RU2784451C1

RU2784451C1 - Method for 3d printing an elastomeric deformable rubber body, in particular a rubber seal

Info

Publication number: RU2784451C1
Application number: RU2021139178A
Authority: RU
Inventors: Иван ГЕРАДА; Мартин ХИГНЕТТ
Original assignee: Треллеборг Силинг Солюшнз Джермани Гмбх
Filing date: 2019-06-11
Publication date: 2022-11-24

Abstract

FIELD: 3D printing.

SUBSTANCE: invention relates to a method for 3D printing of elastomeric deformable rubber parts using a 3D printer system containing an extruder having a housing with an inlet and a nozzle. The extruder contains the first heating means for heating the raw rubber fed into the extruder. The system includes a desktop with a second heating means. The system includes a drive means for moving the extruder and the desktop relative to each other. The system includes an electronic control unit for the extruder and a second means of heating the desktop. The electronic control unit is designed to control the extruder and the first heating means in such a way that the rubber is partially vulcanized in the extruder. The specified partially vulcanized rubber is extruded from the nozzle and applied to the work table. According to the method, non-vulcanized raw rubber is provided in the form of strips, balls. Non-vulcanized raw rubber is supplied to the extruder through the inlet. The non-vulcanized raw rubber is heated in the extruder by means of heat supply and mixing of the heated rubber in the extruder. Heated raw rubber is partially vulcanized in an extruder. The desktop is heated. The first layer of partially vulcanized rubber is formed. Subsequent layers of partially vulcanized rubber are printed by extruding additional partially vulcanized rubber from the nozzle and applying the extruded rubber on top of the corresponding immediately preceding layer of partially vulcanized rubber when moving the nozzle and the desktop relative to each other at a predetermined distance. The distance provides mechanical indentation of the newly extruded partially vulcanized rubber into the corresponding immediately preceding layer of partially vulcanized rubber. Additionally, each of the rubber layers is vulcanized after being applied to the desktop and until the rubber body obtained by 3D printing is vulcanized to the required vulcanization state on the desktop. At an additional stage, the extruder is moved to the desktop at the very end of printing each layer on the desktop.

EFFECT: invention provides an increase in the accuracy of the products obtained.

3 cl, 17 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеThe technical field to which the invention belongs

Изобретение относится к системе 3D-принтера и способу 3D-печати эластомерно деформируемого каучукового тела, в частности каучукового уплотнения.The invention relates to a 3D printer system and a method for 3D printing an elastomerically deformable rubber body, in particular a rubber seal.

Уровень техникиState of the art

Изделия из синтетического, а также натурального каучука безопасно используются в самых разнообразных областях техники, например, в технологии герметизации. Каучуковые изделия нуждаются в вулканизации для придания каучуку твердости, что может именоваться вулканизацией каучука. Вулканизация приводит к образованию поперечных химических связей между участками полимерных цепочек, что приводит к повышению жесткости и долговечности, а также изменениям других механических свойств каучука. Вулканизация каучука в общем случае необратима и может достигаться посредством подвода тепла. Обычно используются нитриловые каучуки, например, бутадиен-нитрильный каучук, например, в технологии герметизации. Инжекционное формование является наиболее широко используемым способом промышленного производства эластомерно деформируемых каучуковых деталей. 3D-печать каучуковых деталей, которые удовлетворяли бы высоким требованиям к точности размеров и упругим свойствам, в частности, каучуковых уплотнений (прокладок) и пр., до сих пор не приводила к желаемым результатам.Synthetic as well as natural rubber products are used safely in a wide variety of technical fields, such as sealing technology. Rubber products require vulcanization to harden the rubber, which may be referred to as rubber vulcanization. Vulcanization leads to the formation of chemical cross-links between sections of polymer chains, which leads to an increase in stiffness and durability, as well as changes in other mechanical properties of rubber. The vulcanization of rubber is generally irreversible and can be achieved by applying heat. Commonly used nitrile rubbers, such as nitrile rubber, for example, in sealing technology. Injection molding is the most widely used method for the industrial production of elastomeric deformable rubber parts. 3D printing of rubber parts that would meet high requirements for dimensional accuracy and elastic properties, in particular, rubber seals (gaskets), etc., has not yet led to the desired results.

Поэтому задача изобретения состоит в обеспечении системы 3D-принтера, которая позволяет печатать эластомерно деформируемые каучуковые детали, которые обладают примерно такими же характеристиками материала и точностью размеров, как соответствующая каучуковая деталь, полученная инжекционным формованием. Дополнительная задача изобретения состоит в обеспечении способа 3D-печати, подходящего для производства указанных каучуковых деталей с низким процентом брака.Therefore, it is an object of the invention to provide a 3D printer system that allows the printing of elastomerically deformable rubber parts that have approximately the same material characteristics and dimensional accuracy as the corresponding injection molded rubber part. A further object of the invention is to provide a 3D printing method suitable for the production of said rubber parts with a low scrap rate.

Раскрытие сущности изобретенияDisclosure of the essence of the invention

Система 3D-принтера согласно изобретению задана в п. 1. Способ 3D-печати эластомерно деформируемой каучуковой детали, например, каучукового уплотнения, содержит этапы способа по п. 14.A 3D printer system according to the invention is defined in claim 1. A method for 3D printing an elastomerically deformable rubber part, such as a rubber seal, comprises the method steps of claim 14.

Система 3D-принтера согласно изобретению обеспечивает печатать упруго деформируемого каучукового тела или детали, в частности, каучукового уплотнения. Система 3D-принтера содержит:The 3D printer system according to the invention enables the printing of an elastically deformable rubber body or part, in particular a rubber seal. The 3D printer system contains:

- экструдер, имеющий корпус с впускным отверстием и соплом, причем экструдер содержит первое средство нагрева для нагрева сырого каучука R, подаваемого в экструдер через впускное отверстие;an extruder having a body with an inlet and a nozzle, the extruder comprising a first heating means for heating the raw rubber R supplied to the extruder through the inlet;

- рабочий стол со вторым средством нагрева;- work table with a second means of heating;

- приводное средство для перемещения экструдера и рабочего стола относительно друг друга; и- drive means for moving the extruder and the working table relative to each other; and

- электронный блок управления для экструдера и второго средства нагрева рабочего стола, причем электронный блок управления выполнен с возможностью управления экструдером и первым средством нагрева таким образом, что каучук частично вулканизируется в экструдере, и указанный частично вулканизированный каучук R экструдируется из сопла и наносится на рабочий стол в ходе работы системы 3D-принтера, так что нанесенный частично вулканизированный каучук R дополнительно вулканизируется в ходе и по окончании печати каучуковой детали на рабочем столе.- an electronic control unit for the extruder and the second heating means of the working table, and the electronic control unit is configured to control the extruder and the first heating means in such a way that the rubber is partially vulcanized in the extruder, and the specified partially vulcanized rubber R is extruded from the nozzle and applied to the working table during the operation of the 3D printer system, so that the applied partially vulcanized rubber R is additionally vulcanized during and after printing the rubber part on the desktop.

Система 3D-принтера согласно изобретению обеспечивает печатать каучуковые детали, которые обладают примерно такими же характеристиками материала и точностью размеров, как соответствующие каучуковые детали, полученные инжекционным формованием. Ввиду того, что электронный блок управления выполнен с возможностью, в частности, запрограммирован, чтобы из экструдера экструдировалась (только) уже частично поперечно сшитый или частично вулканизированный каучук, экструдированный каучук уже демонстрирует достаточную стабильность размеров, чтобы не расползаться по рабочему столу. Это важно для стабильности размеров и точности размеров каучуковой детали. После нанесения на нагретый рабочий стол, нагретый рабочий стол позволяет продолжать процесс вулканизации. Преимущественно, температура рабочего стола и/или окружающей атмосферы плотно регулируется электронным блоком управления. Следует понимать, что каждый слой частично вулканизированного каучука наносится на предыдущий в момент времени, когда предыдущий слой все еще позволяет формировать достаточное количество поперечных связей со слоем каучука, вновь нанесенным поверх него. Система 3D-принтера заполняет зазор, где точные резиновые детали требуются в малых количествах.The 3D printer system of the invention allows rubber parts to be printed that have approximately the same material characteristics and dimensional accuracy as corresponding injection molded rubber parts. Due to the fact that the electronic control unit is configured, in particular programmed, so that (only) already partially cross-linked or partially vulcanized rubber is extruded from the extruder, the extruded rubber already exhibits sufficient dimensional stability so as not to spread over the work table. This is important for the dimensional stability and dimensional accuracy of the rubber part. After application to the heated worktable, the heated worktable allows the vulcanization process to continue. Preferably, the temperature of the working table and/or the ambient atmosphere is tightly controlled by the electronic control unit. It should be understood that each layer of partially vulcanized rubber is applied to the previous one at a point in time when the previous layer still allows a sufficient amount of cross-linking with the rubber layer newly applied over it. The 3D printer system fills the gap where precision rubber parts are required in small quantities.

