3D打印在橡膠工業(yè)中的應(yīng)用探討

呂煒帥，邊慧光，王存雷

(1.天津機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300350；2.青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266061)

3D打印技術(shù)是以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體并實(shí)現(xiàn)成型的一種工藝技術(shù)。

據(jù)“前瞻產(chǎn)業(yè)研究院”數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2007～2017年全球3D打印市場(chǎng)規(guī)模如圖1所示。由圖1可見，近年來，3D打印市場(chǎng)規(guī)模得到迅猛發(fā)展，這與3D打印技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)。3D打印技術(shù)已經(jīng)在模具制造、工業(yè)設(shè)計(jì)等相關(guān)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，而今其正逐漸用于一些產(chǎn)品的直接生產(chǎn)。此技術(shù)在珠寶、鞋類、工業(yè)設(shè)計(jì)、工程和施工、土木建筑、航空航天、汽車，牙科以及教育、醫(yī)療、土木工程、地理信息系統(tǒng)、槍支以及其他領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用[1～2]。而當(dāng)前在橡膠、塑料行業(yè)內(nèi)也引起了很大震動(dòng)，目前3D打印技術(shù)已成功打印出根據(jù)球員腳型定制的足球靴、空心輪胎等橡膠制品。如何將3D打印技術(shù)與輪胎生產(chǎn)、橡膠機(jī)械制造實(shí)現(xiàn)融合發(fā)展，成為當(dāng)前行業(yè)內(nèi)探討和研究的熱點(diǎn)與難題。

圖1 2007～2017年全球3D打印市場(chǎng)規(guī)模走勢(shì)及增速圖

1 3D打印技術(shù)與輪胎生產(chǎn)制造

輪胎結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，由多種材料復(fù)合而成，且需經(jīng)過硫化工藝。輪胎的復(fù)雜結(jié)構(gòu)包括了鋼絲、簾布、各種不同性能的橡膠以及配合劑和填充劑。要實(shí)現(xiàn)輪胎3D打印技術(shù)打印，難度較大，只有輪胎技術(shù)在相關(guān)方面獲得革命性突破，3D打印技術(shù)才有望制造輪胎[3]：

（1）輪胎結(jié)構(gòu)由單一材料結(jié)構(gòu)或多種可組合的材料結(jié)構(gòu)組成；

（2）輪胎使用材料的強(qiáng)度、硬度、物化性能和舒適度都獲得了巨大的突破，如類似碳纖維材料、聚氨酯改性材料或出現(xiàn)性能更優(yōu)異的新型材料[4]；

（3）傳統(tǒng)輪胎生產(chǎn)工藝進(jìn)行革命性改變，將3D打印技術(shù)融入到整個(gè)生產(chǎn)工藝的部分或全部環(huán)節(jié)。

1.1 3D打印技術(shù)與輪胎生產(chǎn)的成功融合

2013瑞典設(shè)計(jì)師和3D打印愛好者Daniel Norée創(chuàng)立了開源社區(qū)OpenR/C，圖2為其社區(qū)發(fā)布的電動(dòng)賽車使用的幾種不同的3D打印輪轂和輪胎。

圖2 3D打印電動(dòng)賽車使用的輪胎

在2015年的日內(nèi)瓦車展上，固特異帶來了非常具有創(chuàng)新精神的磁懸浮球形輪胎（圖3）。胎面系由3D打印而成，這款輪胎將實(shí)現(xiàn)輪胎表面花紋的定制。

球型360°輪胎采用3D打印技術(shù)制造，名叫Eagle-360，它獨(dú)特的球形有助于提升汽車的安全性和可操作性，并且可以配合汽車自主移動(dòng)的需要。

圖3 固特異3D打印Eagle-360概念輪胎

2017年米其林推出了3D打印非充氣輪胎（圖4）。此輪胎主要特點(diǎn)為：

（1）壽命周期長(zhǎng)。此輪胎主體的內(nèi)部采用3D打印的蜂窩結(jié)構(gòu)，超級(jí)耐用。由于材料為可回收，即使報(bào)廢之后，仍可再回收。

（2）胎面可更換。制造工藝中胎面采用單獨(dú)打印而且屬于完全生物降解，當(dāng)胎面磨掉一層后，可通過再打印上一層實(shí)現(xiàn)保養(yǎng)。

（3）智能化程度高。保持與車輛進(jìn)行數(shù)據(jù)上的連通與交換，可時(shí)刻檢測(cè)并反饋輪胎的磨損數(shù)據(jù)信息。

圖4 米其林3D打印輪胎

1.2 3D打印技術(shù)與輪胎生產(chǎn)的未來探索

1.2.1 3D打印技術(shù)在非充氣輪胎制造中的應(yīng)用探索

當(dāng)前行業(yè)內(nèi)非充氣輪胎大多選用澆注成型工藝方法。澆注工藝可擺脫傳統(tǒng)充氣輪胎生產(chǎn)所需的混煉、成型和硫化等復(fù)雜生產(chǎn)工藝。當(dāng)前高分子材料注塑工藝已較為成熟，澆注成型的輪胎均勻性更高。當(dāng)前，聚氨酯輪胎或全塑輪胎的胎面采用澆注成型實(shí)現(xiàn)，抗割口增長(zhǎng)性能優(yōu)異，不會(huì)出現(xiàn)胎面剝離現(xiàn)象[5]

