Elastomer

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Fertigungsverfahren zur Herstellung eines Form körpers gemäß den Merkmalen von Anspruch 1.

Stand der Technik

Die Extrusion, das Dosieren und das Spritzgießen von Elastomerformmassen werden in der Industrie standardmäßig eingesetzt, z.B. zur Herstellung von Dichtungen und Membranen. In Extrudern aufbereitetes Elastomer wird mittels Düsen in Spritzgussformen eingebracht. Dabei kommen kleine Düsen mit mitt leren Kanaldurchmessern von 1 -5 mm zum Einsatz. Der Druckverlust innerhalb der Düse ist stark von der Düsengeometrie und dem Durchsatz, sowie von der Materialviskosität abhängig.

Es ist auch allgemein bekannt und zunehmend verbreitet unterschiedlichste Materialien im sogenannten 3D-Druck zu verarbeiten und in einem additiven Fertigungsverfahren Produkte zu fertigen. So ist eine Anlage zum schicht weisen Aufbau von Produkten aus thermoplastischen Materialien in additiver Fertigung bekannt. Eine solche Anlage ist beispielsweise beschrieben in der DE 10 2009 030 099 A1 , der EP 1 886 793 B1 und der EP 2 782 742 81 B1. Aufgabenstellung

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ein Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers zu beschreiben durch welches Formkörper aus nicht

thermoplastischem Elastomermaterial hergestellt werden können. Weitere Auf gabe ist es, dass durch das Verfahren auch Formkörper mit besonders feinen Strukturen hochgenau gefertigt werden können.

Technische Lösung

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Fertigungsverfahren zur Herstellung eines Formkörpers mit den Merkmalen von Anspruch 1.

Erfindungsgemäß wurde als vorteilhaft erkannt nicht-thermoplastisches Elastomermaterial in einem additiven Fertigungsverfahren zu verarbeiten und dabei Formkörper herzustellen.

Das erfindungsgemäße Verfahren dient als additives Fertigungsverfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Formkörpers aus nicht-thermoplastischem Elastomermaterial aus mindestens einer Schicht. Bei dem Material handelt es sich also um ein kautschukartiges Material unter Ausschluss von thermoplasti schen Elastomeren. Das Verfahren weist nachfolgende Schritte auf:

a) Zuführen eines Elastomermaterials als Rohmaterial in Form eines Fells (d.h. einer Matte aus Elastomermaterial), eines Streifens, eines Pucks (d.h. einer Scheibe aus Elastomermaterial) oder einer Schnur zu einer Aufberei tungseinheit.

b) Aufbereitung des Elastomermaterials in der Aufbereitungseinheit und Erzeugung eines Materialstroms des Elastomermaterials. Es kann dabei auch eine bestimmte Viskosität des Elastomermaterials erzeugt werden und es kann eine thermische und stoffliche Homogenisierung erfolgen. c) Fördern des Elastomermaterials in eine Speichereinheit und Erzeugung eines Vordrucks des Elastomermaterials in der Speichereinheit. Der Vordruck liegt dabei insbesondere in einem Bereich von unter 600 bar und ist abhängig vom verarbeiteten Material.

d) Fördern des Elastomermaterials zu einer Formeinheit, in welcher das Elastomermaterial gezielt ausgebracht wird zur Erzeugung von mindestens einer Schicht des zu bildenden Formkörpers und so zur schichtweisen Form gebung des Formkörpers. Das Elastomermaterial wird dabei insbesondere mit einem Massestrom im Bereich von 0,5 - 30 g/h gefördert.

e) Vernetzung der mindestens einen Schicht des Formkörpers oder des gesamten Formkörpers durch eine Vernetzungseinheit, wobei die Vernetzung thermisch, optisch oder chemisch erfolgen kann.

Die Verfahrensschritte a) bis e) können insbesondere in einer Maschine, einer Vorrichtung zur Fierstellung eines Formkörpers, abgearbeitet werden. Alternativ kann die Vorrichtung zur Fierstellung eines Formkörpers so ausgestaltet sein, dass der Schritt e) in einer separaten, beabstandet angeordneten Einrichtung erfolgen kann, nämlich dann, wenn eine Vernetzung des gesamten Form körpers erfolgt.