Согласно предпочтительному варианту осуществления системы 3D-принтера экструдер выполнен в виде шнекового экструдера, в частности, одношнекового экструдера. Такие шнековые экструдеры, в частности, одношнековые экструдеры, можно реализовать в виде достаточно простой и механически надежной конструкции. Дополнительно, одношнековый экструдер обеспечивает надежное перемешивание, а также нагрев каучукового материала, используемого для процесса 3D-печати.According to a preferred embodiment of the 3D printer system, the extruder is in the form of a screw extruder, in particular a single screw extruder. Such screw extruders, in particular single screw extruders, can be implemented in a fairly simple and mechanically reliable design. Additionally, the single screw extruder ensures reliable mixing as well as heating of the rubber material used for the 3D printing process.

Такие полимеры, как нагретый каучук, демонстрируют сдвиговое разжижение под действием деформации сдвига, то есть неньютоновское поведение. Вязкость этих полимеров снижается вследствие сдвиговой деформации. Это поведение нужно учитывать в связи с конструкцией экструдера. В этом отношении, в зоне впуска или подачи экструдера, который имеет впускное отверстие, шнек, согласно изобретению, предпочтительно либо контактирует с внутренней поверхностью стенки корпуса экструдера, либо отделен от указанной внутренней поверхности минимальным расстоянием, образующим (первый) зазор между внутренней поверхностью стенки корпуса и шнеком, тогда как (второй) зазор предусмотрен в зоне нагрева и перемешивания между шнеком и внутренней поверхностью корпуса. Этот (второй) зазор преимущественно больше первого зазора в окрестности впускной зоны экструдера. Таким образом, нагретый каучук может принудительно направляться в направлении к соплу (прямой поток) экструдера за счет вращения шнека и, в зоне нагрева и перемешивания экструдера, частично течь назад (обратный поток) через указанный второй зазор. Это значительно улучшает перемешивание и дегазацию нагретой каучука в зоне нагрева и перемешивания внутренней камеры экструдера. Дополнительно, это облегчает заданную частичную вулканизацию нагретого каучука при достаточном времени воздействия тепла, выделяемого первым средством нагрева экструдера, а также вследствие дополнительной деформации сдвига нагретого каучука в ходе его обратного потока и процесса перемешивания. В целом, это позволяет осуществлять экструзию лишенной пузырьков и очень равномерно перемешанного частично вулканизированного каучука.Polymers such as heated rubber exhibit shear thinning under shear strain, i.e., non-Newtonian behavior. The viscosity of these polymers decreases due to shear deformation. This behavior must be taken into account in connection with the design of the extruder. In this regard, in the inlet or feed zone of an extruder which has an inlet, the screw according to the invention is preferably either in contact with the inner surface of the housing wall of the extruder or is separated from said inner surface by a minimum distance forming a (first) gap between the inner surface of the housing wall and the screw, while the (second) gap is provided in the heating and mixing zone between the screw and the inner surface of the housing. This (second) gap is advantageously larger than the first gap in the vicinity of the inlet zone of the extruder. Thus, the heated rubber can be forced towards the nozzle (forward flow) of the extruder by the rotation of the screw and, in the heating and agitation zone of the extruder, partially flow backwards (reverse flow) through said second gap. This greatly improves the mixing and degassing of the heated rubber in the heating and mixing zone of the inner chamber of the extruder. Additionally, this facilitates a desired partial vulcanization of the heated rubber with sufficient exposure time to the heat generated by the first heating means of the extruder, as well as due to additional shear deformation of the heated rubber during its reverse flow and mixing process. Overall, this allows the extrusion of a bubble-free and very uniformly mixed partially vulcanized rubber.

Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения шнек по меньшей мере в зоне подачи или впуска экструдера обеспечен зазубренными винтовыми краями. Это позволяет активно резать каучуковый материал на куски (измельчать) и волочить дальше в экструдер, в котором он нагревается и перемешивается. Никаких дополнительных устройств подачи, необходимых для подачи каучукового материала, помещенного во впускную зону, не предусмотрено. Зазубрены винтовых краев могут иметь режущие края для дополнительного облегчения измельчения сырого каучука. According to a preferred embodiment of the invention, the screw is provided with serrated helical edges at least in the feed or inlet area of the extruder. This allows the rubber material to be actively cut into pieces (grind) and dragged further into the extruder, where it is heated and mixed. No additional feeders needed to feed the rubber material placed in the inlet zone are provided. The serrated helical edges can be provided with cutting edges to further facilitate grinding of the raw rubber.

Согласно изобретению первое средство нагрева экструдера может располагаться в стенке корпуса экструдера. Это защищает первое средство нагрева от механического повреждения и обеспечивает надежный нагрев сырого каучука. Первое средство нагрева может, например, размещаться в канале или канавке, расположенной в стенка корпуса экструдера, непосредственно ограничивающей камеру перемешивания.According to the invention, the first heating means for the extruder can be located in the wall of the extruder body. This protects the first heating means from mechanical damage and ensures reliable heating of the raw rubber. The first heating means may, for example, be located in a channel or groove located in the wall of the extruder housing directly delimiting the mixing chamber.

Очень равномерный нагрев сырого каучука можно реализовать, если первое средство нагрева по меньшей мере частично охватывает внутреннюю камера экструдера, в которой расположен шнек.Very uniform heating of the raw rubber can be realized if the first heating means at least partially surrounds the inner chamber of the extruder in which the screw is located.

Для контроля и управления нагревом, перемешиванием и частичной вулканизацией каучука внутри экструдера, электронный блок управления предпочтительно содержит по меньшей мере первый датчик температуры, который расположен в или на экструдере. Указанный первый датчик температуры может, например, размещаться в углублении в стенке корпуса экструдера. Электронный блок управления предпочтительно содержит дополнительный датчик температуры для определения и регулировки температуры рабочего стола или атмосферы, непосредственно окружающей рабочий стол.To control and control the heating, mixing and partial curing of the rubber within the extruder, the electronic control unit preferably includes at least a first temperature sensor which is located in or on the extruder. Said first temperature sensor may, for example, be placed in a recess in the wall of the extruder body. The electronic control unit preferably includes an additional temperature sensor for detecting and adjusting the temperature of the desktop or the atmosphere immediately surrounding the desktop.

Дополнительно, электронный блок управления предпочтительно содержит по меньшей мере один датчик давления, расположенный в экструдере для определения рабочего давления во внутренней камере в ходе работы системы 3D-принтера.Additionally, the electronic control unit preferably includes at least one pressure sensor located in the extruder to determine the operating pressure in the inner chamber during operation of the 3D printer system.

Электронный блок управления предпочтительно свободно программируется таким образом, чтобы систему 3D-принтера можно было быстро и без особых усилий настраивать на 3D-печать разных каучуковых деталей. Таким образом, можно дополнительно расширить потенциальную сферу применения системы 3D-принтера. Электронный блок управления может, например, содержать компьютер с соответствующим рабочим программным обеспечением и прикладным программным обеспечением для 3D-печати, хранящимся в его запоминающем устройстве. Кроме того, в связи с 4-ой промышленной революцией и обменом данными в промышленности, необходимое программное обеспечение для 3D-печати, а также параметры конструкции, задающие каучуковую деталь, подлежащую печати, могут сохраняться и предоставляться для использования в так называемом облаке.The electronic control unit is preferably freely programmable so that the 3D printer system can be quickly and effortlessly set up to 3D print different rubber parts. Thus, it is possible to further expand the potential scope of the 3D printer system. The electronic control unit may, for example, comprise a computer with appropriate operating software and 3D printing application software stored in its storage device. In addition, due to the 4th industrial revolution and industrial communication, the necessary software for 3D printing, as well as design parameters specifying the rubber part to be printed, can be stored and provided for use in the so-called cloud.

Рабочий стол согласно изобретению предпочтительно выполнен из стекла, смолы или технической керамики. Согласно изобретению поверхность рабочего стола преимущественно выполнена таким образом, чтобы рабочий стол обеспечивал достаточное фрикционное сцепление частично вулканизированного каучука, нанесенного непосредственно на рабочий стол, и одновременно облегчал отцепление полностью вулканизированного каучукового тела при его удалении с рабочего стола. Например, поверхность рабочего стола может демонстрировать микровпадины, например, микротрещины, или микровыступы, благодаря которым поверхность контакта рабочего стола с нанесенным на нее экструдированным каучуком может уменьшаться.The working table according to the invention is preferably made of glass, resin or technical ceramics. According to the invention, the surface of the working table is advantageously designed in such a way that the working table provides sufficient frictional adhesion of the partially vulcanized rubber applied directly to the working table, and at the same time facilitates the release of the fully vulcanized rubber body when it is removed from the working table. For example, the surface of the worktable may exhibit micropits, such as microcracks, or microprotrusions, whereby the contact surface of the worktable with the extruded rubber applied thereon may be reduced.

