Voxelfill-Strategie überwindet inhomogene Festigkeiten im 3D-Druck

ULTEM 9085 – Gegenüberstellung von Zugfestigkeiten in MPa (ohne Voxelfill) © NEW AIM3D

Der Aufbau der Versuchsreihen mit Voxelfill erfolgte mit Zugstabgeometrien zur Bestimmung der XY-Festigkeit sowie der Z-Festigkeit. Variante A bildete liegende Zugstäbe mit Zugrichtung in XY-Ebene ab. Variante B waren stehende Zugstäbe mit Zugrichtung in XZ-Ebene. Variante C bildete ein Block mit Zugrichtung in XZ-Ebene auf Basis gefräster Proben. Im Rahmen der Machbarkeitsstudie von AIM3D wurden für die Varianten A bis C (Material Polycore PETG-1000 von Polymaker) jeweils die Spannung (MPa) und die Dehnung (in Prozent) gemessen.

Trotz hoher Zugfestigkeiten wiesen die Voxelfill-Proben noch Poren, also Lufteinschlüsse im Bereich von <0,15 mm³ auf. Daher ist durch weitere Optimierung der Fülldichte eine noch höhere Zugfestigkeit und damit Isotropie denkbar. Das Potenzial des Voxelfill-Verfahrens erweitert sich durch den Einsatz von fasergefüllten Polymeren.

Ableitungen aus den bisherigen Versuchsreihen

Die Ergebnisse aus den ersten Untersuchungen zeigen das große Potenzial von Voxelfill. Sie bilden den „Proof of Concept“ für diese Kombination aus Materialextrusions-3D-Druck und Spritzgießen. Bei der Betrachtung der Ergebnisse der konventionell hergestellten Proben (Layer by Layer) wird die Schwachstelle Anisotropie 3D-gedrucker Bauteile offensichtlich. Die in XY-Ausrichtung gedruckten Proben zeigen einen duktilen Spannungs-Dehnungs-Verlauf, wie er typisch für einen ungefüllten Kunststoff ist. Die Zugfestigkeit liegt mit 52,83 MPa sogar leicht über dem Wert aus dem Materialdatenblatt (50 +/-1,1 MPa) für das Spritzgießen. Beim Vergleich der konventionell in XZ-Richtung gedruckten Proben – einmal direkt als stehender Zugstab und einmal als Block zur anschließenden spanenden Fertigung der Zugstäbe – zeigen sich Abweichungen sowohl in der Zugfestigkeit als auch in der Standardabweichung. Dies ergibt sich aus der ungünstigen Geometrie eines stehenden Zugstabes für den Materialextrusions-3D-Druck.

Vergleich von Festigkeiten bei fasergefülltem Kunststoff: Liegend 90°, Liegend +7- 45°, stehend (mit Voxelfill) und stehend (konventionell) © NEW AIM3D

Physikalisch kann man dies so erklären: Durch seine geringe Auflagefläche an der Basis und die übergroße Höhe bei sich gleichzeitig variiertem Querschnitt sind die Proben bei direkter Fertigung Schwingungen ausgesetzt, die zu einem Versatz der Bahnen führen können. Diese geometriebedingten Ungenauigkeiten führen zu einer Schwächung des Materialgefüges, da sie den Querschnitt des Materials beeinflussen und Kerben entstehen können. Die höhere Standardabweichung ist ein gutes Indiz dafür, dass hier ein stochastischer Effekt – etwa das Schwingen des Zugstabes – eine große Rolle spielen. Ein Zugversuch ist jedoch eine Überprüfung, bei der geometrisch bedingte Effekte und Kerbwirkungen keine Betrachtung finden sollten. Für die weitere Betrachtung der Festigkeit in XZ-Baurichtung lag der Fokus auf den Proben, die aus einem stehend gedruckten Block gefräst wurden. Das durch die spanende Bearbeitung mögliche nachträgliche Anschmelzen der Schichten wurde durch geeignetes Werkzeug und Kühlung verhindert. Vergleicht man die in XZ-Richtung gedruckten Proben, die konventionell gedruckt wurden, mit den Voxelfill-Proben, so wird eine Verdopplung der Zugfestigkeit erkennbar. Diese steigt von 20 MPa für die konventionell gedruckten Proben auf 40 MPa für die Voxelfill-Proben. Im Vergleich dazu lag die Festigkeit der liegend gedruckten Proben bei 53 MPa.

