WO2018206263A1 - Vorrichtung und verfahren zum 3d-druck eines werkstücks aus einem kautschukartigen nicht-thermoplastischen material - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum 3d-druck eines werkstücks aus einem kautschukartigen nicht-thermoplastischen material Download PDF

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WO2018206263A1
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extruder
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temperature
control unit
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Patric Scheungraber
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Definitions

  • the present invention describes an apparatus and method for SD printing a workpiece from a rubbery non-thermoplastic material, wherein a highly reproducible printing process and a high quality printed matter! can be obtained.
  • a print head and an extruder die for 3D printing is known, wherein a print head for use in an extruder for creating three-dimensional workpieces is used with an SD printing process.
  • the workpiece is built by applying a material, this material is solid at room temperature, is liquefied before application and solidifies again after cooling by cooling. It is thus the material is a thermoplastic material.
  • the printed material should have substantially constant material properties over a predetermined temperature range.
  • the apparatus for 3D printing a workpiece of a rubbery non-thermoplastic material may include an extruder having a material supply port and a nozzle. Furthermore, the device may include an actuator that communicates with the extruder. In addition, the apparatus may include a control unit for controlling the extruder and the actuator such that multiple layers of material may be applied to form a workpiece to be printed.
  • the extruder can be operated with different nozzles, wherein, for example, an automatic nozzle changer can be provided, so that depending on the printing task different nozzles with different borrowed forms and opening cross-sections can be automatically selected.
  • the components used for printing can be fed to the extruder separately via material supply ports, which are then mixed in the extruder.
  • a shear energy is supplied to the components, which can lead to heating of the components, which then can promote the further vulcanization process.
  • a radiant heater may be provided on the extruder, which may be movable with the extruder and may be controlled via the control unit.
  • the already printed material layer can be heated to promote self-vulcanization when applying the new material layer.
  • the radiant heating can also be arranged in a different component than the extruder, but it should be ensured that the slowest possible, gentle, extensive and deep heating of the already applied material layer is ensured immediately before the application of the next layer of material.
  • the extruder may have an internal temperature sensor for measuring the temperature of the rubbery material.
  • the internal temperature sensor may be arranged such that the temperature of the rubbery material flowing to and / or out of the nozzle can be measured. Furthermore, an outside temperature sensor can be provided which detects the temperature of a material layer already applied and heated by the radiant heater, and the control unit can control the heating device such that a setpoint temperature Tset of the already applied material layer is reached immediately before the application of the next material layer. Furthermore, a heater may be provided in the extruder to bring the exiting material to a predetermined temperature.
  • the material emerging from the nozzle can be optimally brought to the required temperature in order to self-vulcanize with the already optimally preheated already applied material after application a high quality workpiece can be achieved.
  • the crosslinking of the different material layers takes place chemically by vulcanization.
  • the long rubber molecules are split up in order to reduce the hardness of the rubber or make it more easily deformable. It is therefore advantageous to machine the rubber mechanically, for example, by means of the screw present in the extruder and to treat it chemically by means of appropriate decomposition means.
  • the temperature of the components involved is usually at room temperature, wherein the components in the extruder are heated by the shear energy, for example by the screw (as already mentioned above).
  • the material properties of the components and the mixing process are adjusted such that the material emerging from the nozzle has a predetermined viscosity.
  • the rubbery material may be a non-thermoplastic elastomer formed such that its viscosity substantially does not change in a temperature range of from 19 ° C (room temperature) to 120 ° C. This can be obtained a printed workpiece, which is very high quality.
  • the temperature of the already applied material layer can be brought to 30 to 60 ° C, preferably to 40 to 60 ° C by radiation heating immediately before applying the next layer of material. Furthermore, the material emerging from the nozzle may have a temperature of 60 to 80 ° C.
  • the first component can be natural rubber with 0-100 phr (parts per hundred rubber), styrene butadiene rubber with 0-100 phr, butadiene rubber with 0-50 phr, masticating agent 0-2 phr, process additive 0-30 phr, active filler with 0-50 phr, 0-50 phr inactive filler, 0-20 phr plasticizer, 0-2 phr processing aid, 0-5 phr aging inhibitor, 0-8 phr metal oxides, and / or 0.1-5 crosslinking reagent phr included.
  • the first component may contain natural rubber at 50-100 phr.
  • the first component may contain styrene butadiene rubber with 0-30 phr.
  • the first component may contain butadiene rubber with 0-30 phr.
  • the first component may contain process additive at 5-30 phr.
  • the first component may contain active filler with 0-20 phr.