Второе средство нагрева рабочего стола согласно дополнительному варианту осуществления изобретения расположено по меньшей мере частично под и/или по меньшей мере частично в рабочем столе. Это обеспечивает быстрое и надежное управление температурой рабочего стола для обеспечения заданной вулканизации нанесенного на него экструдированного частично вулканизированного каучука. The second worktable heating means according to a further embodiment of the invention is located at least partially below and/or at least partially in the worktable. This provides fast and reliable control of the temperature of the working table to ensure the desired vulcanization of the applied extruded partially vulcanized rubber.

Первое средство нагрева экструдера и/или второе средство нагрева рабочего стола предпочтительно содержат один или более электрических элементов резистивного нагрева. Электрические элементы резистивного нагрева легко доступны в широком диапазоне конструкций и классов исполнения на рынке при низкой стоимости. Указанные электрические элементы резистивного нагрева допускают очень точное управление каучуком, размещенным внутри экструдера или экструдированным на рабочий стол.The first extruder heating means and/or the second worktable heating means preferably comprise one or more electric resistance heating elements. Electrical resistance heating elements are readily available in a wide range of designs and grades on the market at low cost. These electric resistance heating elements allow very precise control of the rubber placed inside the extruder or extruded onto the worktable.

Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения рабочий стол расположен в предпочтительно воздухонепроницаемом кожухе. Это снижает энергозатратность процесса печати. Дополнительный, рабочий стол может быть помещен в управляемую атмосферу, которая может отличаться от внешней атмосферы системы 3D-принтера. Например, помещение экструдированного частично вулканизированного каучука, нанесенного на рабочий стол, в атмосферу, содержащую более 95% инертного газа, например, азота, может быть желательно для уменьшения нежелательных эффектов окисления в ходе процесса печати и/или вулканизации каучуковой детали прямо на рабочем столе. Кроме того, влажность в кожухе может поддерживаться на оптимальном целевом значении. Если кожух выполнен для обеспечения барокамеры, нанесение и вулканизация частично вулканизированного каучука на рабочем столе может осуществляться при повышенной температуре и давлении, отличном от давления окружающего воздуха. Например, каучуковый материал, нанесенный на рабочий стол, может таким образом обрабатываться сжатым насыщенным паром для дополнительного ускорения процесса вулканизации.According to a preferred embodiment of the invention, the work table is located in a preferably airtight housing. This reduces the energy consumption of the printing process. Optionally, the desktop can be placed in a controlled atmosphere that may be different from the external atmosphere of the 3D printer system. For example, exposing the extruded, partially vulcanized rubber applied to the worktable to an atmosphere containing more than 95% of an inert gas, such as nitrogen, may be desirable to reduce the undesirable effects of oxidation during the process of printing and/or vulcanizing the rubber part directly on the worktable. In addition, the humidity in the housing can be maintained at an optimal target value. If the casing is designed to provide a pressure chamber, the application and curing of the partially vulcanized rubber on the work table can be carried out at elevated temperature and pressure, different from the pressure of the surrounding air. For example, the rubber material deposited on the worktable can thus be treated with pressurized saturated steam to further speed up the vulcanization process.

Согласно дополнительному варианту осуществления изобретения по меньшей мере часть второго средства нагрева расположена в или на кожухе. Это обеспечивает нагрев частично вулканизированного каучука, нанесенного на рабочий стол сбоку и/или сверху.According to a further embodiment of the invention, at least part of the second heating means is located in or on the casing. This provides heat to the partially vulcanized rubber applied to the worktable from the side and/or top.

Согласно дополнительному варианту осуществления изобретения по меньшей мере часть второго средства нагрева может быть выполнена как радиатор с вентиляторами. Радиатор с вентиляторами, в частности, могут располагаться под рабочим столом или на указанном кожухе и быть обеспечен воздуховодами для направления теплого/горячего воздуха от радиатора с вентиляторами к верхней стороне рабочего стола. According to a further embodiment of the invention, at least part of the second heating means can be configured as a heatsink with fans. The fan heatsink, in particular, may be located under the worktable or on said shroud and be provided with air ducts for directing warm/hot air from the fan heatsink to the top side of the worktable.

Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения 3D-принтер содержит вторую печатающую головку для печати опорных конструкций или заполняющих конструкций для упруго деформируемой каучуковой детали, подлежащей печати. Указанные опорные или заполняющие конструкции необходимо печатать из материала более жесткого, чем упругий каучуковый материал каучукового тела, подлежащего печати. Поэтому вторая печатающая головка выполнена и размещена так, чтобы экструдировать опорный/заполняющий материал, например, термопластический материал, например, полимолочную кислоту или пригодный термореактопласт. Оба, первый и второй экструдер или печатающие головки предпочтительно управляются электронным блоком управления. Опорная конструкция может, например, служить опорой для иначе не поддерживаемых выступов формируемой каучуковой детали. Кроме того, опорная конструкция может служить поперечной опорой или даже вместилищем для каучуковой детали, формируемой на рабочем столе. Таким образом, при необходимости можно реализовать более качественную чистовую обработку поверхности каучуковой детали. Указанная опорная конструкция также может служить для формирования на поверхности каучуковой детали микроструктур, которые иначе может быть трудно создавать. Следует отметить, что опорная конструкция может альтернативно выступать в роли усиления каучуковой детали, которое навсегда остается встроенной в нее. В этом случае, каучуковая деталь выполнена в виде многокомпонентной детали.According to a preferred embodiment of the invention, the 3D printer includes a second print head for printing support structures or infill structures for an elastically deformable rubber part to be printed. Said support or filling structures need to be printed from a material that is more rigid than the resilient rubber material of the rubber body to be printed. Therefore, the second printhead is configured and positioned to extrude a support/fill material, such as a thermoplastic material such as polylactic acid or a suitable thermoset. Both the first and second extruder or print heads are preferably controlled by an electronic control unit. The support structure may, for example, support otherwise unsupported protrusions of the rubber piece being formed. In addition, the support structure can serve as a lateral support or even a container for a rubber piece formed on the work table. Thus, if necessary, a better surface finish of the rubber part can be realized. Said support structure may also serve to form microstructures on the surface of the rubber piece which may otherwise be difficult to create. It should be noted that the support structure may alternatively act as a reinforcing piece of rubber that remains permanently embedded in it. In this case, the rubber part is made as a multi-component part.

Первая и вторая печатающие головки, согласно изобретению, предпочтительно выполнены с возможностью активирования независимо друг от друга. Каждый из экструдера и второй печатающей головки выполнен с возможностью сдвига из активной позиции печати в неактивную позицию и наоборот относительно рабочего стола. Только один из экструдера и второй печатающей головки выполнен с возможностью одновременного расположения в активной позиции печати. Это позволяет легко избегать конфликтов экструдера/второй печатающей головки друг с другом или со слоями частично вулканизированного каучука, уже нанесенного на рабочий стол, в ходе работы системы 3D-печати.The first and second printheads according to the invention are preferably configured to be activated independently of each other. Each of the extruder and the second printhead is slidable from an active print position to an inactive position and vice versa relative to the desktop. Only one of the extruder and the second printhead is configured to be located at the active print position at the same time. This makes it easy to avoid conflicts between the extruder/second print head with each other or with the layers of partially vulcanized rubber already applied to the build bed during the 3D printing system.

Согласно изобретению, способ 3D-печати упруго деформируемого каучукового тела, в частности, каучукового уплотнения, с использованием 3D-принтера, содержащего экструдер и первую печатающую головку, имеющую выпускное сопло, содержит следующие этапы, на которых:According to the invention, a method for 3D printing an elastically deformable rubber body, in particular a rubber seal, using a 3D printer comprising an extruder and a first print head having an outlet nozzle, comprises the following steps, in which:

обеспечивают невулканизированный сырой каучук R в форме полос, шариков и т.п.;provide unvulcanized raw rubber R in the form of strips, balls, and the like;

подают невулканизированный сырой каучук в экструдер через впускное отверстие;feeding the unvulcanized raw rubber into the extruder through the inlet;

нагревают невулканизированный сырой каучук в экструдере посредством подвода тепла и перемешивания нагретого каучука в экструдере;heating the unvulcanized raw rubber in the extruder by supplying heat and stirring the heated rubber in the extruder;

частично вулканизируют нагретый сырой каучук R в экструдере;partially vulcanizing the heated raw rubber R in an extruder;

нагревают рабочий стол;heat the desktop;

формируют первый слой частично вулканизированного каучука R посредством экструдирования частично вулканизированного каучука из сопла экструдера и наносят экструдированный частично вулканизированный каучук R на рабочий стол при перемещении экструдера и рабочего стола относительно друг друга;forming a first layer of partially vulcanized rubber R by extruding the partially vulcanized rubber from an extruder nozzle, and applying the extruded partially vulcanized rubber R to the worktable while moving the extruder and the worktable relative to each other;

печатают последующие слои частично вулканизированнго каучука R посредством экструдирования дополнительного частично вулканизированного каучука R из сопла и наносят экструдированный каучук поверх соответствующего непосредственно предшествующего слоя частично вулканизированного каучука R при перемещении сопла и рабочего стола относительно друг друга на заданное расстояние, причем расстояние обеспечивает механическое вдавливание вновь экструдированного частично вулканизированного каучука R в соответствующий непосредственно предшествующий слой частично вулканизированного каучука R;subsequent layers of partially vulcanized rubber R are printed by extruding additional partially vulcanized rubber R from a nozzle, and the extruded rubber is applied over the corresponding immediately preceding layer of partially vulcanized rubber R by moving the nozzle and worktable relative to each other by a predetermined distance, the distance providing mechanical indentation of the newly extruded partially vulcanized rubber R into the corresponding immediately preceding layer of partially vulcanized rubber R;

дополнительно вулканизируют каждый из слоев каучука после нанесения на рабочий стол пока полученное методом 3D-печати каучуковое тело не будет вулканизировано до требуемого состояния вулканизации на рабочем столе.additionally vulcanizing each of the rubber layers after application to the worktable until the 3D-printed rubber body is vulcanized to the desired state of vulcanization on the worktable.