采用澆注成型工藝生產(chǎn)非充氣輪胎需要模具，由于開模周期較長(zhǎng)、成本較高，限制了非充氣輪胎的發(fā)展。對(duì)于非充氣輪胎，3D打印技術(shù)可有效解決其復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并可大大縮短從設(shè)計(jì)到產(chǎn)品完成的時(shí)間。

當(dāng)前國內(nèi)外常見非充氣輪胎如圖5～9。

圖5 米其林Tweel非充氣輪胎

圖6 普利司通AirFree非充氣輪胎

圖7 韓泰IFLEX非充氣輪胎

圖8 美國軍用蜂窩非充氣輪胎

圖9 萬力輪胎Alpha-T概念輪胎

當(dāng)前常用的3D打印技術(shù)如表1所示。而應(yīng)用于非充氣輪胎3D打印技術(shù)主要是熔融沉積技術(shù)（FDM）和選擇性激光燒結(jié)技術(shù)（SLS）。熔融沉積法（FDM）主要是針對(duì)高分子材料（如聚氨酯等），由微細(xì)噴嘴把高分子材料擠噴出，層層堆積實(shí)現(xiàn)成型（如圖10）。這種成型方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉，但成型易受溫度影響，精度相對(duì)不高，強(qiáng)度也較低[8]。各種材料成型后的強(qiáng)度不同，通過優(yōu)化設(shè)備和工藝條件可實(shí)現(xiàn)輪胎的3D打印，如圖11玲瓏輪胎制造的TPU輪胎。選擇性激光燒結(jié)工藝借助計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）技術(shù)可實(shí)現(xiàn)高分子材料及金屬進(jìn)行成型，采用分層制造疊加原理，把粉末加熱至熔融狀態(tài)直接成型，不會(huì)受形狀的復(fù)雜程度限制，也不需模具（如圖12）。由于選擇性激光燒結(jié)技術(shù)成型精度高，強(qiáng)度較大，因此其在輪胎3D打印應(yīng)用前景空間廣闊。未來可將3D打印技術(shù)普及到非充氣輪胎的生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)工藝的嫁接或組合，特別是對(duì)于胎面的生產(chǎn)可采用3D打印技術(shù)+預(yù)硫化（電子輻造）技術(shù)組合。從而最終實(shí)現(xiàn)非充氣輪胎的批量化生產(chǎn)。

圖10 熔融沉積快速成型（FDM）

圖11 玲瓏輪胎熱塑性聚氨酯彈性體橡膠 (TPU)輪胎

圖12 選擇性激光燒結(jié)（SLS）

1.2.2 3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)輪胎翻新技術(shù)的融合探索

當(dāng)前傳統(tǒng)輪胎翻新工藝中，冷翻新工藝應(yīng)用較廣。通過3D打印技術(shù)進(jìn)行輪胎翻新，可取消胎面擠出聯(lián)動(dòng)生產(chǎn)線，采用預(yù)硫化（電子輻造技術(shù)）設(shè)備可取消胎面硫化工藝，對(duì)于傳統(tǒng)此環(huán)節(jié)中的壓花工序也可由3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)，對(duì)于翻新胎的整體硫化過程，可在3D打印成型過程同時(shí)由預(yù)硫化技術(shù)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于特殊工藝需求的產(chǎn)品，可采用成型之后的輪胎再通過硫化罐實(shí)現(xiàn)硫化。傳統(tǒng)翻胎工藝（冷翻新和熱翻新）及3D打印技術(shù)翻新工藝見圖13～15。

圖13 傳統(tǒng)翻新輪胎工藝（冷翻新法）

圖14 傳統(tǒng)翻新輪胎工藝（熱翻新法）

表1 常用3D打印技術(shù)類型

圖15 3D打印技術(shù)翻新工藝

輪胎噪聲在交通噪聲中所占的比重越來越大，嚴(yán)重影響人們的生活質(zhì)量，因此，低噪聲花紋設(shè)計(jì)已成為輪胎企業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。由于新花紋開發(fā)需要手工刻花進(jìn)行樣胎試制和性能測(cè)試，整個(gè)過程中涉及刻刀選擇、刻刀尺寸調(diào)整、花紋輪廓線繪制等操作，一方面難以保證制作精度、刻刀形狀以及刻刀尺寸制作的重復(fù)性 ；另一方面，手工操作耗時(shí)較大，從而導(dǎo)致花紋開發(fā)周期長(zhǎng)，精度較難保證[9]。通過3D打印技術(shù)與預(yù)硫化技術(shù)的有機(jī)融合，可以實(shí)現(xiàn)輪胎翻新不受模具限制，花紋可訂制化，可以對(duì)任何規(guī)格的輪胎，選擇不同花紋進(jìn)行翻新。采用3D打印技術(shù)進(jìn)行輪胎翻新，膠料可根據(jù)所需精確使用，同時(shí)取消擠出、硫化生產(chǎn)工藝，可極大節(jié)省投資。而3D打印胎面的環(huán)節(jié)材料可考慮采用膠乳形式。整個(gè)成型過程采用預(yù)硫化技術(shù)，不僅能夠保證胎面具備平坦的胎面弧度，同時(shí)能夠有效改善胎面的耐磨耗性能。