  • the second component can be natural rubber with 0-100 phr, styrene butadiene rubber with 0-100 phr, butadiene rubber with 0-50 phr, masticating agent with 0-2 phr, process additive with 0-30 phr, active filler with 0-50 phr, inactive filler with 0-60 phr, 0-20 phr plasticizer, 0-2 phr processing aid, 0-5 phr aging inhibitor, 0-8 phr metal oxides, and / or 0.1-5 phr accelerator.
  • the second component may contain natural rubber at 50-100 phr.
  • the second component may contain styrene butadiene rubber with 0-30 phr.
  • the second component butadiene rubber with 0-30 phr contain.
  • the second component may contain process additive with 5-30 phr, containing active filler with 0-20 phr.
  • the second component may contain inactive filler at 20-60 phr.
  • Possible and preferred physical properties of the workpiece may include, for example, a density in g / cm 3 of 0.9 to 1.4, a tensile strength S2 rod in N / mm 2 of 9 to 24, an elongation at break S2 rod in% of 200 to 700, a Shore A hardness of 35 to 85, abrasion in mm 3 of 50 to 350, and / or a resilience in% of 20 to 60.
  • the aforementioned preferred physical properties can be achieved by the starting components (the first and second components), the corresponding mixing operation and / or the printing application process.
  • the respective temperatures as mentioned above, may be of importance.
  • the control unit may be arranged to control the extruder such that the material exits at a predetermined mass flow rate of 1 to 2 kg / h for a fine nozzle and 10 to 20 kg / h for a coarse nozzle.
  • a fine nozzle can be specified by having its cross section in the range of 1-5 mm.
  • a coarse nozzle can be specified by having a cross section in the range of 10-20 mm.
  • a method of 3D printing a workpiece from a rubbery non-thermoplastic material using the aforementioned apparatus can be realized in the present invention.
  • the first component for example, sulfur is provided as crosslinker, and in the second component an accelerator. Separately, both components can be stored for an extremely long time. However, should it be necessary to mix all of the recipe ingredients (the first and second components), then shelf life would be one to two days, for example.
  • the vulcanization or the chemical reaction of the two components and also the already applied material layers and the newly applied material layer can be done for example at room temperature or only at a slightly elevated temperature.
  • the temperature of the contact surface between the already applied material and the newly newly applied material will preferably be in a range between 30 to 80 ° C.
  • This temperature range can result from the fact that the temperature of the already applied material layer, for example, at 30 to 60 ° C, preferably at 40 to 60 0 C, is or is brought, and the temperature of the material emerging from the nozzle a Tsoll of example 60th to 80 ° C has.
  • the components or component components used are optimally selected and adjusted such that an optimized self-vulcanization can take place at the abovementioned temperatures.
  • the figure shows an example of a device according to the invention in a schematic representation.
  • An extruder 1 has a component supply port 2.
  • the component supply port may include a port for a first component 13 and a port for a second component 14. These two components 13, 14 can be mixed in the extruder 1 via a screw, not shown, or it is fed to both components 13, 14, a corresponding shear energy.
  • an internal temperature sensor 10 may be provided. This internal temperature sensor 10 may be arranged such that the temperature of the rubber-like material flowing to the nozzle and / or emerging from the nozzle is measured.
  • the position of the internal temperature sensor shown in the figure can also be chosen differently, for example in the flow direction shortly before a nozzle 3 or possibly even at or in the nozzle 3.
  • a heater 12 may be provided, which is also shown only schematically. This heater 12 may be provided, for example, on an inner wall of the extruder. But it is also possible to heat the screw, not shown, in which case the heater 12 would be provided on or in the worm.
  • a radiant heater 9 can be provided, which is provided in such a way that, for example, an IR (infrared radiation) is aligned in the direction of an already applied material layer 6.
  • the already applied material layer 6 can be oriented. be brought directly to the appropriate temperature before applying a next layer of material 7 in order to achieve the desired chemical reaction (self-vulcanization).
  • the workpiece to be printed can have the desired high quality.
  • an outside temperature sensor 11 may be provided, which can detect the temperature of the already applied material layer 6, for example via a laser measuring principle.
  • the radiation heater 9 can then be controlled by a control unit 5 in such a way that the desired temperature of the already applied material layer 6 is set directly before the application of the next material layer 7.
  • the control unit 5 can also control an actuator 4 in such a way that the extruder is moved at the desired speed in the feed direction (for example, to the left in the figure). Furthermore, the control unit can control the actuator 4 in such a way that a three and / or four and / or five-fold movement is carried out by the extruder 1.
  • control unit 5 can control a nozzle changer (not shown) which, during the 3D printing, connects different nozzles 3, for example, from a nozzle magazine (not shown) to the extruder or to an outlet opening (not shown) of the extruder 1 to realize different requirements for 3D printing.
