3D打印在橡膠工業中的應用探討

呂煒帥，邊慧光，王存雷

(1.天津機電職業技術學院，天津 300350；2.青島科技大學機電工程學院，山東 青島 266061)

3D打印技術是以數字模型文件為基礎，運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造物體并實現成型的一種工藝技術。

據“前瞻產業研究院”數據統計，2007～2017年全球3D打印市場規模如圖1所示。由圖1可見，近年來，3D打印市場規模得到迅猛發展，這與3D打印技術的發展密切相關。3D打印技術已經在模具制造、工業設計等相關領域得到廣泛應用，而今其正逐漸用于一些產品的直接生產。此技術在珠寶、鞋類、工業設計、工程和施工、土木建筑、航空航天、汽車，牙科以及教育、醫療、土木工程、地理信息系統、槍支以及其他領域都有廣泛應用[1～2]。而當前在橡膠、塑料行業內也引起了很大震動，目前3D打印技術已成功打印出根據球員腳型定制的足球靴、空心輪胎等橡膠制品。如何將3D打印技術與輪胎生產、橡膠機械制造實現融合發展，成為當前行業內探討和研究的熱點與難題。

圖1 2007～2017年全球3D打印市場規模走勢及增速圖

1 3D打印技術與輪胎生產制造

輪胎結構十分復雜，由多種材料復合而成，且需經過硫化工藝。輪胎的復雜結構包括了鋼絲、簾布、各種不同性能的橡膠以及配合劑和填充劑。要實現輪胎3D打印技術打印，難度較大，只有輪胎技術在相關方面獲得革命性突破，3D打印技術才有望制造輪胎[3]：

（1）輪胎結構由單一材料結構或多種可組合的材料結構組成；

（2）輪胎使用材料的強度、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性能更優異的新型材料[4]；

（3）傳統輪胎生產工藝進行革命性改變，將3D打印技術融入到整個生產工藝的部分或全部環節。

1.1 3D打印技術與輪胎生產的成功融合

2013瑞典設計師和3D打印愛好者Daniel Norée創立了開源社區OpenR/C，圖2為其社區發布的電動賽車使用的幾種不同的3D打印輪轂和輪胎。

圖2 3D打印電動賽車使用的輪胎

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

球型360°輪胎采用3D打印技術制造，名叫Eagle-360，它獨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）。此輪胎主要特點為：

（1）壽命周期長。此輪胎主體的內部采用3D打印的蜂窩結構，超級耐用。由于材料為可回收，即使報廢之后，仍可再回收。

（2）胎面可更換。制造工藝中胎面采用單獨打印而且屬于完全生物降解，當胎面磨掉一層后，可通過再打印上一層實現保養。

（3）智能化程度高。保持與車輛進行數據上的連通與交換，可時刻檢測并反饋輪胎的磨損數據信息。

圖4 米其林3D打印輪胎

1.2 3D打印技術與輪胎生產的未來探索

1.2.1 3D打印技術在非充氣輪胎制造中的應用探索

當前行業內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充氣輪胎生產所需的混煉、成型和硫化等復雜生產工藝。當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。當前，聚氨酯輪胎或全塑輪胎的胎面采用澆注成型實現，抗割口增長性能優異，不會出現胎面剝離現象[5]

采用澆注成型工藝生產非充氣輪胎需要模具，由于開模周期較長、成本較高，限制了非充氣輪胎的發展。對于非充氣輪胎，3D打印技術可有效解決其復雜結構設計，并可大大縮短從設計到產品完成的時間。

當前國內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

當前常用的3D打印技術如表1所示。而應用于非充氣輪胎3D打印技術主要是熔融沉積技術（FDM）和選擇性激光燒結技術（SLS）。熔融沉積法（FDM）主要是針對高分子材料（如聚氨酯等），由微細噴嘴把高分子材料擠噴出，層層堆積實現成型（如圖10）。這種成型方法結構簡單、成本低廉，但成型易受溫度影響，精度相對不高，強度也較低[8]。各種材料成型后的強度不同，通過優化設備和工藝條件可實現輪胎的3D打印，如圖11玲瓏輪胎制造的TPU輪胎。選擇性激光燒結工藝借助計算機輔助制造（CAM）技術可實現高分子材料及金屬進行成型，采用分層制造疊加原理，把粉末加熱至熔融狀態直接成型，不會受形狀的復雜程度限制，也不需模具（如圖12）。由于選擇性激光燒結技術成型精度高，強度較大，因此其在輪胎3D打印應用前景空間廣闊。未來可將3D打印技術普及到非充氣輪胎的生產，實現與傳統工藝的嫁接或組合，特別是對于胎面的生產可采用3D打印技術+預硫化（電子輻造）技術組合。從而最終實現非充氣輪胎的批量化生產。