Der Drucker ExAM 510 mit einer maximalen Baurate von aktuell 150 cm³/h © NEW AIM3D

Als Ergebnis ist festzuhalten: Dies entspricht einer Anisotropie von 70 Prozent bei den konventionell gedruckten Proben und einer Anisotropie von nur noch 23 Prozent bei den Voxelfill-Proben.

Neue Versuchsreihen mit fasergefüllten Werkstoffen überraschen durch verbesserte Festigkeiten

Die Übertragung des Voxelfill-Prozesses auf fasergefüllte Kunststoffe bestätigt den positiven Einfluss auf die Z-Festigkeit deutlich. Durchgeführt wurden Versuche mit PETG GF30 von Polymaker bei einer Extrusionstemperatur von 270 °C. Es erfolgte der Aufbau einer Versuchsreihe zur Ermittlung der optimalen Druckparameter, um eine Vergleichbarkeit zur maximal erreichbaren Festigkeit sowohl im konventionellen als auch im Druck mit Voxelfill zu beurteilen. Es wurden XY-liegende Zugstäbe als Referenz hergestellt. Diese wurden in zwei unterschiedlichen Infill-Orientierungen gedruckt, einmal ausgerichtet in Zugrichtung und einmal +/-45° zur Zugrichtung. Die Zugfestigkeit bei in Zugrichtung ausgerichtetem Infill war am größten mit 72,4 MPa. Dies entspricht jedoch einem konstruierten Fall, der in einem realen Spritzgussteil nicht vorkommt, da die Faserverteilung abhängig von der Bauteilgeometrie und der Anzahl und Orientierung der Einspritzpunkte ist. Die liegenden Zugstäbe mit einer Infill-Ausrichtung von +/- 45° erreichten im Vergleich dazu 50,1 MPa.

Clemens Lieberwirth, CTO von AIM3D © NEW AIM3D

Danach wurden stehende Zugstäbe ohne Voxelfill mit konventionellem, schichtweisem Infill gedruckt, was dem Stand normaler 3D-Drucker entspricht. Diese erreichten eine Zugfestigkeit von 12,8 MPa. Die mittels Voxelfill gedruckten, stehenden Prüfkörper erreichten im Vergleich eine höhere Festigkeit von 40,7 MPa.

Ableitungen zu Homogenität und Festigkeit aus den Versuchsreihen mit gefüllten Werkstoffen

Vergleicht man die ermittelten Werte miteinander, um die Homogenität der Festigkeit zu bestimmen, kommt man für Voxelfill auf eine Homogenität von 81 Prozent verglichen mit den +/-45° gedruckten Referenzproben und von 56 Prozent mit den ausgerichteten Referenzproben. Die konventionell gedruckten Zugstäbe hingegen erreichen nur eine Homogenität von 25 Prozent verglichen mit den +/-45° gedruckten Referenzproben und von 18 Prozent mit den ausgerichteten Referenzproben. Der festigkeitssteigernde Effekt von Voxelfill, der zu homogeneren Bauteileigenschaften vergleichbar zum Spritzgießen führt, konnte also auch mit fasergefüllten Kunststoffen belegt werden.

Voxelfill-Referenz mit liegenden Zugstäben in XY-Ebene mit Messung von Spannung (MPa) und Dehnung (%) © NEW AIM3D

Ein Blick auf die Faserverteilung unter dem Konfokal-Mikroskop zeigt ebenfalls in Z-Richtung ausgerichtete Fasern, die durch den vertikalen Einspritzvorgang beim Voxelfill eingebracht werden. Clemens Lieberwirth unterstreicht: „Dieser Effekt der Ausrichtung der Fasern ist einmalig für Voxelfill und lässt sich im konventionellen, schichtweisen 3D-Extrusionsdruck nicht herbeiführen.“

Verbesserung der Reproduzierbarkeit mit einem 3D-Pellet-Drucker

Die ExAM-510-Anlage von AIM3D ist prädestiniert für den Einsatz in der industriellen Produktion. Die 2022 vorgestellte Anlage arbeitet mit einer maximalen Baurate von aktuell 150 cm³/h. Es werden laut Herstelleraussagen Bauraten von 300 bis 600 cm³/h angestrebt. Damit sollen Verarbeitungsmengen von 1.000 bis 4.000 Kilogramm pro Jahr erreicht werden; alle Angaben beziehen sich auf Bauteile mit einer Qualität von maximal 150 µm Schichtstärke sowie dem Einsatz einer 0,4-mm-Düse des 3D-Druckers und sind somit vergleichbar zu 3D-Bauteilen des Fused Deposition Modeling (FDM)).