  • the control unit 5 can set the mixing process and / or the material application via the screw not shown, the movement of the actuator 4, the heater 12, the radiant heater 9 and / or the speed of the extruder screw (not shown) such that a workpiece 8 the required Has properties (such as the aforementioned).
  • a 3D printing can be carried out which particularly advantageously permits low-temperature self-vulcanization of the applied material layers. Furthermore, by using a non-thermoplastic rubber-like material, it is possible to achieve a very high workpiece quality, the material properties of which remain constant over a wide temperature range.

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Abstract

Vorrichtung und Verfahren zum 3D-Druck eines Werkstücks aus einem kautschukartigen nicht-thermoplastischen Material, mit einem Extruder (1), der einen Komponentenzufuhranschluss (2) und eine Düse (3) aufweist, einem Aktuator (4), der mit dem Extruder (1) in Verbindung steht, und einer Steuereinheit (5) zum Steuern des Extruders (1) und des Aktuators (4) derart, dass mehrere Materialschichten (6, 7) zum Formen eines zu druckenden Werkstücks (8) aufgebracht werden.

Description

Vorrichtung und Verfahren zum 3D-Druck eines Werkstücks aus einem kautschukartigen nicht-thermoplastischen Material
Die vorliegende Erfindung beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zum SD- Druck eines Werkstücks aus einem kautschukartigen nicht-thermoplastischen Material, wobei ein hochgradig reproduzierbarer Druckvorgang und ein qualitativ hochwertiges gedrucktes Materia! erhalten werden kann. Aus der DE 10 2015 103 377 AI ist beispielsweise ein Druckkopf und eine Extruderdüse für den 3D-Druck bekannt, wobei ein Druckkopf zur Verwendung in einem Extruder zur Erstellung dreidimensionaler Werkstücke mit einem SD-Druck-Verfahren verwendet wird. Bei diesem Verfahren wird das Werkstück durch Auftragen eines Werkstoffs aufgebaut, wobei dieser Werkstoff bei Raumtemperatur fest ist, vor dem Auftragen verflüssigt wird und nach dem Auftragen wieder durch Abkühlung erstarrt. Es handelt sich somit bei dem Werkstoff um ein thermoplastisches Material.
Derartige Materialien haben jedoch den Nachteil, dass diese nicht temperaturbe- ständig sind und sich zudem die Materialeigenschaften mit sich verändernder Temperatur ebenfalls ändern. Dies trifft beispielsweise für die Viskosität zu, die sich überhalb des Schmelzpunkts deutlich verringert.
Infolgedessen kann bei dem Endprodukt nicht gewährleistet werden, dass die Ma- terialeigenschaften über einen weiten Temperaturbereich bei sich ändernden Umgebungsbedingungen konstant bleiben.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum 3D-Druck eines Werkstücks aus einem kautschukartigen nicht-thermoplastischen Material zu schaffen, die einen hochgradig produzierbaren Druckvorgang eines qualitativ hoch- wertigen gedruckten Materials realisieren. Insbesondere soll das gedruckte Material im Wesentlichen konstante Materialeigenschaften über einen vorgegebenen Temperaturbereich aufweisen. Die Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Die abhängigen Patentansprüche betreffen vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterentwicklungen der Erfindung.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum 3D-Druck eines Werkstücks, aus einem kautschukartigen nicht-thermoplastischen Material kann einen Extruder, der einen Materialzufuhranschluss und eine Düse aufweist, enthalten. Weiterhin kann die Vorrichtung einen Aktuator enthalten, der mit dem Extruder in Verbindung steht. Darüber hinaus kann die Vorrichtung eine Steuereinheit zum Steuern des Extruders und des Aktuators derart enthalten, dass mehrere Materialschichten zum Formen eines zu druckenden Werkstücks aufgebracht werden können.
Der Extruder kann mit verschiedenen Düsen betrieben werden, wobei beispielsweise auch ein automatischer Düsenwechsler vorgesehen sein kann, so dass abhängig von der Druckaufgabe automatisch unterschiedliche Düsen mit unterschied- liehen Formen und Öffnungsquerschnitten ausgewählt werden können.
Die zum Drucken verwendeten Komponenten können dem Extruder getrennt über Materialzufuhranschlüsse zugeführt werden, wobei diese dann im Extruder gemischt werden. Beim Mischen über beispielsweise eine Schnecke wird den Kompo- nenten eine Scherenergie zugeführt, was zu einer Erwärmung der Komponenten führen kann, wobei dies dann den weiteren Vulkanisationsprozess fördern kann.