Bei dem Elastomermaterial handelt es sich um ein nicht-thermoplastisches Elastomermaterial gemäß der Norm ASTM D1418 - 17„Standard Practice for Rubber and Rubber Latices— Nomenclature“.

Die technisch interessanten Eigenschaften des nicht-thermoplastischen Elastomermaterials werden erst durch das Compoundieren erreicht. Unter Compoundieren versteht man die Zugabe von bestimmten Additiven, z.B.: Füllstoffe, Alterungsschutzmittel, Weichmacher, Verarbeitungshilfen, Ver netzungschemikalien, etc. Art und Menge der Additive richten sich nach dem jeweils geforderten Eigenschaftsprofil des Werkstoffes. Bei dem Vernetzungs vorgang, der sogenannten Vulkanisation des nicht-thermoplastischen Elastomermaterials, werden irreversible, chemische Vernetzungsstellen gebil det.

Diese hochpolymeren, organischen Netzwerke weisen eine hohe Elastizität auf und sind in der Lage reversibel große Verformungen auszuführen.

Bei dem Elastomermaterial, welches in Schritt c) in die Speichereinheit geför dert wird, handelt es sich um ein fertig gemischtes Material, welchem keine weiteren Stoffe mehr hinzugesetzt werden.

Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem nicht-thermoplastischen

Elastomermaterial um ein Material, welches aus chemisch vernetztem Kaut schuk besteht.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren ist das Elastomermaterial während den Schritten a) bis d) hochviskos, also nicht flüssig, und ist auch vernetzbar. Das Elastomermaterial weist insbesondere eine Viskosität, d.h. einen Widerstand gegenüber Scherung im Bereich von 100 bis 1.000.000 Pa s auf. Damit liegt eine Viskosität vor, welche z.B. im Vergleich zu im Spritzgießverfahren ver arbeiteten Thermoplasten deutlich höher ist.

Dass ein solches Verfahren mit nicht-thermoplastischem Elastomermaterial funktioniert ist überraschend:

Die Berechnung von Druckverlusten von durch eine Düse transportiertem Material ist unter anderem in dem Fachbuch„Extrusionswerkzeuge für Kunst stoffe und Kautschuke, Michaeli, 2. Auflage, Kapitel 2.1 und Kapitel 3.1“ beschrieben.

Die Druckverlustberechnung basiert auf dem Hagen-Poiseuille-Gesetz für laminare Strömung eines inkompressiblen viskosen Fluids durch ein Rohr: B Ϋ h I

p r 4

AV= Volumenstrom durch das Rohr [m ³ /s]

Dr = Druckdifferenz zwischen Anfang und Ende eines Rohres [Pa] r = Innenradius des Rohres [m]

I = Länge des Rohres [m]

r\ = Viskosität der strömenden Flüssigkeit [Pa s]

Für die Herstellung und z.B. Dosierung von Strängen mit einem keinen Durch messer mit Standard-Elastomercompounds und üblichen Viskositäten werden gemäß den üblichen Rechengesetzen aus der Literatur sehr hohe Drücke von circa 700 bis weit über 10.000 bar benötigt, um Masseströme von 0,5 - 30 g/h zu erreichen. Derart hohe Drücke wären jedoch nur schwerlich zu erzeugen und wären nicht praktikabel. Es wurde überraschend gefunden, dass auch geringere Drücke ausreichen, um Elastomermaterial in einer Formeinheit zu formen und auszubringen. Das liegt daran, dass der tatsächliche Druckverlust von

Elastomermaterial bei der Förderung durch eine Formeinheit, z.B. eine feine Düse, deutlich niedriger ist, als nach fachüblicher Berechnung zu erwarten gewesen wäre.

In besonders vorteilhafter und daher bevorzugter Weiterbildung des Verfahrens ist das verwendete Elastomermaterial nicht verfestigbar und dabei elastisch oder viskoelastisch. D.h. das Elastomermaterial nimmt nie eine feste Phase an, sondern behält seine elastische oder viskoelastische Eigenschaft bei.

