TPU-spuitgieten is geen spuitgieten van hard plastic met een zachtere hars. Thermoplastisch polyurethaan smelt en vloeit zoals een thermoplast, maar het is schuifgevoelig, absorbeert vocht uit de lucht en laat los van de matrijs met een elasticiteit die de constructie van de matrijs beïnvloedt. Een parameterinstelling die is overgenomen van een ABS- of polypropyleenproject zal meestal wel onderdelen opleveren, maar vervolgens ook vervorming, krimp, kleven of een compressievervorming die nooit de waarde in het specificatieblad bereikt.
Deze handleiding beschrijft de beslissingen in de volgorde waarin ze zich voordoen binnen een project: wat het materiaal is en waarom het zich gedraagt zoals het doet, het proces stap voor stap, de parameters die de kwaliteit van het onderdeel bepalen, het ontwerp van het onderdeel en de matrijs, de materiaalkeuze, de toepassingen, vergelijkingen met andere materialen en processen, en de diagnose van defecten. De handleiding is geschreven voor productontwikkelaars, ontwerpingenieurs en inkoopteams die van een tekening naar een gevalideerd onderdeel moeten gaan.
De onderstaande cijfers zijn afkomstig uit gepubliceerde aanbevelingen voor de verwerking van TPU en dienen als uitgangspunt, niet als vaste waarden. Materiaalspecificaties, machineconditie en gereedschapsgeometrie kunnen de marge beïnvloeden, dus elk getal moet worden bevestigd in een proefspuitgieten op de daadwerkelijke machine, met het gereedschap en het materiaal voordat het in een procesblad wordt opgenomen. Deze handleiding wordt regelmatig bijgewerkt naarmate de verwerkingsrichtlijnen zich ontwikkelen.
Wat is TPU? Injection Molding en waarom het zich anders gedraagt
Thermoplastisch polyurethaan (TPU) is een blokcopolymeer dat is opgebouwd uit harde en zachte segmenten. De harde segmenten pakken zich samen en fungeren als fysieke dwarsverbindingen; de zachte segmenten geven het materiaal zijn rubberachtige veerkracht. Door verhitting smelten de fysieke dwarsverbindingen weg en door afkoeling pakken ze zich weer samen. Dat is de reden waarom TPU kan worden spuitgegoten op standaard thermoplastische apparatuur: er hoeft niets in de matrijs uit te harden en de fasestructuur hervormt zich tijdens het afkoelen van het onderdeel.
Dezelfde structuur verklaart het brede scala aan eigenschappen van het materiaal. TPU is verkrijgbaar van ongeveer 60 Shore A tot ongeveer 74-75 Shore D, en de eigenschappen veranderen voortdurend over dat bereik: zachte varianten gedragen zich als rubber, harde varianten als een taaie technische kunststof. Voor een project betekent dit dat één materiaalfamilie meerdere kan vervangen, maar het betekent niet dat één matrijsstrategie het hele bereik dekt. Krimping, ontvormingskracht, afkoeltijd en de neiging van het smeltmateriaal tot afschuifdegradatie variëren allemaal met de hardheid. Een hardheidsverandering laat in een project is daarom een kwestie van matrijsaanpassing en validatie, geen vervanging.
Thermoplast versus thermoharder: het verschil in herverwerking
Gevulkaniseerd rubber is chemisch verknoopt. Zodra de dwarsverbindingen zijn gevormd, kan het onderdeel niet opnieuw worden gesmolten; het netwerk is permanent. De dwarsverbindingen van TPU zijn fysiek en thermisch omkeerbaar, waardoor het materiaal opnieuw kan worden gesmolten, vermalen en geen uithardingsfase in de mal nodig heeft.
De praktische gevolgen zijn kortere cyclustijden, geen chemische processen voor crosslinking die in de matrijs gecontroleerd hoeven te worden, en afval dat kan worden hergebruikt in plaats van weggegooid. Het nadeel is dat een vers gegoten TPU-onderdeel de opgegeven eigenschappen nog niet heeft bereikt. Deze eigenschappen ontwikkelen zich verder bij kamertemperatuur en de waarden in het specificatieblad zijn gemeten op gegloeide, geconditioneerde monsters. Gloeien in een heteluchtoven verkort die evenwichtsperiode tot ongeveer 15-20 uur en is de enige manier om de optimale compressie-eigenschappen te bereiken. Thermohardend rubber kan helemaal niet opnieuw worden gesmolten, daarom concurreert TPU overal waar de cyclustijd en de afvaleconomie van rubber ongunstig zijn – en daarom moet de eigen gloeistap van TPU in de productieplanning worden opgenomen in plaats van als optioneel te worden beschouwd.
Waarom schuifgevoeligheid en vochtopname allesbepalend zijn
Twee materiële beperkingen bepalen vrijwel elke beslissing in de rest van deze handleiding.
Het eerste punt is de schuifgevoeligheid. TPU-smelten zijn gevoelig voor schuifkrachten en een te hoge schroefsnelheid kan de eigenschappen van het eindproduct negatief beïnvloeden. Dit is geen marginaal effect: het is de reden waarom de tegendruk laag wordt gehouden, waarom de injectiesnelheid zo laag mogelijk wordt ingesteld, rekening houdend met de mogelijkheden van de aanspuitopening en de wanddikte, en waarom de schroefsnelheid wordt beperkt door een maximale omtreksnelheid in plaats van een vast toerental. Een verwerker die TPU verwerkt als een snel te verwerken standaardhars, krijgt onderdelen die er acceptabel uitzien, maar die onder de specificaties presteren.
Het tweede punt betreft vocht. TPU-granulaat absorbeert vocht uit de atmosfeer, en het geabsorbeerde water verandert in stoom in de trommel, wat leidt tot spreiding, zilverachtige strepen en interne luchtbellen. Het materiaal moet worden gedroogd tot het vereiste restvochtgehalte voordat het in de trechter gaat, en het moet daar droog blijven. Drogen en materiaalconditionering worden behandeld in het procesgedeelte; de gevolgen voor de parameters worden behandeld in het verwerkingsgedeelte. Geen van beide kan worden beschouwd als een routinehandeling.
