Door gebruik te maken van de 3D-extrusietechnologie van het CEM-proces heeft AIM3D een Voxelfill-strategie ontwikkeld die de beperkingen van FFF printen en veel andere technieken, met name de niet homogene mechanische eigenschappen, ondervangt. Testen tonen aan dat de gepatenteerde Voxelfill tot sterktes in alle richtingen leidt die dichtbij die van spuitgietdelen liggen.
“We geloven nu meer dan ooit in onze CEM-technologie. 3D-pelletprinters bieden de unieke mogelijkheid om zeer kosteneffectief de eigenschappen van conventioneel vervaardigde onderdelen te evenaren met een additieve productiestrategie. Met de Voxelfill strategie benadert 3D printen nu de mechanische sterktes van conventioneel spuitgieten”, zo zegt Clemens Lieberwirth, CTO van de Duitse printerfabrikant uit Rostock.
Multimaterialen printers
AIM3D bouwt 3D pelletprinters. De Composite Extrusion Modeling (CEM) technologie combineert poederspuitgieten (PIM) met additive manufacturing. Vergeleken met FFF printers ligt de opbouwsnelheid een factor 2 tot 20 hoger. En de CEM-technologie kan gebruikt worden voor zowel polymeren, metalen als keramische materialen. Bij deze laatste twee materialen krijgen de groene onderdelen die de printers van AIM3D printen, hun definitieve eigenschappen pas na het sinteren. De drie materialen kunnen eventueel in één werkstuk gecombineerd worden.
Bakstenenverband met vezelvulling
De meest recente ontwikkeling is het Voxelfill principe. Deze strategie beïnvloedt de contour en de binnenwanden van de component. Met de Voxelfill strategie worden componenten niet langer uitsluitend laag voor laag opgebouwd (d.w.z. 2,5-dimensionaal), maar worden ze over lagen heen gevuld door zogenaamde voxels als volumegebieden te gebruiken. Er ontstaat een soort “bakstenen” structuur in het werkstuk. Hierbij worden er kamers in het onderdeel selectief gevuld in een schaakbordpatroon om inhomogene sterktes bij 3D printen te ondervangen. Door het materiaal in de volumekamers te injecteren (de voxels te vullen), krijgt het 3D onderdeel ook vezels die langs de Z-as zijn uitgelijnd, waardoor de mechanische eigenschappen verder verbeteren. De meer homogene treksterkten die op deze manier worden bereikt, zijn uniek voor een 3D printer.
Gamechanger wat betreft de mechanische sterkte van 3D geprinte stukken
80% van sterkte van spuitgietproducten
Testen met verschillende materialen wijzen nu uit dat je met deze strategie in de Z-richting veel hogere treksterkten bereikt dan de 50% die normaal is, afhankelijk van het materiaal. Met deze Voxelfill strategie print AIM3D in de printrichting treksterktes die 80% zijn vergeleken met die van spuitgietproducten van hetzelfde materiaal. Het doel is dat men uiteindelijk op 100% uitkomt. De potentie is er, aldus de fabrikant. Men denkt nagenoeg isotrope eigenschappen te printen in alle richtingen door vezels in de printrichting te positioneren. Dat gaat samen met een hogere productiviteit. Clemens Lieberwirth, CTO van AIM 3D: “Dit maakt Voxelfill een gamechanger met betrekking tot de mechanische sterkte van 3D-componenten.”
Test met PETG-1000 van Polymaker
Als onderdeel van de AIM3D haalbaarheidsstudie werden de sterkte (MPa) en rek (%) gemeten Polycore PETG-1000 van Polymaker). De proefstukken in drie varianten vertonen in XY oriëntatie een ductiele spanning-rek curve, wat typisch is voor een ongevulde kunststof. Met 52,83 MPa is de treksterkte zelfs iets hoger dan de waarde uit het materiaalinformatieblad (50 +/-1,1 MPa) voor spuitgieten. Een vergelijking tussen de conventioneel geprinte proefstukken en de Voxelfill proefstukken laat zien dat het gebruik van Voxelfill resulteert in een twee keer zo hoge treksterkte: van 20 MPa voor de conventioneel geprinte proefstukken tot 40 MPa voor de Voxelfill proefstukken. Ter vergelijking: de sterkte van de horizontaal geprinte samples was 53 MPa. Samenvattend: De anisotropie bedraagt 70% voor de conventioneel bedrukte monsters en slechts 23% voor de Voxelfill teststukken.
Printen met gevuld kunststoffen
Om de sterkte in de Z-richting te meten als men gevuld materiaal gebruikt, heeft AIM3D geprint met PETG GF30 van Polymaker bij een extrusietemperatuur van 270 graden C. De treksterkte met de invulling georiënteerd in de trekrichting was met 72,4 MPa het hoogst. Dit komt echter overeen met een eerder fictief geval, aangezien dit niet zou voorkomen in een echt spuitgegoten onderdeel, waar de vezeldistributie afhangt van de geometrie van het onderdeel en het aantal en de oriëntatie van de injectiepunten. Ter vergelijking, de horizontale trekstalen met een vullingsoriëntatie van +/- 45° bereikten 50,1 MPa. Een vergelijking van de vastgestelde waarden voor de treksterktes toont een homogeniteit van sterkte van 81% voor Voxelfill in vergelijking met de +/-45° gedrukte referentiemonsters en 56% in vergelijking met de uitgelijnde referentiemonsters.
Ultem 9085
Tot slot heeft AIM3D ook met ULTEM 9085 geprint. Dat is gedaan met de ExAM 510 3D printer. Deze print nu nog maximaal 150 cm3 per uur; AIM3D wil dit komende jaren opvoeren naar 300 tot 600 cm3 per uur. Met het PEI-materiaal Sabic ULTEM 9085 bereikt 3D pelletprinten nu componenteigenschappen die dicht in de buurt komen van het klassieke spuitgietproces. In vergelijking met FDM-printers wordt een 100% hogere rek bij breuk bereikt. Dit opent dus de mogelijkheid om PEI te gebruiken in toepassingsgebieden in de auto-industrie, lucht- en ruimtevaart, spoorvoertuigen en defensietechnologie.
Veel potentieel
AIM3D ziet veel potentieel voor deze Voxellstrategie. Onder andere doordat men in onderdelen alleen op de plaatsen waar echt sterkte nodig is de volumeruimten 3D print en vult. Dit scheelt materiaal en printtijd en maakt componenten lichter, terwijl de sterkte hoger is. In het horizontale vlak biedt het CEM-proces al zeer goede mogelijkheden om de oriëntatie van de vezels te regelen. Door het materiaal in de volumekamers te injecteren (de voxels te vullen), krijgt het 3D onderdeel ook vezels die langs de Z-as zijn uitgelijnd, waardoor de mechanische eigenschappen verder verbeteren. Clemens Lieberwirth zegt tot slot: “Natuurlijk is het Voxelfill proces bijzonder geschikt voor het 3D printen van kunststoffen en vezelgevulde kunststoffen, maar het is ook geschikt voor het 3D printen van metalen en keramische onderdelen met behulp van het CEM proces. Over het algemeen zijn de belangrijkste voordelen een hogere opbouwsnelheid en cross-layer vulling.”