Bei dem Elastomermaterial kann es sich beispielsweise um Polyacrylat- Kautschuk (ACM), Nitrilkautschuk (NBR), Ethylen-Propylendien-Kautschuk (EPDM) oder Festsilikonkautschuk (High Consistency Rubber HCR) handeln. In möglicher Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt in Schritt b) die Aufbereitung des Elastomermaterials unter Verwendung einer oder mehrerer Schnecken und/oder einer Kolbenpumpe und/oder einer Zahnradpumpe und/oder eines statischen Mischers.

Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen in Schritt b) und/oder in Schritt d) eine Kontrolle und Regelung der Temperatur des Elastomermaterials durchzu führen auf über 20°C und unter 150°C, insbesondere auf unter 90°C und im Fall der Verarbeitung von HCR auf unter 35°C. Ein vorzeitiges Vernetzen des Elastomermaterials kann so verhindert werden. Damit liegt eine Temperatur vor, welche z.B. im Vergleich zu im Spritzgießverfahren verarbeiteten Thermo plasten deutlich geringer ist.

Dazu kann die Aufbereitungseinheit und/oder die Formeinheit eine Temperier einrichtung besitzen zum Kühlen und/oder Erhitzen des Elastomermaterials.

In möglicher Ausgestaltung kann die Formeinheit in Schritt d) als Düse ausge führt sein, insbesondere als getaktete Düse. Alternativ wäre auch eine offene Düse denkbar. Die getaktete Düse besitzt ein getaktet ansteuerbares Ver schlussmittel, sodass abwechselnd Elastomermaterial durch die Düse gepresst und die Düse dann wieder verschlossen wird. Besonders vorteilhaft erscheint es, wenn die Düse einen Durchmesser von unter 0,25mm aufweist. So können Formkörper mit besonders feinen Strukturen erzeugt werden.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das Elastomermaterial im Bereich der Düse eine Schergeschwindigkeit von 10 bis 5500 1/s aufweist. Dann sind die vorherrschenden Druckverluste relativ gering. Die Schergeschwindigkeit wird auch als Scherrate bezeichnet.

Es wurde herausgefunden, dass es besonders vorteilhaft ist das Elastomer material in Schritt d) des Verfahrens in sequenzieller Form auszubringen. Dies meint, dass das Elastomermaterial nicht kontinuierlich ausgebracht wird, sondern eine bestimmte, festlegbare Menge des Elastomermaterials, woraufhin in einer Pause kein Elastomermaterial ausgebracht wird. Realisiert werden kann dies durch die Verwendung einer getakteten Düse. Die sequenzielle Form steht dabei im Unterschied zur kontinuierlichen Form, beispielsweise einem Strang.

In einer besonders vorteilhaften und daher bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens, wird das Elastomermaterial in Form einer Perlenkette ausgebracht. Die Perlenkette zeichnet sich durch eine Aneinanderreihung von Perlen, nämlich durch einen sich perlenförmig ändernden Durchmesser an einem Strang aus. Der Durchmesser kann dabei um 1 bis 15% variieren. Perlenketten mit einem mittleren Durchmesser von unter 1 mm, insbesondere von unter 0,3mm sind dabei bevorzugt.

Die Geometrie und Packdichte der Perlenkette kann durch die Taktfrequenz des Verschlussmittels der getakteten Düse eingestellt und angepasst werden. Es hat sich herausgestellt, dass durch eine Perlenkette besonders feine

Strukturen des Formkörpers realisiert werden können. Ein weiterer Vorteil ergibt sich, weil Ecken im Formkörper einfacher erzeugt werden können als bei spielsweise, wenn das Elastomermaterial in Form eines Stranges ausgebracht wird. Auch vorteilhaft erscheint, dass bei Perlenketten im Vergleich zu Strängen eine engere Packungsdichte des Elastomermaterials im Formkörper erreicht werden kann.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann in den Schritten d) und e) eine Relativbewegung zwischen der Formeinheit bzw. der Vernetzungseinheit und einer Formaufnahmeeinheit, d.h. einem Träger für den herzustellenden Form körper, erfolgen zur Positionierung des ausgebrachten Elastomermaterials bzw. zur Positionierung des Wirkbereichs der Vernetzungseinheit. Das ausgebrachte Elastomermaterial kann so gezielt auf die Formaufnahmeeinheit oder eine sich dort bereits befindliche Elastomerschicht abgelegt werden. Präzisionspositio niersysteme, welche eine Mehrachspositionierung und damit die erforderliche Relativbewegung ermöglichen, sind der Fachwelt bekannt.