Het TPU-spuitgietproces, stap voor stap
Een TPU-spuitgietproject bestaat uit een reeks fasen, waarbij elke fase de volgende beïnvloedt. De in fase 1 gekozen kwaliteit bepaalt de droogtemperatuur en het profiel van de spuitcilinder; de droogkwaliteit bepaalt het haalbare oppervlak; de schroef- en spuitmondconfiguratie bepalen de mate van schuifkracht die het smeltmateriaal ondervindt; de beslissingen met betrekking tot koeling en ontvorming bepalen de cyclustijd en het defectpercentage. Kosten, risico's en doorlooptijd stapelen zich op in deze keten, en de goedkoopste plek om een fout te corrigeren is altijd eerder dan waar deze zich doorgaans voordoet.
Fase 1: Aanvraagvereisten en selectie op basis van kwalificaties
Begin bij de selectie op basis van de gebruiksduur van het onderdeel, in plaats van op basis van de materiaalnaam. De vragen die de selectie bepalen, zijn: welke materialen schuren of buigen tegen het onderdeel en hoeveel cycli moet het doorstaan; welk temperatuurbereik het onderdeel tijdens gebruik ondervindt en hoe lang; met welke oliën, vetten, brandstoffen, reinigingsmiddelen of lichaamsvloeistoffen het in contact komt; welke regelgeving van toepassing is; welke hardheid de functie vereist; en of het onderdeel transparant, doorschijnend of in een passende kleur moet zijn.
Die antwoorden beperken de keuze tot een TPU-familie — polyether, polyester of polycaprolacton — en vervolgens tot een hardheid. De keuze van de hardheid is niet cosmetisch: het bepaalt de verwerkingstemperaturen, de cyclustijd, de krimp en het ontvormingsgedrag dat later in deze handleiding wordt beschreven. Een onderdeel dat is gespecificeerd met 85 Shore A en later is gewijzigd naar 95 Shore A, is een ander vormprobleem, geen andere kleur.
Fase 2: Drogen en conditioneren van het materiaal
TPU is hygroscopisch en het droogproces is de fase die het vaakst onvoldoende gespecificeerd wordt. Gepubliceerde aanbevelingen stellen het streefgehalte voor restvocht vast op minder dan ongeveer 0.02% in de ene verwerkingsrichtlijn en op ≤0.05% in een andere. Dit verschil weerspiegelt de kwaliteit en de herkomst van het materiaal, en niet een tegenstrijdigheid die hier moet worden opgelost. Het drogen vindt doorgaans plaats bij ongeveer 110 °C in circulerende of droge lucht, waarbij drogeluchtdrogers het streefgehalte sneller bereiken. Eén bron geeft een temperatuurbereik van 80–110 °C, afhankelijk van de hardheid, met droogtijden van één tot drie uur.
Het specificatieblad is leidend. Het proces moet garanderen dat het doel daadwerkelijk wordt bereikt: gedroogde, hete korrels mogen niet in de open lucht afkoelen, ze moeten in droge, hersluitbare containers worden gedaan en de trechter van de machine moet afgedekt blijven. Additieven, functionele concentraten en kleurstoffen moeten ook vooraf worden gedroogd; ongedroogde masterbatch is een veelvoorkomende en gemakkelijk over het hoofd geziene oorzaak van oppervlaktedefecten.
Fase 3: Instellen van de machine en de schroef
TPU kan worden verwerkt op standaard schroefspuitgietmachines, maar niet op elke schroef. De beproefde configuratie is een schroef met één schroefgang en drie zones van normale lengte, ongeveer 18-22 D, met een compressieverhouding van ongeveer 2:1 die niet hoger mag zijn dan 3:1. Schroeven met een korte compressiezone zijn ongeschikt omdat ze een hoge schuifspanning op het smeltmateriaal uitoefenen. Er moet een terugslagklep worden gemonteerd en het spuitmondstuk – met vrije doorstroming of automatische afsluiting – moet gladde kanalen hebben zonder dode hoeken waar smeltmateriaal kan ophopen en verkoolen.
TPU is noch corrosief, noch schurend, dus er is geen speciale schroeflegering of pantsering nodig. Wat de machine wel nodig heeft, is voldoende aandrijfkoppel: TPU vereist een hoge plastificatie-energie en onvoldoende koppel leidt tot schommelende schroefsnelheden en een ongelijkmatige smelt.
Fase 4: Injectie, vasthouden en koelen
De cyclus zelf wordt numeriek beschreven in het gedeelte over verwerkingsparameters. De volgorde is als volgt: injecteren met een snelheid die zo laag mogelijk wordt gehouden, afhankelijk van de aanspuitopening en wanddikte; overschakelen naar de houddruk, die de dimensionale stabiliteit en krimp bepaalt; de tegendruk laag houden vanwege de schuifgevoeligheid; en afkoelen gedurende een tijd die wordt bepaald door de wanddikte, hardheid en matrijstemperatuur.
De injectiedruk en de houdingsdruk liggen tussen de 100 en 1000 bar, en de tegendruk bedraagt doorgaans 5 tot 20 bar. De faalmechanismen zijn directioneel: te lage houdingsdruk veroorzaakt krimpverschijnselen, terwijl te hoge injectiedruk het ontvormen bemoeilijkt. Koeling is cruciaal voor het winnen of verliezen van de cyclustijd en is afhankelijk van de wanddikte en hardheid in plaats van een universele waarde te volgen.
Fase 5: Ontvormen, gloeien en Na de behandeling
TPU-onderdelen bereiken hun optimale fysische eigenschappen pas na enige tijd op kamertemperatuur. Door gloeien in een heteluchtoven wordt dit verkort tot ongeveer 15-20 uur. De gepubliceerde temperatuurbereiken liggen rond de 80-90 °C voor een hardheid tot 92 Shore A en 100-110 °C voor 93 Shore A en hoger; een andere reeks aanbevelingen noemt 20 uur bij 100 °C. Met name de compressievervorming kan alleen worden geoptimaliseerd door gloeien, vandaar dat de waarden in het datasheet hiermee rekening houden.
