei TPU-Teilen mit Einlagen kann es Probleme geben, wenn das TPU nicht am Metall haftet, weil Metall und TPU unterschiedliche thermische Eigenschaften haben und unterschiedlich schnell schrumpfen. Sie können dies beheben, indem Sie die Metalleinsätze erwärmen, bevor Sie das TPU darauf setzen, den Temperaturunterschied beim Einspritzen des TPU verringern, das TPU um das Metall herum langsamer abkühlen, das TPU gleichmäßig schrumpfen lassen und das TPU um das Metall herum nicht zu stark belasten.

Recycling und Wiederverwendung von Schrott

Bei der Verarbeitung von TPU können die Abfälle aus den Haupt- und Nebenläufen sowie defekte Teile recycelt und wiederverwendet werden. Das Experiment zeigt, dass 100% recyceltes Material ohne Beimischung von neuem Material nur eine geringe Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften aufweist, was für die Verwendung geeignet ist. Um die besten physikalischen und mechanischen Eigenschaften und Einspritzbedingungen zu erhalten, wird ein Recyclinganteil von 25-30% empfohlen. Das recycelte Material sollte vom gleichen Typ und der gleichen Qualität wie das neue Material sein. Vermeiden Sie die Verwendung von verunreinigtem oder geglühtem recyceltem Material und lagern Sie das recycelte Material nicht zu lange. Am besten ist es, es für die sofortige Verwendung zu pelletieren und zu trocknen. Das Recyclingmaterial hat im Allgemeinen eine niedrigere Schmelzviskosität, so dass die Formbedingungen angepasst werden müssen.

Praktische Anwendungen von TPU in verschiedenen Bereichen

Die einzigartigen Eigenschaften von TPU haben zu einer weit verbreiteten Anwendung in zahlreichen Bereichen geführt. Im Folgenden finden Sie die wichtigsten Anwendungsbereiche und eine detaillierte Analyse:

Autoindustrie

1. Armaturenbretter und Bedienfelder: Aufgrund seiner Flexibilität und Abriebfestigkeit eignet sich TPU für Fahrzeuginnenräume. Armaturenbretter und Bedienfelder aus TPU fühlen sich angenehm an und können Aufprallenergie aufnehmen. Zudem dämpft TPU Geräusche und Vibrationen und verbessert so den Fahrkomfort.

2. Scheinwerferdichtungen: Dichtungen in Scheinwerferbaugruppen müssen Witterungseinflüssen widerstehen und zuverlässig abdichten. TPU hält heißen wie kalten Bedingungen stand und verhindert, dass Regenwasser in den Scheinwerfer eindringt. Seine UV-Beständigkeit schützt bei längerer Sonneneinstrahlung vor Alterung und Vergilbung.

3. Stoßfänger: TPU wird in der Automobilindustrie besonders häufig für Stoßfänger eingesetzt. Seine hohe Elastizität ermöglicht es, bei einem Aufprall viel Energie aufzunehmen und das Fahrzeug zu schützen. Die ausgezeichnete Abriebfestigkeit erhöht zugleich die Lebensdauer. Schutzstoßfänger aus TPU verringern die Gefährdung von Fußgängern und anderen Fahrzeugen und verbessern dadurch die Sicherheit.

Medizinische Industrie

TPU wird hauptsächlich in medizinischen Geräten und Gegenständen verwendet, die einmal benutzt und dann im medizinischen Bereich entsorgt werden. Daher eignet es sich für die Herstellung von Kathetern, Infusionsschläuchen, OP-Handschuhen und anderen Gegenständen, die biokompatibel und leicht zu sterilisieren sein müssen. Hier sind einige spezifische Anwendungen:

1. Medizinische Katheter: TPU-Katheter sind hochflexibel und biokompatibel und können deshalb lange im Körper verbleiben, ohne Reaktionen hervorzurufen. Sie reagieren nicht chemisch mit den durchströmenden Flüssigkeiten, behalten unter vielfältigen medizinischen Bedingungen ihre mechanische Integrität und verursachen dem Patienten keine Beschwerden.

2. Operationshandschuhe: TPU-Handschuhe sind weich und zugleich robust, bieten Chirurgen Beweglichkeit und Tragekomfort und helfen, bakterielle Kontamination zu verringern. Ihre Durchstich- und Chemikalienbeständigkeit macht sie bei Operationen sicherer und zuverlässiger.

3. Infusionsschläuche: TPU behält während einer Infusion seine Eigenschaften und reagiert nicht mit den verwendeten Substanzen, was für die Herstellung von Infusionssystemen entscheidend ist. Moderne TPU-Infusionsschläuche vermindern die Anhaftung von Blut und Arzneimitteln und reduzieren so das Infektionsrisiko.

Elektronik- und Elektroindustrie

1. Handyhüllen: TPU eignet sich besonders für transparente und stoßfeste Handyhüllen. Solche Hüllen schützen Telefone vor Schäden durch Stürze, ohne deren Optik und Haptik unnötig zu beeinträchtigen. Farbe und Gestaltung lassen sich vielseitig an unterschiedliche Anforderungen anpassen.

2. Kabelmäntel: Wegen seiner hohen Abrieb- und Ölbeständigkeit wird TPU häufig für Kabelmäntel eingesetzt. Diese schützen Kabel bei schwierigen klimatischen Bedingungen und verlängern ihre Lebensdauer. TPU bleibt sowohl bei hohen als auch bei niedrigen Temperaturen flexibel und eignet sich daher für industrielle Anwendungen.

Schuhe und Textilien

1. Sportschuhsohlen: TPU eignet sich wegen seiner Elastizität und hohen Abriebfestigkeit besonders für Sportschuhsohlen. Die Sohlen sind leicht und robust, bieten bei sportlicher Aktivität ausreichende Dämpfung und hohen Tragekomfort. TPU lässt sich in unterschiedlichen Sohlenstrukturen herstellen und so an verschiedene Sportarten anpassen.

2. Funktionstextilien: TPU-Folien werden als wasserdichte und zugleich atmungsaktive Materialien etwa im Outdoor-Sport und beim Militär eingesetzt. Sie eignen sich für zahlreiche anspruchsvolle Bedingungen und behalten ihre Wasserdichtigkeit und Atmungsaktivität auch bei hoher Feuchtigkeit und starker Belastung.

Schlussfolgerung

Aufgrund der besseren Eigenschaften von TPU wird es häufig in der Spritzgussindustrie eingesetzt. Mit den sich ständig weiterentwickelnden Technologien und der Beherrschung des Spritzgießens und seiner Verarbeitungsprobleme werden sich die Anwendungsbereiche von TPU weiter ausweiten. In der Zukunft wird der Platz von TPU im Spritzgießprozess nützlich werden, wenn neue Technologien und die Nachfrage der Kunden zunehmen, die hohe Leistungen in verschiedenen Bereichen anbieten.

Die Kenntnisse über die grundlegenden Eigenschaften von TPU, seine Spritzgießtechnik, Anwendungen und Verarbeitung, typische Probleme und Gegenmaßnahmen sowie künftige Entwicklungen fördern den breiteren Einsatz dieses Hochleistungswerkstoffs im Spritzgießen und eröffnen dem Fachgebiet neue Möglichkeiten. Der Beitrag unterstützt Praktiker dabei, TPU einzusetzen und das Spritzgießen weiterzuentwickeln.

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