Способ 3D-печати упруго деформируемого каучукового тела согласно изобретению позволяет изготавливать каучуковые детали, которые демонстрируют характеристики материала и точность размеров, сравнимые с такими же, как у соответствующих каучуковых деталей, полученных инжекционным формованием. Нет необходимости в дорогостоящих формах, которые необходимы для инжекционного формования, что позволяет экономично изготавливать даже единственную копию или малые количества одинаковых каучуковых деталей.The 3D printing method of an elastically deformable rubber body according to the invention makes it possible to produce rubber parts that exhibit material characteristics and dimensional accuracy comparable to those of corresponding injection molded rubber parts. There is no need for expensive molds that are required for injection molding, which makes it possible to economically produce even a single copy or small quantities of identical rubber parts.

Частичная пре-вулканизация нагретого каучука в экструдере позволяет точно наносить экструдированный частично вулканизированный каучук без опасности утечки, разбрызгивания или расползания, что поставило бы под угрозу точность размеров формируемого каучукового тела (детали). Дополнительно, вязкость нагретого невулканизированного каучука снижается под действием деформации сдвига внутри экструдера. Этому неньютоновскому поведению можно противодействовать посредством частичной вулканизации нагретого каучука внутри экструдера. Это облегчает управление экструзией каучука. Дополнительно, можно предотвратить нежелательный срыв фазы нагретого каучука и возможных включенных в него дополнительных соединений или добавок. Таким образом, можно снизить опасность неоднородности материального состава каучука, экструдированного из сопла, и, таким образом, неоднородности материального состава, а также неравномерности характеристики материала формируемой каучуковой детали.The partial pre-vulcanization of the heated rubber in the extruder allows the extruded partially vulcanized rubber to be accurately applied without the risk of leakage, splashing or spreading that would compromise the dimensional accuracy of the formed rubber body (part). Additionally, the viscosity of the heated green rubber is reduced by shear within the extruder. This non-Newtonian behavior can be counteracted by partially curing the heated rubber inside the extruder. This facilitates the control of rubber extrusion. Additionally, undesirable phase separation of the heated rubber and possible additional compounds or additives included therein can be prevented. In this way, it is possible to reduce the risk of inhomogeneity in the material composition of the rubber extruded from the nozzle, and thus inhomogeneity in the material composition, as well as inhomogeneity of the material characteristic of the formed rubber part.

Дополнительно, благодаря частичному вдавливанию экструдированного каучука в соответствующий непосредственно предшествующий слой каучука, связывание между соответствующими слоями частично вулканизированного каучука может значительно усиливаться. Таким образом, можно гарантировать повышенную механическую устойчивость, а также равномерную характеристику материала, полученного методом 3D-печати каучукового тела. Кроме того, вдавливание приводит к дополнительной деформации сдвига частично вулканизированного каучука как в отношении вновь нанесенного каучука, так и слоя каучука непосредственно под ним. Это способствует локальной вулканизации каучука в зоне контакта двух слоев. Дополнительная вулканизация каучука после нанесения на рабочий стол продолжается посредством подвода тепла, размеры уже напечатанных слоев каучука дополнительно стабилизируются, пока продолжается процесс печати.Additionally, by partially indenting the extruded rubber into the respective immediately preceding rubber layer, bonding between the respective partially vulcanized rubber layers can be significantly enhanced. In this way, improved mechanical stability as well as a uniform characteristic of the 3D printed rubber body material can be guaranteed. In addition, indentation results in additional shear deformation of the partially vulcanized rubber, both in relation to the newly applied rubber and the rubber layer immediately below it. This contributes to the local vulcanization of rubber in the contact zone of the two layers. The additional vulcanization of the rubber after application to the worktable is continued by applying heat, the dimensions of the rubber layers already printed are further stabilized while the printing process continues.

Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения нагретый каучук частично вулканизируется в экструдере только посредством подвода тепла и его механического перемешивания в экструдере. Это позволяет точно управлять частичной вулканизацией нагретого сырого каучука в экструдере, а также упростить конструкцию экструдера.According to a preferred embodiment of the invention, the heated rubber is partially vulcanized in the extruder only by supplying heat and mechanically mixing it in the extruder. This allows precise control of the partial vulcanization of the heated green rubber in the extruder, as well as simplification of the extruder design.

Способ 3D-печати согласно изобретению может дополнительно содержать этап, на котором продвигают экструдер к рабочему столу в самом конце печати каждого слоя на рабочем столе. Таким образом, можно препятствовать нежелательной деформации вновь нанесенного слоя и/или соответственно непосредственно предшествующего слоя частично вулканизированного каучукового материала. В частности, можно препятствовать нежелательному отставанию вновь нанесенного слоя частично вулканизированного каучука от рабочего стола или соответствующего непосредственно предшествующего слоя частично вулканизированного каучукового материала.The 3D printing method according to the invention may further comprise advancing the extruder towards the worktable at the very end of printing each layer on the worktable. In this way, undesirable deformation of the newly applied layer and/or the immediately preceding layer of the partially vulcanized rubber material can be prevented. In particular, it is possible to prevent the newly applied layer of partially vulcanized rubber from undesirably lagging behind the working table or the corresponding immediately preceding layer of partially vulcanized rubber material.

Этап продвижения предпочтительно осуществляют до прерывания экструдирования частично вулканизированного каучука и перемещения печатающей головки в направлении от рабочего стола.The advance step is preferably carried out prior to interrupting the extrusion of the partially vulcanized rubber and moving the print head away from the work table.

Согласно дополнительному предпочтительному варианту осуществления изобретения для каждого прерывания экструзии частично вулканизированной каучука, рабочее давление, действующее на частично вулканизированный каучук в экструдере, может снижаться под управлением электронного блока управления. Таким образом, можно препятствовать нежелательной утечке частично вулканизированного каучука из сопла экструдера, когда оно неактивно.According to a further preferred embodiment of the invention, for each interruption in the extrusion of the partially vulcanized rubber, the operating pressure acting on the partially vulcanized rubber in the extruder may be reduced under the control of an electronic control unit. Thus, undesirable leakage of partially vulcanized rubber from the extruder nozzle when it is inactive can be prevented.

Согласно дополнительному предпочтительному варианту осуществления изобретения способ 3D-печати отличается тем, что содержит дополнительный этап, на котором создают опорную конструкцию для любого или всех слоев невулканизированного каучука посредством печати и отверждения термопластического материала или термореактопласта или другой разновидности подходящего материала на рабочем столе. Это позволяет осуществлять 3D-печать каучуковых деталей практически любой геометрической формы.According to a further preferred embodiment of the invention, the 3D printing method is characterized in that it comprises the additional step of creating a support structure for any or all of the green rubber layers by printing and curing a thermoplastic material or a thermoset or other variety of suitable material on a worktable. This allows 3D printing of rubber parts of almost any geometric shape.

Дополнительные преимущества настоящего изобретения следуют из подробного описания изобретения, а также из чертежей. Необходимо заметить, что варианты осуществления изобретения, показанные в чертежах, а также описанные в связи с ними, являются лишь иллюстративными по своей сути и служат для лучшего понимания изобретения.Additional advantages of the present invention follow from the detailed description of the invention as well as from the drawings. It should be noted that the embodiments of the invention shown in the drawings, as well as described in connection with them, are only illustrative in nature and serve to better understand the invention.