Onderdelen met een lage dimensionale stabiliteit hebben mogelijk ondersteuning nodig tijdens het gloeien om vervorming te voorkomen. Gloeien is een processtap met eigen hanteringsvereisten, geen passief wachten.
Fase 6: Inspectie en kwaliteitscontrole
De inspectie van een TPU-onderdeel omvat afmetingen ten opzichte van krimpgecorrigeerde tekeningen, hardheid, uiterlijk (vloeilijnen, spreiding, braamvorming), hechtsterkte waar het onderdeel is overgoten, en functionele controles zoals buigsterkte en afdichtingsprestaties. Omdat krimp na het spuitgieten doorgaat, moet de dimensionale inspectie consistent worden getimed ten opzichte van het gloeien en stabiliseren.
De eerste-artikelinspectie moet worden herhaald na elke wijziging van de kwaliteit, kleurstof of maalgraad. Elk van deze wijzigingen beïnvloedt de krimp, vloei-eigenschappen of kleur, en een onderdeel dat onder de oorspronkelijke configuratie de inspectie heeft doorstaan, is onder de nieuwe configuratie mogelijk niet goedgekeurd.
Verwerkingsparameters die de kwaliteit van het onderdeel bepalen
De onderstaande getallen geven de instellingen weer die een processor daadwerkelijk aanpast. Het zijn gepubliceerde startwaarden; de materiaalspecificaties en een vormproef op de productiemal zijn doorslaggevend. Wanneer bronnen verschillen, heeft dit verschil meestal betrekking op de materiaalkwaliteit en hardheid, en duidt het niet op een fout.
Temperatuurprofielen op basis van hardheid
De temperatuur van de vatvorming en het smeltpunt stijgen met de hardheid. De gepubliceerde banden zijn:
| Shore-hardheid | Temperatuur van de cilinder (verwarmingszone) | Smelttemperatuur | Nozzle temperatuur |
| 60A-80A | 170-210 ° C | 190-205 ° C | 200-210 ° C |
| 85A-95A | 190-220 ° C | 205-220 ° C | 210-225 ° C |
| 98A–74D | 210-230 ° C | 215-235 ° C | 220-240 ° C |
De temperatuur moet met ongeveer 10-20 °C stijgen van de toevoerzone naar de doseerzone, en de spuitmond moet dicht bij de smelttemperatuur worden ingesteld. Een bron merkt op dat sommige harde soorten smelttemperaturen tot ongeveer 260 °C nodig kunnen hebben; dit is een soortspecifieke eis, geen tegenspraak met de bovenstaande bandbreedtes, en moet worden gecontroleerd aan de hand van het gegevensblad van de soort. Kleine machines hebben over het algemeen hogere instellingen nodig dan grote machines. De smelttemperatuur moet worden gemeten in plaats van afgeleid uit de instelwaarden van de regelaar, en de regelaars moeten dienovereenkomstig worden aangepast.
Druk, snelheid en schroefrotatie
Zowel de injectiedruk als de houdingsdruk liggen tussen de 100 en 1000 bar. De houdingsdruk beïnvloedt de dimensionale stabiliteit en de ontvormbaarheid: te laag en er ontstaan krimpverschijnselen, te hoog en het ontvormen wordt moeilijk. Een houdingsdruk van ongeveer de helft van de injectiedruk is een veelgebruikt uitgangspunt voor een lage interne spanning. De tegendruk zorgt voor homogenisatie, maar moet laag blijven (5-20 bar) omdat het smeltmateriaal gevoelig is voor schuifspanning.
De injectiesnelheid moet zo laag mogelijk worden gehouden, afhankelijk van de aanspuitopening, wanddikte en stroomafstand. De schroefsnelheid wordt beperkt door een maximale omtreksnelheid van ongeveer 0.2 m/s, wat betekent dat het toegestane toerental afneemt naarmate de schroefdiameter toeneemt. Het overschrijden van deze limieten heeft voorspelbare gevolgen: overmatige afschuiving vermindert de uiteindelijke producteigenschappen, een te hoge injectiedruk bemoeilijkt het ontvormen en onvoldoende houddruk veroorzaakt krimpverschijnselen.
Matrijstemperatuur en cyclustijd
De matrijstemperatuur ligt doorgaans tussen de 15 en 70 °C, afhankelijk van de materiaalsoort en het onderdeel, en heeft een doorslaggevende invloed op de oppervlaktekwaliteit, krimp en vervorming. Voor gemodificeerde en glasvezelversterkte materialen kunnen matrijstemperaturen tot ongeveer 80 °C nodig zijn om een optimale oppervlakteafwerking te bereiken, en dikwandige onderdelen kunnen soms nog verder worden afgekoeld om de cyclus te verkorten.
De cyclustijd wordt bepaald door het stollings- en ontvormingsgedrag en is afhankelijk van de hardheid, wanddikte en matrijstemperatuur. Er bestaat geen universele cyclustijd. Wanneer kromtrekking een risico vormt, is het een erkende tegenmaatregel om de twee matrijshelften op verschillende temperaturen te laten draaien.
Zuivering, blokkeringen en verblijftijd
Langdurig verblijf leidt tot oververhitting van het materiaal in de cilinder. Volgens de gepubliceerde richtlijnen moet de cilinder worden gespoeld voordat de productie wordt hervat na een onderbreking van meer dan ongeveer 10 minuten. Dezelfde logica geldt voor de verblijftijd: een injectievolume dat zeer klein is ten opzichte van de cilinderinhoud zorgt ervoor dat het smeltmateriaal lange tijd in de plastificeereenheid blijft zitten, wat het risico op thermische schade verhoogt. Praktische richtlijnen adviseren om de cilinder te laten draaien met een capaciteitsbenutting van ongeveer 30-75% en de doseerslag tussen ongeveer 1D en 3D te houden, met 4D als maximum.
Een lange verblijftijd en oververhitting uiten zich verderop in de vloeistof als uitzetting, verkleuring en zwarte vlekken. Het reinigingsproces is daarom zowel een preventieve maatregel als een onderhoudsmaatregel.
