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Proceedings

Additive Manufacturing and Vulcanization of Natural and Synthetic Rubbers

Additive Fertigung und Vulkanisation von Natur- und Synthesekautschuken

  1. M. Sc. Sebastian Leineweber Institut für Transport- und Automatisierungstechnik, Leibniz Universität Hannover
  2. M. Sc. Birger Reitz Institut für Transport- und Automatisierungstechnik, Leibniz Universität Hannover
  3. Prof. Dr.-Ing. Ludger Overmeyer Institut fuer Transport- und Automatisierungstechnik, Leibniz Universität Hannover
  4. M. Sc. Lion Sundermann Deutsches Institut für Kautschuktechnologie e.V., Hannover
  5. Dr.-Ing. Benjamin Klie Deutsches Institut für Kautschuktechnologie e.V., Hannover
  6. Prof. Dr. Ulrich Giese Deutsches Institut für Kautschuktechnologie e.V., Hannover

Abstracts

Additive manufacturing of thermoplastics and metals is a sustainable and established process in industry for the rapid production of individual technical components. For a long time, this technology was not accessible for the group of elastomers, or only to a limited extent in the form of thermoplastic elastomers or silicone rubbers. The development of the Additive Manufacturing of Elastomers (AME)-process has enabled the additive manufacturing of high viscosity rubbers. In future, additively manufactured rubber components may be used in technical logistics in particular. On the one hand, the supply of spare parts such as sealing and damping elements is possible, and on the other hand, the production of individual geometries for grippers in handling technology. For the additive manufacturing of rubber, an industrial 3D-printer was modified by a twin screw extruder, which can process rubber filament and deposit it on a printing plate in strand form, similar to the thermoplastic Fused Filament Fabrication (FFF)-process. The use of a screw extruder is necessary because the viscosity of the rubber does not decrease sufficiently with heating, making it impossible to guide the filament through conventional print heads for thermoplastic filaments. The AME-process is a two-step manufacturing process. First, the components are additively manufactured, followed by vulcanization in a high-pressure autoclave or heating oven. Single-part production is a particular challenge in this case, as the vulcanization time depends on the rubber compound and the component geometry. In order to avoid waste, it is therefore necessary to know the optimum vulcanization time before vulcanization. For this purpose, a simulation was developed and validated that outputs the degree of crosslinking in the component as a function of the vulcanization temperature and time.

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.

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