In einer vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Schritte d) und e) abwechselnd wiederholt, um einzelne Schichten des Form körpers aufzubauen und zu vernetzen, bevor eine jeweils nächste Schicht auf gebracht wird.

In einer vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt in einem zusätzlichen Schritt ein Ausbringen von Stützmaterial zur Erzeugung eines Stützbereichs, wobei die Schritte Ausbringen Elastomermaterial und Aus bringen Stützmaterial abwechselnd erfolgen, abhängig von der Geometrie des zu erzeugenden Formkörpers. Das Stützmaterial bildet dann die Tragstruktur für nachfolgend ausgebrachte Schichten von Elastomermaterial. Das Stütz material wird so gewählt, dass es später einfach wieder entfernt werden kann. Es kann z.B. wasserlöslich sein oder in einer Lauge, die das Elastomermaterial nicht angreift, löslich sein. So können in vorteilhafter weise auch Formkörper mit komplexer Geometrie erzeugt werden.

Die beschriebene Erfindung und die beschriebenen vorteilhaften Weiterbildun gen der Erfindung stellen auch in Kombination miteinander - soweit dies tech nisch sinnvoll ist - vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung dar.

Hinsichtlich weiterer Vorteile und in konstruktiver und funktioneller Hinsicht vor teilhafter Ausgestaltungen der Erfindung wird auf die Unteransprüche sowie die Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegen de Figur verwiesen. Ausführungsbeispiel

In Versuchen wurden bei den folgenden Geometrien, Materialien und Viskosi täten die beschriebenen Druckverluste erzielt. Theoretische Druckverluste liegen bei den angegebenen, wesentlichen höheren Werten:

Schergeschwindigkeit

T Temperatur

D Durchmesser der Düse

L/D Längen-Durchmesser-Verhältnis der Düse

Die in praktischen Versuchsreihen gemessenen Druckverluste bei weiteren Materialien (mehrere Hundert Bar) in sehr feinen Düsen mit einem Durch- messer von unter 0,3 mm waren im Vergleich zu den berechneten Druckver lusten (mehrere Tausend Bar) wesentlich geringer. Durch diese Versuchsreihen konnte also bestätigt werden, dass Elastomermaterial durch Formeinheiten, wie z.B. dünne Düsen, gepresst und so ein Formkörper aus Elastomermaterial in additivem Fertigungsverfahren hergestellt werden kann.

Die Erfindung soll an Hand beigefügter Figur noch näher erläutert werden. Zugunsten einer besseren Übersichtlichkeit der Figur wurde auf eine maß stabsgetreue Darstellung verzichtet. Es zeigt in schematischer Darstellung

Fig. 1 eine Vorrichtung zur Herstellung eines Formkörpers in einem addi tiven Fertigungsverfahren

In der Figur ist eine Vorrichtung 10 zur Herstellung eines Formkörpers 100 dar gestellt, in welcher in einem additiven Fertigungsverfahren aus einem

Elastomermaterial 1 ein Formkörper 100 hergestellt wird. Dazu wird

Elastomermaterial 1 einer Aufbereitungseinheit 2 zugeführt und dort mittels einer Schnecke 3 aufbereitet.

Das so aufbereitete Elastomermaterial 1 wird einer Speichereinheit 4 zugeführt, durch welche es einer Formeinheit 5 mit einer Düse 6 bereitgestellt wird.

Eine Formaufnahmeeinheit 7 ist unterhalb der Düse 6 angeordnet und frei beweglich. Auf dieser wird aus der Düse 6 austretendes Elastomermaterial 1 abgelegt und so der Formkörper 100 ausgebildet. Eine Vernetzungseinheit 9 ist in der Nähe der Düse 6 angeordnet und dient der Vernetzung der Schichten aus Elastomermaterial 1 . Der Aufbereitungseinheit 2 und der Formeinheit 5 kann je eine Temperiereinrichtung 8 zugeordnet sein, zur Regelung der Tempe ratur des Elastomermaterials 1 in Aufbereitungseinheit 2 und Formeinheit 5.