Het ontwerpen van TPU-onderdelen voor spuitgieten
De ontwerpvoorschriften voor TPU zijn gebaseerd op de manier waarop een elastische, krimpgevoelige en schuifspanninggevoelige smelt een holte vult en er weer uitkomt. Het zijn geen algemene checklists voor wanddiktes met een andere materiaalnaam bovenaan.
Wanddikte, overgangen en krimptoeslag
TPU verdraagt enige wandvariatie beter dan harde kunststoffen, omdat de elasticiteit kleine maatverschillen absorbeert. Plotselinge veranderingen in de doorsnede blijven echter een probleem: ze veroorzaken krimp, holtes en vloeilijnen, en ze creëren abrupte veranderingen in stijfheid die kniklijnen veroorzaken. Geleidelijke overgangen blijven de norm.
Krimp is lastiger te bepalen. Een krimp van ongeveer 1% is een redelijke richtlijn voor het ontwerp van matrijzen, maar de totale krimp varieert met de wanddikte en hardheid, en gepubliceerde curves liggen ruwweg tussen 0.5% en 2.5%. De totale krimp is de som van de krimp tijdens het vormen en de krimp na het vormen. Krimp na het vormen treedt niet alleen op tijdens het gloeien, maar ook tijdens langdurige opslag – vandaar dat krimp moeilijk met grote nauwkeurigheid te voorspellen is. De krimp na het vormen is groter voor zachte materialen en dunne wanden dan voor harde materialen en dikke wanden. Glasvezelversterkte materialen krimpen veel minder: ongeveer 0.05–0.20% in de stroomrichting en 0.1–0.5% dwars op de stroomrichting.
Trekhoek, radii en ondersnijdingen
De flexibiliteit van TPU maakt vrij grote ondersnijdingen mogelijk, en kortstondige overrekking tot onder circa 5% veroorzaakt geen permanente vervorming. Dit kan zijwaartse bewegingen elimineren en het gereedschap aanzienlijk vereenvoudigen. Het is echter geen excuus voor onvoldoende hellingshoek: gepubliceerde richtlijnen schrijven een hellingshoek van ten minste circa 5° voor, met name voor zachte materialen, omdat onvoldoende hellingshoek nog steeds krassen en vastkleven veroorzaakt. Ruime radii in de hoeken verbeteren de vloei en verminderen ingevroren spanning.
Ribben, ribben en verhouding tussen wand en ribben
Ribben verstevigen een onderdeel, maar ze creëren ook de doorsnedeverandering die leidt tot doorbuiging aan de tegenoverliggende, zichtbare zijde. Proportioneer de ribben zo dat de ribdoorsnede geen dikke massa in een dunne wand duwt, en gebruik geleidelijke overgangen waar de rib de basis raakt. Abrupte stijfheidsveranderingen bij ribben zijn een bekende oorzaak van kniklijnen – zichtbare lijnen of glinsterende gebieden die verschijnen afhankelijk van de lichtinvalshoek. De juiste verhouding hangt af van de wanddikte, hardheid en esthetische eisen, dus het is beter om deze daaruit af te leiden dan een universele waarde te kopiëren.
De locatie van de poort en het effect daarvan op de eigenschappen van de woning.
De positie van de gate bepaalt de moleculaire oriëntatie en daarmee de mechanische anisotropie: een onderdeel dat aan één uiteinde is gegate is mechanisch gezien niet hetzelfde als een onderdeel dat in het midden is gegate. Gates moeten zich bevinden in het gebied met de maximale wanddikte en ze moeten groot genoeg zijn om de houddruk te weerstaan en krimp te voorkomen.
Aanbevolen poorttypen zijn onder andere spruw-, membraan-, ring- en filmpoorten, waarbij penpoorten acceptabel zijn voor kleine onderdelen. Onderwaterpoorten worden niet aanbevolen vanwege de hoge elasticiteit van het materiaal en het risico op afschuifdegradatie; de zachtere materiaalsoorten zijn met name gevoelig voor problemen met dit type poort. De kanalen moeten ruim gedimensioneerd zijn om plaatselijke afschuiving te voorkomen en de druk goed over te brengen; een cirkelvormige doorsnede van het kanaal geeft de beste stromingseigenschappen en matrijzen met meerdere holtes vereisen een gebalanceerd kanaalsysteem. Bij gebruik van verwarmde kanalen hebben extern verwarmde systemen de voorkeur.
Uitwerping, ontluchting en oppervlakteafwerking
Uitwerpers moeten twee tot drie keer groter zijn dan die voor harde thermoplasten, en ze moeten ontluchtingskanalen hebben zodat er tijdens het ontvormen geen vacuüm ontstaat. Lucht moet uit de matrijs kunnen ontsnappen wanneer het smeltmateriaal erin komt: ontluchtingskanalen van ongeveer 0.02–0.05 mm diep, geplaatst bij de scheidingslijn, inzetstukken en pinnen, voorkomen dat perslucht brandplekken veroorzaakt.
De oppervlakteafwerking van de mal druist in tegen de intuïtie. Voor TPU wordt een maloppervlak met een ruwheidshoogte van ongeveer 25-35 µm aanbevolen om het ontvormen te vergemakkelijken; gepolijste en verchroomde oppervlakken zijn minder geschikt omdat ze hechting bevorderen, vooral bij zachtere soorten.
Ontwerpen voor overmolding en verbindingen tussen meerdere materialen
TPU hecht goed aan sommige stijve substraten door middel van polariteitsaanpassing en hersmelting aan het grensvlak, maar de compatibiliteit is afhankelijk van de kwaliteit en het substraat en moet worden vastgesteld door middel van testen in plaats van te worden aangenomen op basis van een materiaalfamilietabel. Bij overspuiten heeft het binnenkomende smeltmateriaal voldoende restwarmte nodig om het substraatoppervlak enigszins te hersmelten en een fusieverbinding te vormen; substraten met een veel hoger smeltpunt zijn meer afhankelijk van mechanische verankering.
