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/cm ³ von 0,9 bis 1,4, eine Reißfestigkeit-S2-Stab in N/mm ² 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 mm ³ 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 60 ⁰ 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.