Voxelfill-Referenz mit stehenden Zugstäben in XZ-Ebene mit Messung von Spannung (MPa) und Dehnung (%) © NEW AIM3D

Entscheidend für den Aufbau eines 3D-Bauteils ist vor allem die Reproduzierbarkeit – also die Wiederholgenauigkeit des Prozesses. Für einen Anwender ist dies ein zentraler Punkt für gleichbleibende Qualität des Bauteils gerade in der Serienfertigung von kleinen und mittleren Serien. Bauteile der Spritzgießtechnik und 3D-Bauteile weisen vergleichbare Homogenitäten des Materials auf, weil Granulat-ULTEM 9085 eingesetzt wird. Die jüngsten Zugversuche nach DIN EN ISO 527-2 Typ 1A belegen aufgrund geringer Standardabweichungen eine hohe Prozessstabilität. Sie wird vor allem durch die patentierte Granulat-Extruder-Technologie erreicht, die eine materialschonende Verarbeitung des Materials gewährleistet und die Degradierung der Polymere im Extruder minimiert.

Voxelfill-Referenz mit stehenden, gefrästen Zugstäben in XZ-Ebene mit Messung von Spannung (MPa) und Dehnung (%) © NEW AIM3D

Die 3D-Pellet-Drucker ExAM 255 und ExAM 510 ermöglichen den Einsatz von Standard-Granulaten mit oder ohne Füllstoffe zur Generierung von belastbaren 3D-Bauteilen. PEI ist schwer entflammbar nach UL 94-VO. PEI eignet sich für hohe Einsatztemperaturen, also 180 °C dauerhaft bzw. 217 °C bis Glasübergang. Mit dem PEI-Werkstoff Sabic ULTEM 9085 erschließt der 3D-Pellet-Druck nun Bauteileigenschaften, die an das klassische Spritzgießerfahren heranreichen. Dabei wird eine 100 Prozent höhere Bruchdehnung gegenüber FDM-Druckern erzielt. PEI erschließt daher Anwendungsgebiete in Automotive, Aerospace, Schienenfahrzeuge und Wehrtechnik.

Ausblick auf die Potenziale von Voxelfill

Die Voxelfill-Strategie mittels CEM-Verfahren ermöglicht den Einsatz unterschiedlicher Materialien: Hybride Multimaterial-Lösungen mit unterschiedlichen Voxel-Füllmaterialien und Baumaterialien für die Kontur beziehungsweise die Struktur der Innenwände werden möglich. Auf diese Weise können die Materialeigenschaften „customized“ werden.  Bauteilgewicht, Dämpfungseigenschaften, Schwerpunktmanipulationen oder Elastizitäten können jeweils abgestimmt auf die Anwendung dreidimensional definiert werden. Durch gezieltes selektives Füllen nur bestimmter Volumenkammern (selektive Dichten) auf Basis von FE-Simulationen könnten die Bauteileigenschaften gezielt beeinflusst werden.

Ergebnisanalyse der Proben © NEW AIM3D

So ist es mit Voxelfill möglich, nur die Bereiche eines Bauteils zu füllen, die für den Kraftfluss zwingend erforderlich sind. Im Ergebnis sind diese Bauteile von außen rein optisch „klassische“ Bauteile, auch mit allen Vorteilen für die Nachbearbeitung. Gleichzeitig erfolgt der 3D-Druck aber material- und gewichtsreduziert bis hin zum Leichtbau. Speziell beim Einsatz von faserverstärkten Werkstoffen ergibt sich durch den Einsatz von Voxelfill eine zusätzliche Option dafür, die Fasern im Bauteil gezielt auszurichten, um die mechanischen Eigenschaften zu steigern.

In der Ebene ermöglicht das CEM-Verfahren bereits gute Möglichkeiten, die Orientierung der Fasern zu steuern. Diese betreffen bei der Voxelfill-Strategie die Kontur und die Innenwände des Bauteils. Durch das Einspritzen des Materials in die Volumenkammern (Befüllung der Voxel) erhält das 3D-Bauteil ebenfalls Fasern, die in der Z-Achse ausgerichtet sind und verbessert dadurch zusätzlich noch einmal die mechanischen Eigenschaften. Das Voxelfill-Verfahren eignet sich besonders für den 3D-Druck von Kunststoffen und fasergefüllten Kunststoffen, ist aber auch für den 3D-Druck von Metall- und Keramik-Bauteilen im CEM-Verfahren geeignet. Generell ergeben sich Vorteile durch die höhere Baugeschwindigkeit und die schichtübergreifende Füllung.