Materialen op basis van polyolefinen zijn over het algemeen niet compatibel met TPU, en polypropyleen vereist met name een aangepaste samenstelling of oppervlaktebehandeling zoals vlam- of plasmabehandeling. Nylon absorbeert vocht, en het vochtgehalte op het moment van verlijming heeft een meetbare invloed op de oppervlakte-energie en de hechtkwaliteit. Daarom moet de conditionering gecontroleerd en gedocumenteerd worden. Polycarbonaat hecht goed, maar sommige lijmsoorten kunnen spanningsscheuren veroorzaken die pas weken later zichtbaar worden. Metalen inzetstukken zijn afhankelijk van mechanische vergrendeling — gaten, ondersnijdingen, geribbelde groeven — plus een primer, en ze moeten schoon, vetvrij en gehard zijn vóór het vormen. Een substraatspecifieke afpeltest met productiebatches en -parameters van de hars, gevolgd door versnelde veroudering, is de enige betrouwbare kwalificatie.
De juiste TPU-kwaliteit kiezen
Kwaliteitsselectie is een besluitvormingskader, geen productlijst. De eigenschap die het vaakst bepalend is voor een toepassing – hydrolysebestendigheid, oliebestendigheid, hardheid, helderheid, brandgedrag of wettelijke classificatie – moet de basis vormen voor de shortlist.
Polyether versus polyester versus polycaprolacton
De chemische samenstelling van de basisstructuur bepaalt de milieugrenzen van het materiaal. Polyetherverbindingen bieden weerstand tegen hydrolyse, flexibiliteit bij lage temperaturen en weerstand tegen microbiële aantasting, waardoor ze geschikt zijn voor toepassingen waar water een rol speelt. Polyesterverbindingen presteren beter tegen oliën, vetten en slijtage, maar flexibel polyester-TPU kan onder ongunstige omstandigheden – zoals een warm klimaat, hoge luchtvochtigheid en contact met aarde – worden aangetast en afgebroken door schimmels en bacteriën, met verkleuring en scheurvorming in belaste gebieden tot gevolg. Polycaprolactonverbindingen combineren de taaiheid van polyesterverbindingen met goede prestaties bij lage temperaturen en een relatief hoge weerstand tegen hydrolyse, en zijn een veelgebruikte keuze voor hydraulische en pneumatische afdichtingen.
De keuze van hardheid en de gevolgen daarvan
De hardheid is bepalend voor de verwerkingstemperatuur, de cyclustijd, de krimp, de ontvormbaarheid en het gevoel. Het bereik van 60A–75D maakt het mogelijk om met één materiaalsoort meerdere te vervangen en maakt ontwerpen met meerdere hardheden mogelijk door middel van sequentiële overspuiting. Het praktische gevolg hiervan is dat een hardheidswijziging halverwege een project een hervalidatie vereist: het temperatuurprofiel, de krimptoeslag en het ontvormgedrag veranderen mee.
Speciale kwaliteiten: Glasgevuld, vlamvertragend, transparant, medisch en geschikt voor contact met levensmiddelen.
Glasversterking vermindert thermische uitzetting en krimp — zelfs een glasgehalte van 20% brengt de thermische uitzettingscoëfficiënt dicht bij die van aluminium of staal — en glasvezelversterkte varianten vereisen hogere matrijstemperaturen voor een optimaal oppervlak. Er bestaan vlamvertragende varianten voor toepassingen waarbij aan bepaalde regelgeving moet worden voldaan. Niet-vlamvertragende TPU voldoet doorgaans aan de HB-classificatie, terwijl vlamvertragende varianten de V0- of V2-classificatie volgens UL 94 behalen.
Alifatische soorten zijn lichtstabiel en bieden een uitstekende optische helderheid, waardoor ze worden gebruikt waar kleurstabiliteit en transparantie belangrijk zijn; aromatische soorten kunnen vergelen onder UV-licht. Medische soorten voldoen aan biocompatibiliteitsnormen zoals ISO 10993-1 en zijn geschikt voor sterilisatie met ethyleenoxide, gammastraling, droge hitte, elektronenbundelsterilisatie en waterstofperoxide. Soorten voor contact met levensmiddelen worden geproduceerd volgens GMP-richtlijnen. Speciale soorten beperken vaak het verwerkingsvenster, waardoor het productinformatieblad des te belangrijker is.
Additieven, kleurstoffen en gerecycled materiaal
Compatibiliteit van kleurstoffen is een veelvoorkomend probleem. Kleurmasterbatches op basis van TPU zijn de eenvoudigste en meest betrouwbare oplossing; kleurstoffen op basis van SAN zijn in beperkte mate geschikt; kleurstoffen op basis van polyolefinen en PVC zijn niet geschikt. De aanbevolen dosering ligt doorgaans tussen 1.0 en 4.0%, afhankelijk van de wanddikte en de kleurintensiteit. Kleurpasta's, vloeibare kleurstoffen en pigmenten worden gebruikt in een hoeveelheid van ongeveer 0.2 tot 1.0%. Alle kleurstoffen en functionele additieven moeten vooraf worden gedroogd.
Gerecycled materiaal is binnen bepaalde grenzen bruikbaar. Schoon, gesorteerd schroot kan na een geschikte behandeling en droging worden gerecycled, in verhoudingen tot wel 30%, waarbij het gerecyclede materiaal qua type en Shore-hardheid overeenkomt met het nieuwe materiaal en vrij is van verontreinigingen. Gerecycled materiaal moet idealiter worden verkleind, gedroogd en hergebruikt zonder tussentijdse opslag; verontreinigd of aangetast materiaal is niet geschikt en meerdere recyclingcycli verminderen de kwaliteit. Specifieke kwaliteitseisen kunnen het gebruik van gerecycled materiaal volledig uitsluiten, en optische en medische toepassingen beperken of verbieden het gebruik ervan vaak.
Waar TPU-spuitgieten wordt gebruikt
TPU-spuitgieten bewijst zijn waarde in de industrie wanneer een onderdeel slijtvastheid, een lange levensduur bij buigvermoeidheid, elasticiteit zonder weekmakers of een zacht aanvoelend oppervlak op een stijve ondergrond vereist. De onderstaande subsecties koppelen elk toepassingsgebied aan de eigenschap die het gebruik ervan rechtvaardigt.