2 3D打印技術(shù)與橡膠機(jī)械生產(chǎn)制造

2.1 3D打印與橡膠工業(yè)關(guān)鍵零件的融合制造

橡膠機(jī)械設(shè)備一直被認(rèn)為是“傻大黑粗”，其零部件都體積較大、重量較重。生產(chǎn)1條輪胎需要20多種生產(chǎn)線，如果采用3D打印技術(shù)一體化成型輪胎，此設(shè)備由于還包含有其附屬裝卸、熔融金屬、金屬粉末和黏合劑的儲(chǔ)存和輸送等設(shè)備，此外，成型后需精加工的設(shè)備，這將帶來成本提高、能源浪費(fèi)、效率低下和污染環(huán)境等一系列問題。因此，3D打印技術(shù)在橡膠機(jī)械加工的應(yīng)用短期實(shí)現(xiàn)整體替換現(xiàn)有裝備生產(chǎn)線的可能性較小[7]。但對(duì)高檔的橡膠機(jī)械的關(guān)鍵零件，如有特殊要求的密煉機(jī)轉(zhuǎn)子、擠出機(jī)螺桿、擠出機(jī)流道、插塊以及硫化機(jī)模具等未來可在3D打印技術(shù)獲得應(yīng)用，如圖16～18所示。

2.2 3D打印與輪胎模具的融合應(yīng)用

當(dāng)前3D打印技術(shù)主要在效率、精度、材料方面難以制成符合市場(chǎng)需求的工業(yè)制件， 因此，現(xiàn)階段無法完全擺脫傳統(tǒng)的制作方法。

花紋塊是輪胎模具的重要組成部分，同時(shí)也是輪胎模具加工的主要點(diǎn)，其加工工藝決定采用的加工設(shè)備，也決定著輪胎的精度和質(zhì)量。輪胎活絡(luò)模具的花紋一般被切割成單體，對(duì)于載重子午胎而言分為10塊，而大型的工程胎有的會(huì)分為12塊。當(dāng)前，花紋塊常用的加工工藝有3軸數(shù)控銑加電火花加工，也有5軸數(shù)控銑加工。

圖16 密煉機(jī)轉(zhuǎn)子圖

圖17 擠出機(jī)螺桿圖

圖18 擠出機(jī)流道與插塊圖

經(jīng)過3D打印生成的砂型與傳統(tǒng)的鑄造技術(shù)結(jié)合可獲得金屬的樣件或毛坯， 與傳統(tǒng)的鑄造方法相比，這種基于數(shù)字化技術(shù)的鑄件實(shí)現(xiàn)了精度和其穩(wěn)定性的大幅提高，并可直接用于數(shù)控精加工制得所需金屬模具[8]。而用于鑄型（芯）3D打印的材料為鑄造用的覆膜砂，成本較低。將3D打印技術(shù)與最基礎(chǔ)的鑄造技術(shù)結(jié)合從而實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代技術(shù)與傳統(tǒng)加工的融合發(fā)展。如圖19所示。

圖19 3D打印與傳統(tǒng)數(shù)控加工融合制造輪胎模具花紋塊

3 結(jié)語

（1）3D打印技術(shù)在橡膠工業(yè)領(lǐng)域具備廣闊的應(yīng)用空間。隨著3D打印技術(shù)在精度、速度、效率方面的提升和材料的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)其在此領(lǐng)域的推廣與應(yīng)用前景廣闊。

（2）3D打印技術(shù)在非充氣輪胎領(lǐng)域應(yīng)用已具備一定基礎(chǔ)，如何提升效率實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)是未來研究的方向。

（3）3D打印技術(shù)在翻新輪胎制造中，可嘗試取消胎面擠出聯(lián)動(dòng)生產(chǎn)線，采用預(yù)硫化（電子輻照技術(shù)）設(shè)備代替胎面硫化工藝，并由3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)胎面壓花工序，可極大簡(jiǎn)化生產(chǎn)工藝過程。

（4）3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)輪胎生產(chǎn)革命性突破難度較大，但未來隨著新材料的發(fā)展，將3D打印與傳統(tǒng)輪胎生產(chǎn)工藝融合，替代部分生產(chǎn)工序?qū)⒊蔀榭赡堋?/p>

（5）3D打印技術(shù)在橡膠機(jī)械產(chǎn)品中應(yīng)用空間廣闊，3D打印技術(shù)可作為一種指導(dǎo)方法，通過與傳統(tǒng)加工方式的融合應(yīng)用，促進(jìn)傳統(tǒng)橡膠機(jī)械制造的發(fā)展。