Краткое описание чертежейBrief description of the drawings

На чертежах,On the drawings

фиг. 1 демонстрирует систему 3D-принтера для печати каучукового тела, в частности, каучукового уплотнения, содержащего электронно управляемый одношнековый экструдер для нагрева, перемешивания и частичной вулканизации каучуковых полос, подаваемых в экструдер;fig. 1 shows a 3D printer system for printing a rubber body, in particular a rubber seal, comprising an electronically controlled single screw extruder for heating, agitating and partially curing the rubber strips fed into the extruder;

фиг. 2 демонстрирует более детализированный вид экструдера системы 3D-печати согласно фиг. 1;fig. 2 shows a more detailed view of the extruder of the 3D printing system of FIG. one;

фиг. 3 демонстрирует детальный частичный вид одношнекового экструдера в области, обозначенной “A” на фиг. 2;fig. 3 shows a detailed partial view of a single screw extruder in the area marked "A" in FIG. 2;

фиг. 4 демонстрирует детальный частичный вид одношнекового экструдера в области, обозначенной “B” на фиг. 2;fig. 4 shows a detailed partial view of a single screw extruder in the area labeled “B” in FIG. 2;

фиг. 5 демонстрирует вид сбоку предпочтительного варианта осуществления шнека одношнекового экструдера, показанного на фиг. 1;fig. 5 shows a side view of a preferred embodiment of the screw of the single screw extruder shown in FIG. one;

фиг. 6 демонстрирует частичный вид сбоку шнека, как указано на фиг. 5;fig. 6 shows a partial side view of the screw as shown in FIG. 5;

фиг. 7 демонстрирует вид сбоку первого варианта осуществления рабочего стола системы 3D-принтера согласно фиг. 1;fig. 7 shows a side view of the first embodiment of the desktop of the 3D printer system of FIG. one;

фиг. 8 демонстрирует вид сбоку дополнительного предпочтительного варианта осуществления рабочего стола системы 3D-принтера согласно фиг. 1;fig. 8 shows a side view of a further preferred embodiment of the desktop of the 3D printer system of FIG. one;

фиг. 9 демонстрирует вид сбоку дополнительного варианта осуществления рабочего стола системы 3D-принтера согласно фиг. 1;fig. 9 shows a side view of an additional embodiment of the desktop of the 3D printer system of FIG. one;

фиг. 10 демонстрирует вид сбоку дополнительного варианта осуществления рабочего стола системы 3D-принтера согласно фиг. 1;fig. 10 shows a side view of an additional embodiment of the desktop of the 3D printer system of FIG. one;

фиг. 11 демонстрирует частичный вид в разрезе сопла экструдера системы 3D-принтера согласно фиг. 1;fig. 11 shows a partial sectional view of the extruder nozzle of the 3D printer system of FIG. one;

фиг. 12 демонстрирует второй вариант осуществления системы 3D-принтера, имеющей пару печатающих головок, каждая из которых содержит экструдер;fig. 12 shows a second embodiment of a 3D printer system having a pair of printheads each containing an extruder;

фиг. 13 демонстрирует частично разобранный вид корпусов экструдера для двух экструдеров системы 3D-принтера согласно фиг. 12;fig. 13 shows a partially exploded view of the extruder bodies for the two extruders of the 3D printer system of FIG. 12;

фиг. 14 демонстрирует схему экструдеров системы 3D-принтера согласно фиг. 12;fig. 14 shows a diagram of the extruders of the 3D printer system of FIG. 12;

фиг. 15 демонстрирует схему экструдеров системы 3D-принтера согласно фиг. 12 в ходе печати опорной конструкции из термопласта или термореактопласта;fig. 15 shows a diagram of the extruders of the 3D printer system of FIG. 12 during printing of the thermoplastic or thermoset support structure;

фиг. 16 демонстрирует схему экструдеров системы 3D-принтера согласно фиг. 12 в ходе печати упруго деформируемой каучуковой детали; иfig. 16 shows a diagram of the extruders of the 3D printer system of FIG. 12 during printing of the elastically deformable rubber piece; and

фиг. 17 демонстрирует блок-схему способа 3D-печати упруго деформируемого каучукового тела с использованием системы 3D-принтера, как указано на фиг. 1-16.fig. 17 shows a flowchart of a method for 3D printing an elastically deformable rubber body using a 3D printer system as indicated in FIG. 1-16.

Описание вариантов осуществления изобретенияDescription of embodiments of the invention

На фиг. 1 схематически изображен первый вариант осуществления системы 10 3D-принтера согласно изобретению. Система 10 3D-принтера служит для печати упруго деформируемых каучуковых деталей или тел 12, например, каучуковых уплотнений. Система 10 3D-принтера содержит первую печатающую головку в форме экструдера 14 и рабочего стола 16, на котором печатается соответствующая каучуковая деталь 12. Экструдер 14 выполнен с возможностью поступательного перемещения относительно рабочего стола 16 по трем осям X, Y, Z приводным средством 18.In FIG. 1 schematically shows a first embodiment of a 3D printer system 10 according to the invention. The 3D printer system 10 is used to print elastically deformable rubber parts or bodies 12, such as rubber seals. The 3D printer system 10 contains the first printhead in the form of an extruder 14 and a desktop 16, on which the corresponding rubber part 12 is printed.

Экструдер 14 выполнен в виде одношнекового экструдера 14 и содержит корпус 20 с внутренней камерой 22, в которой единственный шнек 24 размещен с возможностью вращения вокруг оси 26 вращения. Шнек 24 предпочтительно имеет единственный начальный виток 28 и приводится в действие электрическим двигателем 30.The extruder 14 is made in the form of a single screw extruder 14 and includes a housing 20 with an inner chamber 22 in which a single screw 24 is placed for rotation around the axis 26 of rotation. The screw 24 preferably has a single initial flight 28 and is driven by an electric motor 30.

Корпус 20 экструдера отличается наличием первого средства 32 нагрева. Первое средство 32 нагрева, предпочтительно, размещено в стенке 34 корпуса и может быть сформировано как электрическое средство резистивного нагрева. Первое средство 32 нагрева по меньшей мере частично охватывает внутреннюю камеру 22 экструдера 14 для обеспечения равномерного нагрева сырого каучука R, подаваемого во внутреннюю камеру 22 через впускное отверстие 36 экструдера 14. Рабочий стол 16 отличается наличием второго средства нагрева, не показанного на фиг. 1, которое будет дополнительно описано ниже.The extruder body 20 is characterized by the presence of the first heating means 32 . The first heating means 32 is preferably housed in the housing wall 34 and may be formed as an electrical resistance heating means. The first heating means 32 at least partially surrounds the inner chamber 22 of the extruder 14 to ensure uniform heating of the raw rubber R supplied to the inner chamber 22 through the inlet 36 of the extruder 14. The work table 16 is characterized by the presence of a second heating means, not shown in FIG. 1, which will be further described below.

Система 10 3D-принтера дополнительно содержит программируемое электронный блок 38 управления. Электронный блок 38 управления содержит по меньшей мере один датчик 40 температуры для определения температуры нагретого каучукового материала внутри экструдера и датчик 42 давления для определения рабочего давления в экструдере 14. Электронный блок управления служит для управления приводным средством, электрическим двигателем 30 шнека 24, а также первым средством 32 нагрева и вторым средством нагрева рабочего стола 16. Электронный блок 38 управления, в частности, может содержать компьютер, например, рабочую станцию или персональный компьютер, имеющий запоминающее устройство, на котором хранятся исполнимое программное обеспечение, а также прикладное программное обеспечение для управления процессом 3D-печати (не показанное на фигурах).The 3D printer system 10 further comprises a programmable electronic control unit 38 . The electronic control unit 38 comprises at least one temperature sensor 40 for detecting the temperature of the heated rubber material inside the extruder and a pressure sensor 42 for detecting the operating pressure in the extruder 14. The electronic control unit serves to control the driving means, the electric motor 30 of the screw 24, and also the first a heating means 32 and a second heating means for the desktop 16. The electronic control unit 38, in particular, may include a computer, for example, a workstation or a personal computer, having a memory device that stores executable software, as well as application software for controlling the process. 3D printing (not shown in the figures).

Экструдер 14, в направлении оси 26 вращения, демонстрирует верхнюю зону 44 подачи или впуска, которая включает в себя впускное отверстие 36, зону 46 нагрева и перемешивания и нижнюю зону 48 экструзии. Нижняя зона 48 экструзии отличается наличием сопла 50, который служит для раздачи, то есть для экструзии, нагретого и частично вулканизированного каучука, который обозначена R на чертежах.The extruder 14, in the direction of the axis of rotation 26, exhibits an upper feeding or inlet zone 44, which includes an inlet 36, a heating and mixing zone 46, and a lower extrusion zone 48. The lower extrusion zone 48 is characterized by the presence of a nozzle 50 which serves to dispense, ie extrude, the heated and partially vulcanized rubber, which is designated R in the drawings.

На фиг. 2 показан выделенный частичный вид экструдера 14 системы 3D-принтера. Следует понимать, что диаметр d отверстия сопла 50, используемого для экструзии нагретого и частично вулканизированного каучука R, выбирается в зависимости от размеров каучукового тела, подлежащего печати. Частичная вулканизация нагретого сырого каучука R достигается посредством подвода тепла, а также его перемешивания во внутренней камере 22 экструдера 14.In FIG. 2 is a highlighted partial view of the extruder 14 of the 3D printer system. It should be understood that the orifice diameter d of the nozzle 50 used to extrude the heated and partially vulcanized rubber R is selected depending on the dimensions of the rubber body to be printed. Partial vulcanization of the heated raw rubber R is achieved by supplying heat as well as mixing it in the inner chamber 22 of the extruder 14.