Automobielsector en vervoer
Afdichtingen, pakkingen, hoezen, bussen, zachte interieuronderdelen, kabelmantels en onderdelen onder de motorkap profiteren allemaal van de slijtvastheid, olie- en vetbestendigheid en flexibiliteit van TPU over een breed temperatuurbereik. De beperkende factor is de maximale temperatuur: continu gebruik wordt over het algemeen aangegeven bij 80-100 °C voor polyethervarianten en 100-120 °C voor polyestervarianten, dus onderdelen onder de motorkap moeten binnen dat bereik blijven. Zachte interieuronderdelen worden vaak gemaakt van TPU dat over een stijve ondergrond is gegoten.
Medische hulpmiddelen en Gezondheidszorg
Katheters en katheteronderdelen, wondverzorgingselementen, onderdelen voor vloeistofbeheer, slangconnectoren en behuizingen van medische apparatuur maken gebruik van TPU vanwege de combinatie van flexibiliteit, transparantie, chemische bestendigheid en steriliseerbaarheid – zonder weekmakers. Katheters worden gebruikt in de urologie, intraveneuze, maag-, ballon- en cardiovasculaire zorg. In de wondverzorging wordt TPU gebruikt voor verbanden, medicijnpleisters, stomazakvoeringen, operatiedoeken en matrasbeschermers, waar helderheid, knikbestendigheid en hydrolysebestendigheid van belang zijn.
Consumer Products en elektronica
Beschermhoesjes, bumpers, bandjes, grips en zachte behuizingen zijn de belangrijkste toepassingen voor consumenten. TPU-over-polycarbonaat en TPU-over-ABS-overmolding worden veel gebruikt voor apparaatbescherming, vanwege de gunstige polariteitsafstemming met deze materialen. Horlogebandjes en wearable straps zijn ook afhankelijk van huidvriendelijkheid.
Schoenen en sport
Zolen, tussenzolen, noppen, scheenbeschermers en prestatieonderdelen maken gebruik van TPU voor slijtvastheid en weerstand tegen buigvermoeidheid. Ook bij schoenen wordt vaak aluminium gereedschap gebruikt: aluminium mallen zijn kosteneffectief en zeer geschikt voor de kleinere series die kenmerkend zijn voor deze sector.
Industrie, robotica en Automatisering
Wielen, rollen, riemen, grijpers, balgen, membranen en trillingsdempers vereisen slijtvastheid, scheursterkte en buigvermoeidheid. Deze onderdelen worden vaak blootgesteld aan hoge cyclische belastingen en oliën en vetten, waardoor het weerstandsprofiel van de polyestersoorten van belang is.
TPU versus andere materialen en processen
Vergelijkingen zijn alleen nuttig op de dimensies die doorslaggevend zijn voor een project: mechanische prestaties, maximale temperatuur, chemische bestendigheid, verwerkingsmoeilijkheid, gereedschap en eenheidskosten. Elk van de onderstaande alternatieven heeft op een bepaald punt voordelen, en het doel van de vergelijking is om te achterhalen op welke punten.
TPU versus TPE-verbindingen (TPS en TPV)
TPU is een in een reactor vervaardigd thermoplastisch elastomeer: de eigenschappen ervan zijn ingebouwd in één polymeer. TPS en TPV zijn compounds, gemaakt door een rubberfase te smelten en te mengen met een thermoplast. TPU kenmerkt zich door een hoge mechanische sterkte en een zeer goede slijtvastheid, en is over het algemeen aanzienlijk harder dan typische TPS-producten, waardoor de twee zelden rechtstreeks met elkaar concurreren. TPS en TPV scoren beter op het gebied van zachtheid, gevoel en lagere verwerkingseisen; TPU scoort beter op sterkte en slijtvastheid.
TPU versus siliconen
TPU biedt een betere slijtvastheid, een hogere treksterkte en lagere kosten. Siliconen hebben een veel breder temperatuurbereik – ongeveer -60 tot 200 °C tegenover ongeveer -40 tot 120 °C voor TPU – en zijn daarom de meest geschikte keuze voor implantaten en toepassingen bij extreme temperaturen. Kies voor TPU wanneer mechanische prestaties en kosten belangrijker zijn dan extreme temperaturen of biocompatibiliteit met implantaten.
TPU versus thermohardend rubber
TPU scoort hoog op het gebied van cyclustijd, hergebruik van restmateriaal, ontwerpvrijheid en hechting: geen vulkanisatiestap, mogelijkheid tot hervermalen en de mogelijkheid om complexe geometrieën te vormen en te hechten aan substraten. Thermohardend rubber behoudt een superieure compressiebestendigheid bij hoge temperaturen en een gevestigde positie in dynamische afdichtingen. De compressiebestendigheid van TPU verbetert door gloeien, maar blijft een ontwerpoverweging in plaats van een opgelost probleem.
TPU versus TPEE, PVC en polypropyleen
In vergelijking met TPEE biedt TPU over het algemeen een betere weerstand tegen buigvermoeidheid en slijtage, terwijl TPEE voordelen biedt op het gebied van hitte- en hydrolysebestendigheid. In vergelijking met geplastificeerd PVC vermijdt TPU de regelgevings- en migratieproblemen die gepaard gaan met weekmakers en biedt het een hogere mechanische sterkte. In vergelijking met polypropyleen biedt TPU elasticiteit en slijtvastheid, terwijl PP wint op het gebied van kosten en chemische inertheid — en, zoals vermeld in het ontwerpgedeelte, is PP een van de moeilijkste substraten om TPU aan te hechten.