Nach dem Aufbringen von Material auf eine schon aufgebrachte Materialschicht kommt es aufgrund der Materialeigenschaften und der Temperatur der schon auf- gebrachten Materialschicht zu einer Selbstvulkanisation, wobei ein qualitativ hochwertiges gedrucktes Werkstück mit hochgradig reproduzierbaren Materialeigenschaften erhalten werden kann. An dem Extruder kann eine Strahlungsheizung vorgesehen sein, die mit dem Extruder bewegbar sein kann und über die Steuereinheit gesteuert werden kann. Dadurch kann die schon gedruckte Materialschicht angewärmt werden, um beim Aufbringen der neuen Materialschicht die Selbstvulkanisation zu fördern. Die Strahlungsheizung kann auch in einem anderen Bauteil als dem Extruder angeordnet sein, wobei jedoch sichergestellt werden sollte, dass eine möglichst langsame, sanfte, großflächige und tiefgehende Erwärmung der schon aufgebrachten Materialschicht unmittelbar vor dem Aufbringen der nächsten Materialschicht sichergestellt ist. Weiter kann der Extruder einen Innentemperatursensor zur Messung der Temperatur des kautschukartigen Materials aufweisen. Der Innentemperatursensor kann derart angeordnet sein, dass die Temperatur des zur Düse strömenden und/oder aus der Düse austretenden kautschukartigen Materials gemessen werden kann. Weiterhin kann ein Außentemperatursensor vorgesehen sein, der die Temperatur einer schon aufgebrachten und von der Strahlungsheizung erwärmten Materialschicht erfasst, und die Steuereinheit kann die Heizeinrichtung derart ansteuern, dass eine Solltemperatur Tsoll der schon aufgebrachten Materialschicht unmittelbar vor dem Aufbringen der nächsten Materialschicht erreicht wird. Weiterhin kann eine Heizeinrichtung in dem Extruder vorgesehen sein, um das austretende Material auf eine vorbestimmte Temperatur zu bringen.
Durch beispielsweise die vorgenannten Maßnahmen kann das aus der Düse austretende Material in seinen Eigenschaften optimal auf die erforderliche Temperatur gebracht werden, um mit dem ebenfalls optimal vorgewärmten schon aufgebrach- ten Material nach dem Aufbringen eine Selbstvulkanisation derart einzugehen, dass ein qualitativ hochwertiges Werkstück erzielt werden kann. Die Vernetzung der unterschiedlichen Materialschichten erfolgt chemisch durch Vulkanisation. Bei einer derartigen Behandlung bzw. dem Abbau von Kautschuk erfolgt beispielsweise ein Aufspalten der langen Kautschukmoleküle, um die Härte des Kautschuks herabzu- setzen bzw. diesen leichter verformbar zu machen. Daher ist es vorteilhaft, den Kautschuk beispielsweise durch die im Extruder vorhandene Schnecke mechanisch zu bearbeiten und durch entsprechende Abbaumittel chemisch zu behandeln.
Die Temperatur der beteiligten Komponenten liegt im Regelfall bei Raumtempera- tur, wobei die Komponenten im Extruder durch die Scherenergie, beispielsweise durch die Schnecke, erwärmt werden (wie voranstehend schon erwähnt).
Die Materialeigenschaften der Komponenten sowie der Mischvorgang werden derart eingestellt, dass das aus der Düse austretende Material eine vorbestimmte Vis- kosität aufweist. Diese Viskosität kann zwischen 20 und 70 ME (ML1+4@100°C), bevorzugt zwischen 30 und 40 ME, liegen (ME = Mooney-einheit).
Das kautschukartige Material kann ein nicht-thermoplastisches Elastomer sein, das derart ausgebildet ist, dass sich dessen Viskosität in einem Temperaturbereich von 19 °C (Raumtemperatur) bis 120°C im Wesentlichen nicht ändert. Dadurch kann ein gedrucktes Werkstück erhalten werden, welches qualitativ sehr hochwertig ist.
Die Temperatur der schon aufgebrachten Materialschicht kann durch Strahlungsheizung unmittelbar vor dem Aufbringen der nächsten Materialschicht auf 30 bis 60 °C, bevorzugt auf 40 bis 60 °C, gebracht werden. Weiterhin kann das aus der Düse austretende Material eine Temperatur von 60 bis 80 °C aufweisen.