Экструдер 14 выполнен с возможностью известного сдвигового разжижения нагретого (и не вулканизированного) каучука, то есть к неньютоновскому поведению нагретого сырого каучука R под действием деформации сдвига. Поэтому во впускной зоне 44 экструдера 14, не существует или существует лишь малый зазор 52 между шнеком и внутренней поверхностью 54 стенки 34 корпуса, как показано более подробно на фиг. 3. Это позволяет создавать во внутренней камере 22 рабочее давление, необходимое для экструдирования частично вулканизированного каучука R.The extruder 14 is configured to shear thin the heated (and not vulcanized) rubber in a known manner, ie to the non-Newtonian behavior of the heated raw rubber R under shear strain. Therefore, in the inlet zone 44 of the extruder 14, there is no or only a small gap 52 between the screw and the inner surface 54 of the housing wall 34, as shown in more detail in FIG. 3. This makes it possible to create in the inner chamber 22 the working pressure necessary for extruding the partially vulcanized rubber R.

Напротив, в зоне 46 нагрева и перемешивания, а также в зоне 48 экструзии, зазор 52 между шнеком 24 и внутренней поверхностью 48 стенки 34 корпуса больше, которая может дополнительно увеличиваться в размере в направлении к соплу 50, см. фиг. 4. Таким образом, нагретый каучук может принудительно направляться в осевом направлении к соплу 50 (прямой поток) экструдера 14 за счет вращения шнека 24 и частично течь назад (обратный поток) через зазор 52. Это значительно улучшает перемешивание нагретого каучука в зоне нагрева и перемешивания внутренней камеры 22 экструдера 14. Дополнительно, это приводит к заданной частичной вулканизации нагретого каучука при достаточном времени воздействия на него тепла, выделяемого первым средством 32 нагрева экструдера 14, а также вследствие деформации сдвига нагретого каучука в ходе процесса перемешивания.In contrast, in the heating and mixing zone 46, as well as in the extrusion zone 48, the gap 52 between the screw 24 and the inner surface 48 of the housing wall 34 is larger, which can further increase in size towards the nozzle 50, see FIG. 4. In this way, the heated rubber can be forced axially toward the nozzle 50 (forward flow) of the extruder 14 by the rotation of the screw 24 and partially flow backwards (reverse flow) through the gap 52. This greatly improves the mixing of the heated rubber in the heating and mixing zone. of the inner chamber 22 of the extruder 14. Additionally, this results in the desired partial curing of the heated rubber, given sufficient exposure time to the heat generated by the first heating means 32 of the extruder 14, and due to the shear deformation of the heated rubber during the mixing process.

Шнек 24 предпочтительно имеет зазубренные винтовые края 56, как показано на фиг. 5 и 6 таким образом, что каучуковый материал в виде полосы, подаваемой в экструдер 14, захватывается зазубринами 58 винтовых краев 56 и затягивается прямо во внутреннюю камеру 22 вращающимся шнеком 24. Зазубрены 58 могут быть обеспечены режущими краями 60. Это позволяет дополнительно измельчать полосу сырого каучука, подаваемый в экструдер 14. Это облегчает быстрый и равномерный нагрев сырого каучука R внутри экструдера 14.The screw 24 preferably has serrated helical edges 56 as shown in FIG. 5 and 6 in such a way that the rubber material in the form of a strip fed into the extruder 14 is caught by the barbs 58 of the helical edges 56 and drawn directly into the inner chamber 22 by the rotating screw 24. The barbs 58 can be provided with cutting edges 60. rubber fed into the extruder 14. This facilitates rapid and uniform heating of the raw rubber R inside the extruder 14.

На фиг. 7 показан вид сбоку первого варианта осуществления рабочего стола 16 системы 10 3D-принтера согласно фиг. 1. Второе средство 62 нагрева рабочего стола 16 располагается под рабочим столом 16 и может быть частично или полностью встроено в материал рабочего стола 16. Рабочий стол 16 предпочтительно состоит из материала, известного как хороший проводник тепла, например, металла или технической керамики. Второе средство 62 нагрева, в частности, может быть сформировано как электрическое средство резистивного нагрева.In FIG. 7 is a side view of a first embodiment of the desktop 16 of the 3D printer system 10 of FIG. 1. The second means 62 for heating the worktable 16 is located below the worktable 16 and may be partly or completely embedded in the material of the worktable 16. The worktable 16 preferably consists of a material known to be a good conductor of heat, such as metal or technical ceramics. The second heating means 62 may in particular be formed as electrical resistance heating means.

Согласно варианту осуществления рабочего стола 16, изображенному на фиг. 8, второе средство 62 нагрева может альтернативно или дополнительно содержать один или более нагревательных вентиляторов 64, за счет которых может генерироваться тяга теплого/горячего воздуха. Могут быть обеспечены воздуховоды 66 для направления теплого/горячего воздуха непосредственно к верхней стороне 68 рабочего стола 16 и напечатанной каучуковой детали (телу) 12, установленной на нем в ходе процесса 3D-печати. Это позволяет дополнительно вулканизировать напечатанный каучуковый материал снаружи внутрь. Нагревательные вентиляторы 64 могут располагаться под рабочим столом 16 для обеспечения достаточного зазора для экструдера 14.According to the desktop 16 embodiment shown in FIG. 8, the second heating means 62 may alternatively or additionally comprise one or more heating fans 64 by which a draft of warm/hot air can be generated. Air ducts 66 may be provided to direct warm/hot air directly to the top side 68 of the desktop 16 and the printed rubber piece (body) 12 mounted thereon during the 3D printing process. This allows the printed rubber material to be further vulcanized from the outside to the inside. Heating fans 64 may be located under the worktable 16 to provide sufficient clearance for the extruder 14.

Система 10 3D-принтера может дополнительно содержать кожух 70, образующий камеру 72 печати с размещенным в ней рабочим столом 16, как проиллюстрировано в порядке примера на фиг. 9 и 10. Кожух 70 позволяет размещать рабочий стол в атмосфере C, которой можно более легко управлять, в частности, в отношении ее температуры, влажности и/или газового состава. Например, помещение напечатанного, экструдированного, частично вулканизированного каучука в атмосферу C, содержащую более 95% инертного газа, может быть желательно для уменьшения нежелательного воздействия кислорода в ходе процесса печати и вулканизации каучуковой детали. Уровень температуры атмосферы C в кожухе 70 можно регулировать более легко и очень экономично до данной целевой температуры, подходящей для дополнительной вулканизации экструдированного/напечатанного каучука в камере 72 печати по сравнению с фабричным цехом или производственным помещением. Как известно, кожух 70 может быть дополнительно или альтернативно обеспеченобеспечен вторым средством 62 нагрева для дополнительной вулканизации напечатанной каучуковой детали (тела) 12 частично вулканизированного каучука R. Второе средство 62 нагрева может располагаться в центральном участке кожуха 70 и может содержать, например, один или более инфракрасных радиаторов.The 3D printer system 10 may further comprise a housing 70 defining a print chamber 72 with a desktop 16 housed therein, as illustrated by way of example in FIG. 9 and 10. The housing 70 allows the worktable to be placed in an atmosphere C which can be more easily controlled, in particular with respect to its temperature, humidity and/or gas composition. For example, exposing printed, extruded, partially vulcanized rubber to a C atmosphere containing more than 95% inert gas may be desirable to reduce undesirable oxygen exposure during the process of printing and curing the rubber piece. The temperature level of the atmosphere C in the housing 70 can be adjusted more easily and very economically to a given target temperature suitable for additional curing of the extruded/printed rubber in the printing chamber 72 compared to the factory floor or production room. As is known, the casing 70 may additionally or alternatively be provided with a second heating means 62 for further curing the printed rubber piece (body) 12 of the partially vulcanized rubber R. The second heating means 62 may be located in the central portion of the casing 70 and may comprise, for example, one or more infrared radiators.

Согласно варианту осуществления рабочего стола 16, показанному на фиг. 10, второе средство 62 нагрева кожуха 70 может содержать один или более нагревательных вентиляторов 64, установленных непосредственно на кожухе, в частности, на его боковой стенке 74, и составлять с ним одно целое.According to the desktop 16 embodiment shown in FIG. 10, the second means 62 for heating the housing 70 may comprise one or more heating fans 64 mounted directly on the housing, in particular on its side wall 74, and integral with it.

Фиг. 11 демонстрирует детальный частичный вид в разрезе сопла 50 экструдера 14 согласно фиг. 2 в ходе экструзии нагретого и частично вулканизированного каучука R на рабочем столе 16. Несколько слоев 76a, 76b, 76c, …, 76n частично вулканизированного каучука R нанесены один поверх другого. При этом первый и второй слои 76a, 76b каучука уже завершены формируемым третьим слоем 76c. Первый слой 76a каучука наносится непосредственно на рабочий стол 16 и непосредственно контактирует с ним. Дополнительно частично вулканизированный каучук R экструдируется из экструдера и наносится непосредственно поверх соответствующего предшествующего (второго) слоя каучука, пока сопло 50 экструдера 14 перемещается относительно рабочего стола 16 в заданном направлении 78.Fig. 11 shows a detailed partial sectional view of the nozzle 50 of the extruder 14 of FIG. 2 during the extrusion of the heated and partially vulcanized rubber R on the working table 16. Several layers 76a, 76b, 76c, ..., 76n of the partially vulcanized rubber R are deposited one on top of the other. Here, the first and second rubber layers 76a, 76b are already completed by the third layer 76c being formed. The first rubber layer 76a is applied directly to the worktable 16 and directly contacts it. The additional partially vulcanized rubber R is extruded from the extruder and applied directly over the corresponding preceding (second) rubber layer while the nozzle 50 of the extruder 14 is moving relative to the worktable 16 in the predetermined direction 78.

