Beschreibung
Die additive Fertigung für thermoplastische Materialien und viele Metalle sind etablierte Fertigungsverfahren. Jedoch ist die additive Fertigung von Bauteilen aus Elastomeren bisher wenig erforscht und beschränkt sich auf Silikone und thermoplastische Elasto-mere. In dieser Arbeit wird ein industrieller 3D-Drucker für thermoplastische Filamente für die additive Fertigung von hochviskosen rußgefüllten Kautschuken durch die In-tegration eines Zweischneckenextruders modifiziert. Ebenso wird eine Prozesskette von der CAD-Datei über den G-Code bis zum gedruckten und vulkanisierten Bauteil definiert. Anhand von gedruckten und vulkanisierten Probekörpern wird durch Zugver-suche und Härteprüfungen die Leistungsfähigkeit des Verfahrens im Vergleich zu kon-ventionell gefertigten Probekörpern nachgewiesen. Damit die Vulkanisation auch für Einzelbauteile gelingt, wird die optimale Vulkanisationsdauer durch eine Wärmeüber-tragungssimulation und ein entwickeltes Berechnungstool zur Vernetzungsgradbe-rechnung vor der eigentlichen Vulkanisation bestimmt. Dieses Vorgehen wird wiede-rum durch Zugversuche validiert. Abschließend wird die industrielle Verwendbarkeit durch die Fertigung zweier Industriebauteile nachgewiesen.
Schlagwörter: Additive Fertigung, Kautschuk, Vulkanisation, Wärmeübertragungssi-mulation, Vernetzungsgradberechnung, Industrieanwendungen
Title: Additive manufacturing of elastomer components made of carbon black-filled rubber
Additive manufacturing is an established manufacturing process for thermoplastic ma-terials and various metals. However, additive manufacturing of elastomeric compo-nents has been less researched and is limited to silicones and thermoplastic elasto-mers. In this work, an industrial 3D-printer for thermoplastic filaments is modified for additive manufacturing of high-viscosity carbon black-filled rubbers by integrating a twin-screw extruder. In addition, a process chain from a CAD file via a G-code to a printed and vulcanized component is defined. Printed and vulcanized specimens are used in tensile and hardness tests to demonstrate the performance of the process in comparison to conventionally manufactured specimens. To ensure that vulcanization is also successful for individual components, optimum vulcanization time is determined by a heat transfer simulation and a developed calculation tool for the degree of cross-linking prior real vulcanization. This procedure is also validated by tensile tests. Finally, industrial applicability is demonstrated by production of two industrial components.
Keywords: Additive manufacturing, rubber, vulcanization, heat transfer simulation, crosslinking degree calculation, industrial applications