Durch die vorgenannten Temperaturen kann der Beginn einer optimalen Selbstvulkanisation des Materials in einem ausreichend kurzen Zeitintervall von beispiels- weise 2 bis 3 Minuten erzielt werden. Dadurch ist es möglich, relativ zügig die nächsten Materialschichten aufzubringen, ohne dass ein Fließen bzw. Wegströmen des neu aufgebrachten bzw. des schon aufgebrachten Materials zu befürchten ist. Es wird darauf geachtet, dass die Viskosität des Gemisches ebenfalls derart eingestellt ist, dass dieses beim Aushärten bzw. bei der Selbstvulkanisation nicht fließt bzw. wegströmt. Dadurch können auch filigrane Formen mit entsprechenden Überhän- gen gebildet werden.
Die erste Komponente kann Naturkautschuk mit 0-100 phr (parts per hundred rub- ber), Styrolbutadienkautschuk mit 0-100 phr, Butadienkautschuk mit 0-50 phr, Mastikationshilfsmittel mit 0-2 phr, Prozessadditiv mit 0-30 phr, aktiven Füllstoff mit 0-50 phr, inaktiven Füllstoff mit 0-50 phr, Weichmacher mit 0-20 phr, Verarbeitungshilfsmittel mit 0-2 phr, Alterungsschutzmittel mit 0-5 phr, Metalloxide mit 0-8 phr und/oder Vernetzungsreagenz mit 0,1-5 phr enthalten.
Bevorzugt kann die erste Komponente Naturkautschuk mit 50-100 phr enthalten. Bevorzugt kann die erste Komponente Styrolbutadienkautschuk mit 0-30 phr enthalten. Bevorzugt kann die erste Komponente Butadienkautschuk mit 0-30 phr enthalten. Bevorzugt kann die erste Komponente Prozessadditiv mit 5-30 phr enthalten. Bevorzugt kann die erste Komponente aktiven Füllstoff mit 0-20 phr enthalten. Die zweite Komponente kann Naturkautschuk mit 0-100 phr, Styrolbutadienkautschuk mit 0-100 phr, Butadienkautschuk mit 0-50 phr, Mastikationshilfsmittel mit 0-2 phr, Prozessadditiv mit 0-30 phr, aktiven Füllstoff mit 0-50 phr, inaktiven Füllstoff mit 0-60 phr, Weichmacher mit 0-20 phr, Verarbeitungshilfsmittel mit 0-2 phr, Alterungsschutzmittel mit 0-5 phr, Metalloxide mit 0-8 phr und/oder Beschleuniger mit 0,1-5 phr enthalten.
Bevorzugt kann die zweite Komponente Naturkautschuk mit 50-100 phr enthalten. Bevorzugt kann die zweite Komponente Styrolbutadienkautschuk mit 0-30 phr enthalten. Bevorzugt kann die zweite Komponente Butadienkautschuk mit 0-30 phr enthalten. Bevorzugt kann die zweite Komponente Prozessadditiv mit 5-30 phr enthalten, aktiven Füllstoff mit 0-20 phr enthalten. Bevorzugt kann die zweite Komponente inaktiven Füllstoff mit 20-60 phr enthalten. Durch die vorgenannte Auswahl der Komponenten können die vorgenannten positiven Eigenschaften des Werkstücks erzielt werden. Insbesondere kann dadurch eine optimal auf das Werkstück angepasste Viskosität erzielt werden, es können optimierte Bearbeitungszeiten erreicht werden und die gewünschte in kurzer Zeit ablaufende und qualitativ hochwertige Selbstvulkanisation kann in optimaler Weise erreicht werden.
Mögliche und bevorzugte physikalische Eigenschaften des Werkstücks können beispielsweise eine Dichte in g/cm3 von 0,9 bis 1,4, eine Reißfestigkeit-S2-Stab in N/mm2 von 9 bis 24, eine Reißdehnung-S2-Stab in % von 200 bis 700, eine Härte in Shore A von 35 bis 85, ein Abrieb in mm3 von 50 bis 350 und/oder eine Rückprallelastizität in % von 20 bis 60 sein.
Die vorgenannten bevorzugten physikalischen Eigenschaften können durch die Ausgangskomponenten (die erste und die zweite Komponente), den entsprechenden Mischvorgang und/oder den Aufbringvorgang beim Drucken erreicht werden. Hierbei können auch insbesondere die jeweiligen Temperaturen, wie vorstehend erwähnt, von Bedeutung sein.