In einer alternativen, nicht dargestellten Ausführungsform werden die Düse 6 und evtl auch die Vernetzungseinheit 9 relativ zur Formaufnahmeeinheit 7 bewegt.

Die Vernetzungseinheit 9 könnte auch separat und beabstandet zu den anderen Komponenten der Vorrichtung 10 angeordnet sein, nämlich dann, wenn der gesamte Formkörper 100 als Ganzes vernetzt werden soll.

Mit der Vorrichtung 10 zur Herstellung eines Formkörpers 100 kann das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden. In einem ersten Schritt erfolgt ein Zuführen eines Elastomermaterials 1 zu einer Aufbereitungseinheit 2. In der Aufbereitungseinheit 2 wird eine Aufbereitung des Elastomermaterials 1 durchgeführt und ein Materialstrom des Elastomer materials 1 erzeugt. Die Aufbereitung des Elastomermaterials 1 erfolgt unter Verwendung einer Schnecke 3, welche das Elastomermaterial 1 in eine

Speichereinheit 4 fördert, wo ein Vordruck aufgebaut wird, der zur Ausbringung des Elastomermaterials 1 durch eine Formeinheit 5 genügt. In der Formeinheit 5, welche als getaktete Düse 6 ausgebildet ist, wird das Elastomermaterial 1 gezielt in sequenzieller Form einer Perlenkette ausgebracht. So wird eine Schicht des zu bildenden Formkörpers 100 auf einer Formaufnahmeeinheit 7 abgelegt. Die Aufbereitungseinheit 2 und die Formeinheit 5 besitzen eine Temperiereinrichtung 8 zum Kühlen und/oder Erhitzen des Elastomermaterials 1 , sodass eine Kontrolle und Regelung der Temperatur des Elastomermaterials 1 erfolgt auf über 20°C und unter 150°C. Ein vorzeitiges Vernetzen des

Elastomermaterials kann so verhindert werden.

Eine Vernetzung der mindestens einen Schicht des Formkörpers 100 erfolgt in einem nächsten Schritt durch eine Vernetzungseinheit 9. Abwechselnd werden Ausbringen des Elastomermaterials 1 und Vernetzen der Schicht wiederholt, um einzelne Schichten des Formkörpers 100 aufzubauen und zu vernetzen bis der Formkörper 100 fertiggestellt ist.

Wie durch Doppelpfeile angedeutet wird eine Relativbewegung zwischen der Formeinheit 5 und einer Formaufnahmeeinheit 7 ermöglicht zur Positionierung des ausgebrachten Elastomermaterials 1.

Wie durch Doppelpfeile angedeutet wird auch eine Relativbewegung zwischen der Vernetzungseinheit 9 und einer Formaufnahmeeinheit 7 ermöglicht zur Positionierung des Wirkbereichs der Vernetzungseinheit 9. In einer alternativen, nicht dargestellten Ausführungsform des Verfahrens werden die Düse 6 und evtl auch die Vernetzungseinheit 9 relativ zur Formauf nahmeeinheit 7 bewegt.

Die Vernetzungseinheit 9 könnte auch separat und beabstandet zu den anderen Komponenten der Vorrichtung 10 angeordnet sein, nämlich dann, wenn der gesamte Formkörper 100 als Ganzes vernetzt werden soll. Dann erfolgt zwischen dem Schritt„Elastomermaterial 1 Ausbringen“ zur Ausbildung des Formkörpers und dem Schritt„Vernetzen“ ein Transport des Formkörpers 100 zur Vernetzungseinheit 9.

Bezugszeichenliste

1 Elastomermaterial

Aufbereitungseinheit

3 Schnecke

Speichereinheit

5 Formeinheit

Düse

7 Formaufnahmeeinheit

8 Temperiereinrichtung

9 Vernetzungseinheit

10 Vorrichtung zur Fierstellung eines Formkörpers 100 Formkörper