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（SLS）

1.2.2 3D打印技術與傳統輪胎翻新技術的融合探索

當前傳統輪胎翻新工藝中，冷翻新工藝應用較廣。通過3D打印技術進行輪胎翻新，可取消胎面擠出聯動生產線，采用預硫化（電子輻造技術）設備可取消胎面硫化工藝，對于傳統此環節中的壓花工序也可由3D打印技術實現，對于翻新胎的整體硫化過程，可在3D打印成型過程同時由預硫化技術實現。對于特殊工藝需求的產品，可采用成型之后的輪胎再通過硫化罐實現硫化。傳統翻胎工藝（冷翻新和熱翻新）及3D打印技術翻新工藝見圖13～15。

圖13 傳統翻新輪胎工藝（冷翻新法）

圖14 傳統翻新輪胎工藝（熱翻新法）

表1 常用3D打印技術類型

圖15 3D打印技術翻新工藝

輪胎噪聲在交通噪聲中所占的比重越來越大，嚴重影響人們的生活質量，因此，低噪聲花紋設計已成為輪胎企業關注的焦點。由于新花紋開發需要手工刻花進行樣胎試制和性能測試，整個過程中涉及刻刀選擇、刻刀尺寸調整、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性 ；另一方面，手工操作耗時較大，從而導致花紋開發周期長，精度較難保證[9]。通過3D打印技術與預硫化技術的有機融合，可以實現輪胎翻新不受模具限制，花紋可訂制化，可以對任何規格的輪胎，選擇不同花紋進行翻新。采用3D打印技術進行輪胎翻新，膠料可根據所需精確使用，同時取消擠出、硫化生產工藝，可極大節省投資。而3D打印胎面的環節材料可考慮采用膠乳形式。整個成型過程采用預硫化技術，不僅能夠保證胎面具備平坦的胎面弧度，同時能夠有效改善胎面的耐磨耗性能。

2 3D打印技術與橡膠機械生產制造

2.1 3D打印與橡膠工業關鍵零件的融合制造

橡膠機械設備一直被認為是“傻大黑粗”，其零部件都體積較大、重量較重。生產1條輪胎需要20多種生產線，如果采用3D打印技術一體化成型輪胎，此設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存和輸送等設備，此外，成型后需精加工的設備，這將帶來成本提高、能源浪費、效率低下和污染環境等一系列問題。因此，3D打印技術在橡膠機械加工的應用短期實現整體替換現有裝備生產線的可能性較小[7]。但對高檔的橡膠機械的關鍵零件，如有特殊要求的密煉機轉子、擠出機螺桿、擠出機流道、插塊以及硫化機模具等未來可在3D打印技術獲得應用，如圖16～18所示。

2.2 3D打印與輪胎模具的融合應用

當前3D打印技術主要在效率、精度、材料方面難以制成符合市場需求的工業制件， 因此，現階段無法完全擺脫傳統的制作方法。

花紋塊是輪胎模具的重要組成部分，同時也是輪胎模具加工的主要點，其加工工藝決定采用的加工設備，也決定著輪胎的精度和質量。輪胎活絡模具的花紋一般被切割成單體，對于載重子午胎而言分為10塊，而大型的工程胎有的會分為12塊。當前，花紋塊常用的加工工藝有3軸數控銑加電火花加工，也有5軸數控銑加工。

圖16 密煉機轉子圖

圖17 擠出機螺桿圖

圖18 擠出機流道與插塊圖

經過3D打印生成的砂型與傳統的鑄造技術結合可獲得金屬的樣件或毛坯， 與傳統的鑄造方法相比，這種基于數字化技術的鑄件實現了精度和其穩定性的大幅提高，并可直接用于數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打印技術與最基礎的鑄造技術結合從而實現現代技術與傳統加工的融合發展。如圖19所示。

圖19 3D打印與傳統數控加工融合制造輪胎模具花紋塊

3 結語

（1）3D打印技術在橡膠工業領域具備廣闊的應用空間。隨著3D打印技術在精度、速度、效率方面的提升和材料的發展，實現其在此領域的推廣與應用前景廣闊。

（2）3D打印技術在非充氣輪胎領域應用已具備一定基礎，如何提升效率實現批量化生產是未來研究的方向。

（3）3D打印技術在翻新輪胎制造中，可嘗試取消胎面擠出聯動生產線，采用預硫化（電子輻照技術）設備代替胎面硫化工藝，并由3D打印技術實現胎面壓花工序，可極大簡化生產工藝過程。

（4）3D打印技術實現傳統輪胎生產革命性突破難度較大，但未來隨著新材料的發展，將3D打印與傳統輪胎生產工藝融合，替代部分生產工序將成為可能。

（5）3D打印技術在橡膠機械產品中應用空間廣闊，3D打印技術可作為一種指導方法，通過與傳統加工方式的融合應用，促進傳統橡膠機械制造的發展。