Die Steuereinheit kann derart eingerichtet sein, dass diese den Extruder derart an- steuert, dass das Material mit einem vorbestimmten Massenstrom von 1 bis 2 kg/h bei einer feinen Düse und von 10 bis 20 kg/h bei einer groben Düse austritt. Eine feine Düse kann dadurch spezifiziert werden, dass deren Querschnitt im Bereich von 1-5 mm liegt. Eine grobe Düse kann dadurch spezifiziert werden, dass deren Querschnitt im Bereich von 10-20 mm liegt. Weiterhin kann ein Verfahren zum 3D-Druck eines Werkstücks aus einem kautschukartigen nicht-thermoplastischen Material unter Verwendung der vorgenannten Vorrichtung erfindungsgemäß realisiert werden. Wie vorstehend schon erwähnt, ist es möglich, das zum Drucken vorgesehene Material vor dem Drucken in zwei Komponenten zu trennen bzw. getrennt zu lagern. In der ersten Komponente ist beispielsweise Schwefel als Vernetzer vorgesehen, und in der zweiten Komponente ein Beschleuniger. Getrennt voneinander können beide Komponenten extrem lange gelagert werden. Sollte es jedoch erforderlich sein, alle Rezepturbestandteile (die erste und die zweite Komponente) in eine Mischung zu geben, dann wäre die Lagerfähigkeit beispielsweise ein bis zwei Tage.
Da der Start der Vulkanisation der beiden Komponenten beginnt, sobald die Komponenten vermischt werden, ist es für die Qualität des Werkstücks von großer Be- deutung, dass die vorgenannten Randbedingungen erfüllt werden. Die Vulkanisation bzw. die chemische Reaktion der beiden Komponenten und auch der schon aufgebrachten Materialschichten und der neu aufgebrachten Materialschicht können beispielsweise bei Raumtemperatur oder nur bei einer etwas erhöhten Temperatur erfolgen. Wie vorstehend erwähnt, wird sich die Temperatur der Kontaktfläche zwischen dem schon aufgebrachten Material und dem gerade neu aufgebrachten Material bevorzugt in einem Bereich zwischen 30 bis 80 °C einstellen. Dieser Temperaturbereich kann sich daraus ergeben, dass die Temperatur der schon aufgebrachten Materialschicht beispielsweise bei 30 bis 60 °C, bevorzugt bei 40 bis 600 C, liegt bzw. gebracht wird, und die Temperatur des aus der Düse austretenden Materials ein Tsoll von beispielsweise 60 bis 80 °C aufweist.
Die eingesetzten Komponenten bzw. Komponentenbestandteile werden in optimaler Weise derart ausgewählt und eingestellt, dass bei den vorgenannten Temperaturen eine optimierte Selbstvulkanisation stattfinden kann. Es ist insbesondere nicht notwendig, mit stark erhöhten Temperaturen zu arbeiten, nämlich wie üblich mit Temperaturen von über 100°C.
Figur
Die Figur zeigt ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer schematischen Darstellung.
Ein Extruder 1 weist einen Komponentenzufuhranschluss 2 auf. Der Komponenten- zufuhranschluss kann einen Anschluss für eine erste Komponente 13 und einen Anschluss für eine zweite Komponente 14 aufweisen. Diese beiden Komponenten 13, 14 können in dem Extruder 1 über eine nicht dargestellte Schnecke gemischt werden bzw. es wird beiden Komponenten 13, 14 eine entsprechende Scherenergie zugeführt.
Zur Erfassung einer Temperatur innerhalb des Extruders kann ein Innentemperatur- sensor 10 vorgesehen sein. Dieser Innentemperatursensor 10 kann derart ange- ordnet sein, dass die Temperatur des zur Düse strömenden und/oder aus der Düse austretenden kautschukartigen Materials gemessen wird. Die in der Figur dargestellte Position des Innentemperatursensors kann auch anders gewählt werden, beispielsweise in Strömungsrichtung kurz vor einer Düse 3 bzw. eventuell sogar an oder in der Düse 3.
Weiterhin kann eine Heizeinrichtung 12 vorgesehen sein, die ebenfalls nur schematisch dargestellt ist. Diese Heizeinrichtung 12 kann beispielsweise an einer Innenwand des Extruders vorgesehen sein. Es ist aber auch möglich, die nicht dargestellte Schnecke zu beheizen, wobei dann die Heizeinrichtung 12 an bzw. in der Schnecke vorgesehen werden würde.
In Verbindung mit dem Extruder 1 stehend, kann eine Strahlungsheizung 9 vorgesehen sein, die derart vorgesehen ist, dass beispielsweise eine IR (Infrarotstrahlung in Richtung auf eine schon aufgebrachte Materialschicht 6 ausgerichtet wird. Durch diese Strahlungsheizung kann die schon aufgebrachte Materialschicht 6 di- rekt vor dem Aufbringen einer nächsten Materialschicht 7 auf die geeignete Temperatur gebracht werden, um die gewünschte chemische Reaktion (Selbstvulkanisation) zu erzielen. Dadurch kann das zu druckende Werkstück die gewünschte hohe Qualität aufweisen.