TPU-spuitgieten versus extrusie, blaasvormen en 3D afdrukken
TPU-processen worden uitgevoerd op standaard thermoplastische apparatuur met verschillende methoden, waarbij de keuze afhangt van de geometrie en het volume van het onderdeel. Spuitgieten is geschikt voor complexe onderdelen met nauwe toleranties en grote volumes. Extrusie wordt gebruikt voor continue profielen, buizen, kabelmantels en folie. Blaasvormen is geschikt voor holle lichamen. Additieve productiemethoden zijn geschikt voor prototypes, kleine volumes en roosterstructuren. Bij zeer kleine volumes kan het bewerken van een onderdeel uit TPU-materiaal een betere optie zijn, hoewel de warmteontwikkeling van TPU tijdens de bewerking koeling en een geschikte gereedschapsgeometrie vereist.
Defectpreventie en probleemoplossing
De meeste defecten aan TPU zijn terug te voeren op vocht, schuifspanning, ontluchting of het ontwerp van de poort. Door de diagnose te ordenen op basis van het symptoom en te weten welke parameterrichting doorgaans tot de oplossing leidt, wordt de cyclus van defect tot oplossing verkort.
Vochtgerelateerde defecten: Uitpuilen, zilverstrepen en luchtbellen
Spreidingsvlekken verschijnen als witachtige, ruwe plekken; uitgebreide zilverkleurige strepen als langwerpige penicilla-achtige strepen; grote luchtbellen als met lucht gevulde holtes in de wand. Alle drie kunnen het gevolg zijn van vocht, hoewel oververhitting en een te lange verblijftijd vergelijkbare witachtige vlekken kunnen veroorzaken. De oplossingen zijn: controleer de prestaties van de droger en het droogproces zelf, controleer de smelttemperatuur en de verblijftijd, verlaag de schroefsnelheid en controleer of de trechter afgedekt is gebleven. Kleine luchtbellen kunnen ook ontstaan door luchtinlaat tijdens het doseren; in dat geval helpt een tegendruk binnen de toegestane limieten en een kortere terugtrektijd van de schroef.
Defecten in de doorstroming en vulling: Onvolledige injectie, spuitmondjes en doorstroomlijnen
Korte spuitgietsporen verschijnen aan het einde van het spuitgiettraject of op dunwandige plekken. Spuitgieten is zichtbaar als een S-vormige markering nabij de aanspuitopening, veroorzaakt door een ongeschikte aanspuitopening of -opening die geen frontale stroming produceert. Stromingslijnen verschijnen bij ribben en sectieveranderingen. De oplossing ligt in het gefaseerd opvoeren van de injectiesnelheid (van langzaam naar snel), het aanpassen van de grootte en positionering van de aanspuitopening met een deflectoroppervlak en het geleidelijk overgaan van de wanden. Het verhogen van de smelt- en matrijstemperatuur en het vergroten van de wanddikte of het verkorten van de spuitgiettrajecten helpen ook wanneer de smelt te stroperig is voor de geometrie.
Thermische defecten: brandplekken, zwarte vlekken en degradatie
Brandplekken ontstaan door perslucht in de matrijs, dus de eerste reactie is het optimaliseren van de ontluchting, met name in de buurt van de stroomlijnen en aan het einde van het stroomtraject, en het controleren van de ontluchtingskanalen. Zwarte vlekken en periodieke verkleuringen ontstaan door dode zones bij afdichtingsvlakken, veranderingen in de dwarsdoorsnede of bochten in de hot runner, waar materiaal zich ophoopt en verkoolt; het elimineren van dode zones en het controleren van de afdichtingsvlakken is de oplossing. Verkleuring door oververhitting en een lange verblijftijd vereist een lagere smelttemperatuur, een kortere verblijftijd en het spoelen na stilstand.
Dimensionale en ontvormingsdefecten: inzinking, kromtrekking, braamvorming en aanhechting
Inzinkingen ontstaan door onvoldoende houddruk of een mismatch tussen wand en ribben; de oplossingen zijn het verhogen van de houddruk en de houddruktijd, het vergroten van de spuitmondopening en de doorsnede van de spruw, en het aanpassen van de wand-ribbenverhouding. Kromtrekken wordt tegengegaan door de matrijstemperatuur en de koeluniformiteit in balans te brengen, en door snelheidsverschillen tussen stroomfronten te egaliseren wanneer meerdere poorten worden gebruikt. Overtollige braam ontstaat door een te hoge matrijsdruk of onvoldoende klemkracht en wordt verholpen door eerder over te schakelen naar houddruk, de houddruk te verlagen en de klemkracht te verhogen. Hechting en krassen zijn te wijten aan onvoldoende lossingshoek, gepolijste matrijsoppervlakken, vacuüm bij het uitwerpen of voortijdig uitwerpen – de oplossingen hiervoor zijn een grotere lossingshoek, de aanbevolen oppervlakteruwheid, geoptimaliseerde ontluchting en een langere koeltijd.
NOBLE kiezen voor de ondersteuning van uw TPU-spuitgietproject
NOBLE is een in China gevestigde contractfabrikant die TPU-spuitgietprogramma's ondersteunt van concept tot productie. NOBLE is een Chinees-Britse joint venture, door de overheid erkend als "Nationale Hightechonderneming", met meer dan 10 jaar ervaring in het leveren van totaaloplossingen voor maatwerkproductie, van prototyping tot productie. De missie van het bedrijf is om concepten om te zetten in realiteit door middel van productie op aanvraag die voldoet aan strenge tolerantie- en kwaliteitsnormen.
Het servicemodel omvat de volledige keten, niet alleen de productie: ontwerpbegeleiding, prototyping, matrijsbouw, spuitgieten, inspectie en assemblage. NOBLE is ISO 9001:2015 en ISO 13485:2016 gecertificeerd en haar expertise op het gebied van engineering en kwaliteit is erop gericht klanten te helpen efficiënt van prototype naar serieproductie te gaan. Offertes worden snel opgesteld – een professionele offerte kan binnen 24 uur na een aanvraag met de benodigde informatie worden verstrekt – en korte levertijden behoren tot het aanbod.
Als u een TPU-onderdeel wilt laten maken, dient u een offerteaanvraag in met de onderdeelgegevens zoals beschreven in de onderstaande FAQ; NOBLE zal hierop reageren met een offerte.