Сопло 50 остается на заданном расстоянии 80 от соответствующего непосредственно предшествующего слоя 76a, 76b частично вулканизированного каучука R в ходе экструдирования частично вулканизированного каучука R из экструдера 14 и с заданной скоростью V. Заданные расстояние 80, скорость V перемещения экструдера относительно рабочего стола 16, а также объемный расход частично вулканизированного каучука R определяются таким образом, что частично вулканизированный каучук R, после его экструзии, механически вдавливается в соответствующий непосредственно предшествующий слой 76a, 76b, 76c, …, 76n частично вулканизированного каучука R в ходе его нанесения на указанный слой 76a, 76b, 76c, …, 76n частично вулканизированного каучука R. Это значительно усиливает вулканизацию и, таким образом, улучшает связывание различных слоев 76a, 76b, 76c, …, 76n каучука в ходе процесса 3D-печати. В результате, полученная методом 3D-печати каучуковая деталь может освобождаться с механической устойчивостью, которая соответствует механической устойчивости каучуковых деталей, изготовленных в процессе инжекционного формования. Можно препятствовать нежелательному образованию полостей или расхождению слоев. Дополнительно, можно таким образом повышать стабильность размеров напечатанных слоев частично вулканизированной каучука. Заметим, что вулканизация каучука продолжается на протяжении процесса печати и после него. Полностью полученная методом 3D-печати каучуковая деталь остается на рабочем столе 16, пока не достигнет требуемого состояния вулканизации, то есть нужной плотности поперечных связей. Это может занять несколько часов.The nozzle 50 remains at a predetermined distance 80 from the respective immediately preceding layer 76a, 76b of partially vulcanized rubber R during extrusion of the partially vulcanized rubber R from the extruder 14 and at a predetermined speed V. Predetermined distance 80, speed V of movement of the extruder relative to the working table 16, and the volumetric flow rate of the partially vulcanized rubber R is determined in such a way that the partially vulcanized rubber R, after its extrusion, is mechanically pressed into the corresponding immediately preceding layer 76a, 76b, 76c, ..., 76n of the partially vulcanized rubber R during its application to said layer 76a, 76b , 76c, ..., 76n of the partially vulcanized rubber R. This greatly enhances the vulcanization and thus improves the bonding of the various rubber layers 76a, 76b, 76c, ..., 76n during the 3D printing process. As a result, the 3D printed rubber part can be released with a mechanical stability that is consistent with the mechanical stability of the injection molded rubber parts. Undesirable formation of cavities or separation of layers can be prevented. Additionally, the dimensional stability of the printed layers of partially vulcanized rubber can thus be increased. Note that the vulcanization of the rubber continues during and after the printing process. The fully 3D printed rubber part remains on the work table 16 until it reaches the desired vulcanization state, i.e. the desired cross-link density. This may take several hours.

Теперь обратимся к фиг. 12, где изображен дополнительный вариант осуществления системы 10 3D-принтера, которая отличается наличием второй печатающей головки 82. Вторая печатающая головка 82 служит для печати опорной и/или заполняющей конструкций для каучуковой детали, печатаемой первым экструдером 14 на рабочем столе 16. Как показано на фиг. 13, вторая печатающая головка 82 также может содержать шнековый экструдер 14’, в частности, одношнековый экструдер 14’ с вышеописанным первым средством 32 нагрева. Вторая печатающая головка 82 способна перемещаться по трем осям X, Y, Z перемещения, таким же образом, как экструдер 14, описанный выше со ссылкой на фиг. 1. Согласно фиг. 14, либо экструдер 14, либо вторая печатающая головка может одновременно располагаться в активной позиции 84 печати относительно рабочего стола 16. На фиг. 14 показано, что экструдер 14 расположен в указанной активной позиции 84 печати. Вторая печатающая головка 82 показана в ее неактивной позиции 86. Активная и неактивная позиция 84, 86 экструдера 14/ второй печатающей головки 82 отделены друг от друга в направлении Z. Соответствующая позиция печати, а также соответствующая неактивная позиция предпочтительно свободно программируются и динамически регулируются в ходе процесса 3D-печати каучуковой детали.Let us now turn to FIG. 12, which depicts a further embodiment of a 3D printer system 10, which is characterized by the presence of a second print head 82. The second print head 82 is used to print the support and/or fill structures for the rubber part printed by the first extruder 14 on the desktop 16. As shown in fig. 13, the second print head 82 may also comprise a screw extruder 14', in particular a single screw extruder 14' with the first heating means 32 described above. The second print head 82 is movable along the three axes X, Y, Z of movement, in the same manner as the extruder 14 described above with reference to FIG. 1. According to FIG. 14, either the extruder 14 or the second printhead may be simultaneously located at the active print position 84 relative to the worktable 16. In FIG. 14 shows that the extruder 14 is located in the specified active printing position 84. The second print head 82 is shown in its inactive position 86. The active and inactive position 84, 86 of the extruder 14/second print head 82 are separated from each other in the Z direction. rubber part 3D printing process.

На фиг. 15 показана система 10 3D-принтера в ходе печати опорной конструкции 88 для каучуковой детали, которая подлежит печати в системе 10 3D-печати. Опорная конструкция 88 может печататься непосредственно на рабочем столе 16. Альтернативно, опорная конструкция 88 может по меньшей мере частично располагаться на слое каучука (см. фиг. 11), ранее экструдированном и (прямо или косвенно) нанесенном на рабочий стол 16. Опорная конструкция 88 предпочтительно печатается из термопласта или термореактивного полимера, который также известен как термореактопласт и который необратимо отверждается из экструдированного вязкого жидкого форполимера или смолы. Опорная конструкция 88 в общем случае удаляется после окончательной вулканизации полученного методом 3D-печати каучукового тела. Согласно фиг. 16, показано, что завершенная каучуковая деталь 12 напечатана прямо поверх опорной конструкции 88. Опорная конструкция 88 также может использоваться как напечатанная оболочка для каучуковой детали 12 (фиг. 1) для достижения более высокой устойчивости и точности ее размеров. Толщина слоя опорной конструкции 88 может быть меньше толщины слоя каучука для наивысшей точности, с необходимым количеством опорных слоев, предпочтительно напечатанных непосредственно перед следующим слоем каучука.In FIG. 15 shows the 3D printer system 10 in the course of printing a support structure 88 for a rubber part to be printed in the 3D printing system 10 . The support structure 88 may be printed directly onto the build table 16. Alternatively, the support structure 88 can be at least partially located on a layer of rubber (see FIG. 11) previously extruded and (directly or indirectly) applied to the build table 16. Support structure 88 preferably printed from a thermoplastic or thermoset polymer, which is also known as a thermoset and which is irreversibly cured from an extruded viscous liquid prepolymer or resin. The support structure 88 is generally removed after the final vulcanization of the 3D printed rubber body. According to FIG. 16, the completed rubber piece 12 is shown printed directly on top of the support structure 88. The support structure 88 can also be used as a printed shell for the rubber piece 12 (FIG. 1) to achieve higher stability and dimensional accuracy. The thickness of the layer of support structure 88 may be less than the thickness of the rubber layer for highest accuracy, with the required number of support layers preferably printed just before the next rubber layer.

Способ 100 3D-печати упруго деформируемого каучукового тела 12 согласно изобретению с использованием вышеупомянутой системы 10 3D-принтера, описан с дополнительной ссылкой на фиг. 17. Способ 100 содержит следующие этапы:A method 100 for 3D printing an elastically deformable rubber body 12 according to the invention using the aforementioned 3D printer system 10 is described with additional reference to FIG. 17. Method 100 includes the following steps:

обеспечение 102 невулканизированного сырого каучука R в форме полосок, шариков и т.п.;providing 102 unvulcanized raw rubber R in the form of strips, balls, and the like;

подачу 104 невулканизированного сырого каучука R в экструдер 14 через впускное отверстие 36;feeding 104 unvulcanized raw rubber R into the extruder 14 through the inlet 36;

нагрев 106 невулканизированного сырого каучука R в экструдере посредством подвода тепла и перемешивания 108 нагретого каучука в экструдере 14;heating 106 the unvulcanized raw rubber R in the extruder by supplying heat and stirring 108 the heated rubber in the extruder 14;

частичную вулканизацию 110 нагретого сырого каучука R в экструдере 14;partially curing 110 the heated raw rubber R in the extruder 14;

нагрев 112 рабочего стола 16;heating 112 desktop 16;