Zur Überprüfung der Vorwärmtemperatur der schon aufgebrachten Materialschicht 6 kann ein Außentemperatursensor 11 vorgesehen sein, der beispielsweise über ein Lasermessprinzip die Temperatur der schon aufgebrachten Materialschicht 6 erfassen kann. Über eine Steuereinheit 5 kann dann mittels der erfassten Tempe- ratur durch den Außentemperatursensor 11 die Strahlungsheizung 9 derart angesteuert werden, dass die gewünschte Temperatur der schon aufgebrachten Materialschicht 6 direkt vor dem Aufbringen der nächsten Materialschicht 7 eingestellt wird. Die Steuereinheit 5 kann zudem einen Aktuator 4 derart ansteuern, dass der Extruder mit der gewünschten Geschwindigkeit in Vorschubrichtung (in der Figur beispielsweise nach links) bewegt wird. Weiterhin kann die Steuereinheit den Aktuator 4 derart ansteuern, dass eine Drei- und/oder Vier- und/oder Fünfachsbewegung von dem Extruder 1 ausgeführt wird. Weiterhin kann die Steuereinheit 5 einen Dü- senwechsler ansteuern (nicht dargestellt), der während des 3D-Drucks unterschiedliche Düsen 3 beispielsweise aus einem Düsenmagazin (nicht dargestellt) an den Extruder bzw. an eine Auslassöffnung (nicht dargestellt) des Extruders 1 anschließt, um unterschiedliche Anforderungen beim 3D-Drucken zu realisieren. Die Steuereinheit 5 kann den Mischvorgang und/oder die Materialaufbringung über die nicht dargestellte Schnecke, die Bewegung des Aktuators 4, die Heizeinrichtung 12, die Strahlungsheizung 9 und/oder die Drehzahl der Extruderschnecke (nicht dargestellt) derart einstellen, dass ein Werkstück 8 die geforderten Eigenschaften aufweist (wie beispielsweise vorgenannt). Zusammenfassend kann mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung, dem erfindungsgemäßen Verfahren und den speziellen Kautschukmischungen ein 3D-Druck durchgeführt werden, der besonders vorteilhaft eine Niedertemperaturselbstvulkanisation der aufgebrachten Materialschichten erlaubt. Weiterhin kann durch den Einsatz eines nicht-thermoplastischen kautschukartigen Materials eine sehr hohe Werkstückqualität erzielt werden, dessen Materialeigenschaften über einen weiten Temperaturbereich konstant bleiben.

Claims

Patentansprüche
Vorrichtung zum 3D-Druck eines Werkstücks aus einem kautschukartigen nicht-thermoplastischen Material, mit
einem Extruder (1), der einen Komponentenzufuhranschluss
(2) und eine Düse
(3) aufweist,
einem Aktuator(4), der mit dem Extruder(l) in Verbindung steht, einer Steuereinheit (5) zum Steuern des Extruders (1) und des Aktuators
(4) derart, dass mehrere Materialschichten (6,7) zum Formen eines zu druckenden Werkstücks (8) aufgebracht werden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine Strahlungsheizung (9) vorgesehen ist, die mit dem Extruder (1) bewegbar ist und über die Steuereinheit gesteuert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Extruder (1) einen Innentem- peratursensor (10) zur Messung der Temperatur des kautschukartigen Materials aufweist.
Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1 - 3, wobei der Innentem- peratursensor (10) derart angeordnet ist, dass die Temperatur des zur Düse (3) strömenden und/oder aus der Düse (3) austretenden kautschukartigen Materials gemessen wird.
Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1 - 4, wobei ein Außentemperatursensor (11) vorgesehen ist, der die Temperatur einer schon aufgebrachten und von der Strahlungsheizung (9) erwärmten Materialschicht (6) erfasst und die Steuereinheit
(5) die Heizeinrichtung (9) derart ansteuert, dass eine Solltemperatur Tsoll der schon aufgebrachten Materialschicht (6) erreicht wird.
6. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1 - 5, wobei die Steuereinheit (5) den Extruder (1) derart ansteuert, dass das aus der Düse (3) austretende Material eine vorbestimmte Viskosität aufweist.
7. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1 - 6, wobei die Steuereinheit (5) über eine Drehzahl der Extruderschnecke des Extruders (1), eine in das Material eingebrachte Scherenergie derart steuert, dass das aus der Düse (3) austretende Material eine vorbestimmte Viskosität aufweist.
8. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1 - 7, wobei der Extruder (1) eine Heizeinrichtung (12) aufweist, die über die Steuereinheit (5) ansteuerbar ist und das aus der Düse (3) austretende Material auf eine vorbestimmte Temperatur bringt.
9. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1 - 8, wobei die Viskosität des aus der Düse (3) austretenden Materials zwischen 20 und 70 ME
(ML1+4@100°C), bevorzugt zwischen 30 und 40 ME liegt
(ME=Mooneyeinheit).
10. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1 - 9, wobei das kautschukartige Material ein Elastomer (nicht-thermoplastisch) ist und derart ausgebildet ist, dass sich dessen Viskosität in einem Temperaturbereich von 19 °C (Raumtemperatur) bis 120 °C im Wesentlichen nicht ändert.
11. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1 - 10, wobei die Temperatur der schon aufgebrachten Materialschicht (6) durch die Strahlungsheizung (9) unmittelbar vor dem Aufbringen der nächsten Materialschicht (7) auf 30 - 60 °C, bevorzugt auf 40-60 °C gebracht wird.
12. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1 - 11, wobei die Temperatur des aus der Düse (3) austretenden Materials ein Tsoll von 60 - 80° C aufweist. 13. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1 - 12, wobei das Material aus zwei Komponenten besteht, die über den Materialzufuhranschluss (2) zugeführt werden, wobei die Komponenten schon vor dem Zuführen gemischt werden oder erst nach dem Zuführen in dem Extruder (1). 14. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1 - 13, wobei eine erste
Komponente (13) Naturkautschuk mit 0-100 phr (parts per hundred rubber), Styrolbutadienkautschuk mit 0-100 phr, Butadienkautschuk mit 0-50 phr, Mastikationshilfsmittel mit 0-2 phr, Prozessadditiv mit 0-30 phr, aktiven Füllstoff mit 0-50 phr, inaktiver Füllstoff mit 0-50 phr, Weichmacher mit 0-20 phr, Verarbeitungshilfsmittel mit 0-2 phr, Alterungsschutzmittel mit 0-5 phr,
Metalloxide mit 0-8 phr und/oder Vernetzungsreagenz mit 0,1-5 phr enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei die erste Komponente (13) bevorzugt Naturkautschuk mit 50-100 phr, Styrolbutadienkautschuk mit 0-30 phr, Butadienkautschuk mit 0-30 phr, Prozessadditiv mit 5-30 phr und/oder aktiven Füllstoff mit 0-20 phr enthält.
Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1 - 15, wobei eine zweite Komponente (14) Naturkautschuk mit 0-100 phr, Styrolbutadienkautschuk mit 0-100 phr, Butadienkautschuk mit 0-50 phr, Mastikationshilfsmittel mit 0-2 phr, Prozessadditiv mit 0-30 phr, aktiven Füllstoff mit 0-50 phr, inaktiver Füllstoff mit 0-50 phr, Weichmacher mit 0-20 phr, Verarbeitungshilfsmittel mit 0-2 phr, Alterungsschutzmittel mit 0-5 phr, Metalloxide mit 0-8 phr und/oder Beschleuniger mit 0,1-5 phr enthält.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei die zweite Komponente (14) bevorzugt Naturkautschuk mit 50-100 phr, Styrolbutadienkautschuk mit 0-30 phr, Butadienkautschuk mit 0-30 phr, Prozessadditiv mit 5-30 phr, aktiven Füllstoff mit 0-20 phr, und/oder inaktiven Füllstoff mit 20-60 phr enthält.
18. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1 - 17, wobei die Steuereinheit (5) den Extruder (1), die Extruderschnecke, die Strahlungsheizung (9), die Heizeinrichtung (12) und/oder den Aktuator (4) derart ansteuert, dass das Werkstück (8) eine Dichte von 0,9-l,4g/cm3, eine Reißfestigkeit - S2- Stab von 9-24N/mm2, eine Reißdehnung von 200-700%, eine Härte von 35- 85Shore A, einen Abrieb von 50-350mm3 und/oder eine Rückparallelelastizität von 20-60% aufweist.
19. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1 - 18, wobei die Steuereinheit (5) den Extruder (1) derart ansteuert, dass das Material mit einem vorbestimmten Massenstrom von 1-2 kg/h bei einer feinen Düse (3) und von 10-20kg h bei einer groben Düse (3) austritt, wobei der Querschnitt der feinen Düse (3) im Bereich von 1-5 mm und der großen Düse (3) im Bereich von 10-20 mm liegt.
20. Verfahren zum 3D-Druck eines Werkstücks aus einem kautschukartigen, nicht-thermoplastischen Material unter Verwendung einer Vorrichtung gemäß zumindest einem der Ansprüche 1 - 19.
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