Hoe NOBLE elke fase van een TPU-programma ondersteunt
De eerder in deze handleiding beschreven fasen sluiten als volgt aan op het serviceaanbod van NOBLE. In de fase van eisen en ontwerp biedt NOBLE ontwerpbegeleiding, waarbij de input van DFM (Design for Manufacturing) met betrekking tot wandovergangen, poortpositie en krimpmarge het meest waardevol is. Voor prototyping maakt NOBLE's snelle prototyping het mogelijk om een ontwerp te verifiëren voordat de matrijs wordt vervaardigd. De matrijs en het spuitgieten vinden intern plaats en de inspectie wordt uitgevoerd met behulp van een complete set inspectieapparatuur en een alomvattend kwaliteitscontrolesysteem. De assemblage sluit de keten af, waardoor een project niet over meerdere leveranciers hoeft te worden verdeeld.
Elk van deze mogelijkheden maakt deel uit van NOBLE's totaaloplossing. De specifieke omvang van een bepaald onderdeel – welke fasen zijn inbegrepen en aan welke specificaties – wordt in de offerte bevestigd.
Kwaliteitssystemen en relevantie voor medische hulpmiddelen
ISO 9001:2015 certificeert een gedocumenteerd kwaliteitsmanagementsysteem; ISO 13485:2016 certificeert een kwaliteitsmanagementsysteem dat is afgestemd op de productie van medische hulpmiddelen. Voor een koper betekent dit dat processen, registraties en corrigerende maatregelen een controleerbaar kader volgen in plaats van afhankelijk te zijn van individuele werkwijzen.
Certificering ondersteunt een kwaliteitsproces, maar certificeert op zichzelf geen specifiek onderdeel. Validatie op onderdeelniveau en eventuele wettelijke indieningen die het apparaat vereist, blijven projectspecifiek en worden in het kader van het programma overeengekomen.
Veelgestelde vragen over TPU-spuitgieten
Tot welk vochtgehalte moet TPU gedroogd worden voordat het gevormd wordt?
De gepubliceerde streefwaarden variëren van minder dan ongeveer 0.02% tot minder dan 0.05% restvocht, afhankelijk van de herkomst en de kwaliteit. Het drogen gebeurt doorgaans bij ongeveer 110 °C in droge of circulerende lucht, waarbij sommige richtlijnen temperaturen tussen 80 en 110 °C aangeven, afhankelijk van de hardheid, en droogtijden van één tot drie uur. Het productinformatieblad is leidend. Zie de droogfase hierboven.
Kan TPU opnieuw worden vermalen en gevormd?
Ja, binnen bepaalde grenzen. Hergebruikt materiaal moet worden vermalen, gedroogd en direct opnieuw worden gebruikt, in verhoudingen tot 30% (zoals vaak wordt genoemd) en met dezelfde soort en hardheid als het nieuwe materiaal. Verontreinigd of aangetast materiaal is ongeschikt, herhaaldelijk recyclen vermindert de kwaliteit en specifieke eisen kunnen hergebruikt materiaal volledig uitsluiten.
Waarom vertonen TPU-onderdelen na het spuitgieten soms vormverlies?
Omdat de totale krimp de som is van de krimp tijdens het spuitgieten en de krimp na het spuitgieten, en deze krimp doorgaat tijdens het gloeien en langdurige opslag. Wanddikte, spuitgietontwerp en verwerkingsomstandigheden hebben hier allemaal invloed op, en de krimp na het spuitgieten is groter bij zachte materialen en dunne wanden. De krimp moet worden gevalideerd op de daadwerkelijke matrijs in plaats van te worden afgelezen van een enkele nominale waarde.
Is TPU geschikt voor onderdelen van medische apparaten?
Er bestaan TPU-kwaliteiten van medische kwaliteit die voldoen aan biocompatibiliteitsnormen zoals ISO 10993-1 en compatibel zijn met sterilisatie door ethyleenoxide, gammastraling, droge hitte, elektronenbundelsterilisatie en waterstofperoxide. De geschiktheid wordt bepaald door de specifieke kwaliteit, de toepassing en de regelgeving – niet alleen door de materiaalfamilie.
Hoe verhoudt TPU zich tot siliconen voor flexibele onderdelen?
TPU biedt een betere slijtvastheid, een hogere treksterkte en lagere kosten, met een gebruiksbereik van ongeveer -40 tot 120 °C. Siliconen bieden een veel breder bereik, ongeveer -60 tot 200 °C, en zijn geschikt voor implanteerbare toepassingen en toepassingen bij extreme temperaturen. De keuze hangt af van welke van deze verschillen het onderdeel daadwerkelijk nodig heeft.
Waardoor ontstaan zwarte vlekjes of brandplekken in TPU-vormstukken?
Dode plekken in het hete kanaal, de spuitmond of de afdichtingsvlakken waar materiaal zich ophoopt en verkoolt; oververhitting en een lange verblijftijd; en onvoldoende ontluchting waardoor perslucht het onderdeel kan verbranden. De oplossing is om dode plekken te elimineren, de ontluchting te controleren, na stilstand te spoelen en de smelttemperatuur en schroefsnelheid te controleren.
Kan TPU overgegoten worden op harde kunststoffen?
Ja, maar de hechting is afhankelijk van het substraat en de materiaalsoort. ABS en polycarbonaat hechten over het algemeen goed, het vochtgehalte van nylon beïnvloedt de hechtkwaliteit en polyolefinen zoals polypropyleen vereisen doorgaans aangepaste compounds of een oppervlaktebehandeling. Kwalificatie dient te gebeuren door middel van een afpeltest met productiebatches en parameters van de hars, gevolgd door een versnelde verouderingstest.
Hoe start ik een TPU-spuitgietproject met NOBLE?
Deel de onderdeeltekening of het 3D-model, de toepassingsvereisten (inschakelduur, temperatuur, blootstelling aan chemicaliën, wettelijke klasse), de gewenste hardheid en het volume, en eventuele wettelijke beperkingen, en dien vervolgens een offerteaanvraag in. NOBLE kan binnen 24 uur na ontvangst van de benodigde informatie een professionele offerte uitbrengen.