формирование 114 первого слоя 76a частично вулканизированного каучука R посредством экструдирования 116 частично вулканизированного каучука R из сопла 50 экструдера 14 и нанесения 118 экструдированного частично вулканизированного каучука R (прямо или косвенно) на рабочий стол 16 при перемещении 120 экструдера 14 и рабочего стола 16 в заданном направлении 78 относительно друг друга;forming 114 a first layer 76a of the partially vulcanized rubber R by extruding 116 the partially vulcanized rubber R from the nozzle 50 of the extruder 14 and applying 118 the extruded partially vulcanized rubber R (directly or indirectly) to the work table 16 while moving 120 the extruder 14 and the work table 16 in a predetermined direction 78 relative to each other;

печать 122 последующих слоев 76b, 76c, …76n частично вулканизированного каучука R посредством экструдирования 116 дополнительного частично вулканизированногокаучука R из сопла 50 и нанесения 118 экструдированного каучука поверх соответствующего непосредственно предшествующего слоя 76a, 76b, 76c, …, 76n каучука при перемещении сопла 50 и рабочего стола 16 относительно друг друга на заданное расстояние 80, причем расстояние 80 обеспечивает механическое вдавливание вновь экструдированного каучука в соответствующий непосредственно предшествующий слой 76 каучука; printing 122 subsequent layers 76b, 76c, ... 76n of partially vulcanized rubber R by extruding 116 additional partially vulcanized rubber R from nozzle 50 and applying 118 extruded rubber over the corresponding immediately preceding layer 76a, 76b, 76c, ..., 76n of rubber while moving nozzle 50 and working table 16 relative to each other at a predetermined distance 80, and the distance 80 provides mechanical indentation of the newly extruded rubber in the corresponding immediately preceding layer 76 of rubber;

дополнительную вулканизацию 124 каждого из слоев 76a каучука, 76b, 76c, …, 76n после нанесения на рабочий стол до требуемого, то есть заданного состояния вулканизации, полученного методом 3D-печати каучукового тела 12 на рабочем столе 16.additional vulcanization 124 of each of the rubber layers 76a, 76b, 76c, ..., 76n after being applied to the worktable to the desired, i.e. predetermined, vulcanization state obtained by 3D printing the rubber body 12 on the worktable 16.

Указанный способ 3D-печати позволяет послойно строить бесполостные каучуковые детали 12, которые обладают примерно такими же механическими характеристиками, в частности механической прочностью и точностью размеров, как соответствующая каучуковая деталь, полученная инжекционным формованием. Каучук может быть, например, любым нитриловым каучуком (NBR/HNBR, nitrile-based rubber), известным специалисту в данной области техники или каучуком других типов, например, фторкаучуком (FKM, fluororubber), каучуком на основе сополимера этилена, пропилена и диенового мономера (EPDM, ethylene propylene diene monomer), каучуком на основе сополимера алкилакрилата (ACM, alkyl acrylate copolymer rubber) или этилен-акриловый каучук (AEM, ethylene acrylic rubber).This 3D printing method makes it possible to layer-by-layer hollow rubber parts 12 that have approximately the same mechanical characteristics, in particular mechanical strength and dimensional accuracy, as the corresponding injection molded rubber part. The rubber can be, for example, any nitrile rubber (NBR/HNBR, nitrile-based rubber) known to the person skilled in the art, or other types of rubber, such as fluororubber (FKM, fluororubber), rubber based on a copolymer of ethylene, propylene and diene monomer (EPDM, ethylene propylene diene monomer), alkyl acrylate copolymer rubber (ACM, alkyl acrylate copolymer rubber) or ethylene acrylic rubber (AEM, ethylene acrylic rubber).

Способ может дополнительно содержать продвижение 126 экструдера 14 к рабочему столу 16 (в направлении оси Z), в самом конце печати каждого слоя 76 на рабочем столе 16. Этап 126 преимущественно осуществляется до или во время прерывания 128 экструдирования (116 частично вулканизированного каучука R и до отвода 130 экструдер 14 (в направлении оси Z) от рабочего стола 16 для его перемещения в позицию для печати следующего слоя 76b, 76c, …, 76n. Таким образом, можно препятствовать нежелательной деформации вновь нанесенного слоя и/или соответствующего непосредственно предшествующего слоя частично вулканизированного каучука R. Что важнее, можно препятствовать нежелательному отставанию вновь нанесенного слоя 76a, 76b, 76c, 76n частично вулканизированного каучука от рабочего стола 16 или соответствующего непосредственно предшествующего слоя 76a, 76b, 76c, …, 76n частично вулканизированного каучука R после перемещения экструдер 16 от рабочего стола 16.The method may further comprise advancing 126 the extruder 14 towards the worktable 16 (in the z direction), at the very end of each layer 76 being printed on the worktable 16. Step 126 is advantageously performed before or during extrusion interruption 128 retraction 130 of the extruder 14 (in the direction of the Z axis) from the worktable 16 to move it into position for printing the next layer 76b, 76c, ..., 76n. In this way, undesirable deformation of the newly applied layer and/or the corresponding immediately preceding partially cured layer can be prevented. more importantly, it is possible to prevent undesirable lagging of the newly applied layer 76a, 76b, 76c, 76n of partially vulcanized rubber from the working table 16 or the corresponding immediately preceding layer 76a, 76b, 76c, ..., 76n of partially vulcanized rubber R after moving the extruder 16 from desktop 16.

Дополнительно, способ 3D-печати 100 может содержать этап создания 132 опорной конструкции 88 посредством 3D-печати 134 термопластического материала или термореактопласта прямо или косвенно на рабочем столе и его отверждения 136. Это расширяет геометрический диапазон эластомерно деформируемых каучуковых деталей 12, которые можно изготавливать методом 3D-печати. Как известно, этап 132 может осуществляться до и/или после этапа 114.Additionally, the 3D printing method 100 may include the step of creating 132 a support structure 88 by 3D printing 134 a thermoplastic material or thermoset directly or indirectly on a worktable and curing it 136. This expands the geometric range of elastomeric deformable rubber parts 12 that can be 3D manufactured. -print. As is known, step 132 may be performed before and/or after step 114.

Claims

1. Method (100) for 3D printing of an elastically deformable rubber part (12) using a 3D printer system (10), comprising:

- an extruder (14) having a body (20) with an inlet (36) and a nozzle (50), the extruder (14) comprising a first heating means (32) for heating the raw rubber (R) fed into the extruder (14);

- working table (16) with the second heating means (62);

- drive means (18) for moving the extruder (14) and the working table (16) relative to each other; and

- an electronic control unit (38) for the extruder (14) and the second means (62) for heating the working table (16), moreover, the electronic control unit (38) is configured to control the extruder (14) and the first heating means (32) in such a way that that the rubber is partially vulcanized in the extruder, wherein said partially vulcanized rubber (R) is extruded from the nozzle (50) and applied to the working table (16), so that the partially vulcanized rubber (R) applied to the working table (16) is further vulcanized into during and after printing of the rubber part (90),

including the steps in which:

provide (102) unvulcanized raw rubber (R) in the form of strips, balls;

feed (104) unvulcanized raw rubber (R) into the extruder (14) through the inlet (36);

heating (106) the unvulcanized raw rubber (R) in the extruder (14) by supplying heat and mixing (108) the heated rubber in the extruder (14);

partially vulcanizing (110) the heated raw rubber (R) in the extruder (14);

heat (112) work table (16);

forming (114) the first layer (76a) of the partially vulcanized rubber (R) by extruding (116) the partially vulcanized rubber (R) from the nozzle (50) of the extruder (14) and applying (118) the extruded partially vulcanized rubber (R) to the working table (16) when moving (120) the extruder (14) and the working table (16) relative to each other;

printing (122) subsequent layers (76b, 76c, ..., 76n) of partially vulcanized rubber (R) by extruding (116) additional partially vulcanized rubber (R) from a nozzle (50) and applying (118) extruded rubber over the corresponding immediately preceding layer (76a, 76b, 76c, ..., 76n) partially vulcanized rubber (R) when moving the nozzle (50) and the working table (16) relative to each other by a given distance (80), and the distance (80) provides mechanical indentation of the newly extruded partially vulcanized rubber (R) into the corresponding immediately preceding layer (76a, 76b, 76c, ..., 76n) of partially vulcanized rubber (R);

additionally vulcanizing (124) each of the rubber layers (76a, 76b, 76c, ..., 76n) after application to the worktable and until the 3D-printed rubber body (90) is vulcanized to the desired state of vulcanization on the worktable (16); characterized in that it includes an additional step in which the extruder (14) is advanced (126) to the desktop (16) at the very end of the printing of each layer (76a, 76b, 76c, ..., 76n) on the desktop (16).

2. The method according to claim 1, characterized in that the advance (126) of the extruder (14) is carried out immediately before or during the interruption (128) of the extrusion (116) of the partially vulcanized rubber (R).

3. The method according to any one of paragraphs. 1, 2, characterized in that it includes an additional step in which a support structure (88) is created (132) for any of the layers (76a, 76b, 76c, ..., 76n) of green rubber (R) by printing and curing a thermoplastic material or thermoset on the desktop (16).