Additive Manufacturing and Vulcanization of Natural and Synthetic Rubbers

Abstract

Die additive Fertigung von Thermoplasten und Metallen ist ein nachhaltiges und in der Industrie zur schnellen Herstellung von individuellen technischen Bauteilen bewährtes Verfahren. Lange Zeit war diese Technologie für die Werkstoffgruppe der Elastomere nicht oder nur eingeschränkt in Form von Thermoplastischen Elastomeren oder Silikonkautschuken zugänglich. Durch die Entwicklung des Additive Manufacturing of Elastomers (AME)-Verfahrens ist nun auch die additive Fertigung von hochviskosen Kautschuken möglich. Besonders in der technischen Logistik können zukünftig additiv gefertigte Kautschukbauteile Einsatz finden. Einerseits ist die Bereitstellung von Ersatzteilen wie Dichtungs- und Dämpferelementen möglich, aber auch die Fertigung individueller Geometrien für Greifer in der Handhabungstechnik. Zur additiven Fertigung von Kautschuk wurde ein industrieller 3D-Drucker um einen Zweischneckenextruder erweitert, der Kautschukfilament verarbeiten und ähnlich zum thermoplastischen Fused Filament Fabrication (FFF)-Verfahren strangförmig auf eine Druckplatte auftragen kann. Der Einsatz eines Schneckenextruders ist notwendig, da die Viskosität des Kautschuks nicht ausreichend durch Erwärmung abnimmt und somit eine Führung des Filaments durch konventionelle Druckköpfe für thermoplastische Filamente nicht möglich ist. Das AME-Verfahren ist ein zweistufiges Fertigungsverfahren. Zuerst werden die Bauteile additiv gefertigt, anschließend folgt die Vulkanisation in einem Hochdruckautoklav oder Wärmeschrank. Hierbei ist besonders die Einzelteilfertigung eine Herausforderung, da die Vulkanisationszeit abhängig von der Kautschukmischung und der Bauteilgeometrie ist. Um keinen Ausschuss zu produzieren ist es daher notwendig die optimale Vulkanisationszeit vor der Vulkanisation zu kennen. Hierfür wurde eine Simulation, die den Vernetzungsgrad im Bauteil in Abhängigkeit von der Vulkanisationstemperatur und -zeit ausgibt, entwickelt und validiert.