AIM3D發(fā)表報(bào)告表明Voxelfill可解決3D打印強(qiáng)度不均勻問(wèn)題

2024年9月28日，南極熊獲悉，德國(guó)多材料3D打印公司AIM3D宣稱近期成功展示了其專利技術(shù)Voxelfill的優(yōu)勢(shì)。這種先進(jìn)的3D打印技術(shù)通過(guò)創(chuàng)建體素晶格結(jié)構(gòu)，能夠有效提高熱塑性材料填充部件的強(qiáng)度和彈性。

△基于打印支架的Voxelfill與傳統(tǒng)3D打印比較

AIM3D在強(qiáng)度測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，Voxelfill工藝能夠顯著克服3D打印部件在X、Y和Z軸上的不均勻強(qiáng)度問(wèn)題，接近傳統(tǒng)注塑工藝的強(qiáng)度水平。此外，Voxelfill的專利技術(shù)（EP 4100235-B1）也允許其它3D打印工藝的用戶進(jìn)行材料擠出，從而擴(kuò)展其應(yīng)用范圍。

在傳統(tǒng)的3D打印過(guò)程中，由于基于層的構(gòu)建方式，組件通常表現(xiàn)出不均勻的強(qiáng)度特性，主要體現(xiàn)在拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度不足，以及沿Z軸的脆性行為。與此相對(duì)，一些先進(jìn)工藝在X和Y軸上已實(shí)現(xiàn)了接近注塑的強(qiáng)度。AIM3D早前已通過(guò)加工基于PA6 GF30和純熱塑性塑料（如Ultem 9085）的纖維填充組件，成功驗(yàn)證了Voxelfill的強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)。

△未填充塑料樣品的拉伸強(qiáng)度比較。俯臥、直立（使用Voxelfill）和直立（傳統(tǒng)）

技術(shù)研發(fā)背景

目前，材料擠出3D打印的抗拉強(qiáng)度在打印方向上約為50%，具體取決于所使用的材料。這導(dǎo)致打印層容易撕裂，使得組件通常僅適用于原型制作。通過(guò)引入Voxelfill，AIM3D實(shí)現(xiàn)了與模具結(jié)合注塑工藝相比，抗拉強(qiáng)度高達(dá)80%，從而使得使用認(rèn)證顆粒材料制造的3D打印部件具備更廣泛的技術(shù)應(yīng)用潛力，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)100%的抗拉強(qiáng)度。

△拉伸試樣沿XZ平面取向，并測(cè)量應(yīng)力（MPa）和應(yīng)變（%）

此外，在XY平面上，Voxelfill的機(jī)械強(qiáng)度比傳統(tǒng)的注塑成型高出80%。這一數(shù)據(jù)適用于未填充的技術(shù)聚合物。與使用熔融沉積成型 (FDM) 打印機(jī)的傳統(tǒng)3D打印相比，Voxelfill的強(qiáng)度可提高一倍。對(duì)于纖維填充聚合物，與傳統(tǒng)FDM打印技術(shù)相比，預(yù)計(jì)強(qiáng)度提升甚至?xí)�更顯著。

為了評(píng)估這一技術(shù)的性能，基于Voxelfill的測(cè)試系列采用拉伸試樣來(lái)確定XY和Z方向的強(qiáng)度。變體A為水平試樣，用于測(cè)試XY平面的拉伸強(qiáng)度；變體B為直立試樣，用于測(cè)試XZ平面的拉伸強(qiáng)度；變體C為基于銑削的塊狀樣品，同樣用于測(cè)試XZ平面的拉伸強(qiáng)度。在AIM3D的可行性研究中，變體A和C的應(yīng)力（MPa）及應(yīng)變（%）使用的是Polymaker的Polycore PETG-1000材料進(jìn)行了測(cè)量。

△具有直立拉伸試樣的體素填充參考，該試樣是從XZ平面上的塊中銑削而成的，并測(cè)量了應(yīng)力（MPa）和應(yīng)變（％）

初步結(jié)果：樣品測(cè)試的強(qiáng)度和標(biāo)準(zhǔn)差比較

初步測(cè)試結(jié)果顯示了Voxelfill的潛力。與傳統(tǒng)逐層生產(chǎn)方式的樣品相比，各向異性明顯成為3D打印組件的弱點(diǎn)。在XY方向打印的樣品（變體A）表現(xiàn)出典型于未填充塑料的延展性應(yīng)力-應(yīng)變曲線。其拉伸強(qiáng)度在52.83MPa時(shí)，甚至略高于注塑成型材料數(shù)據(jù)表中列出的值（50±1.1MPa）。

相比之下，以傳統(tǒng)方式打印的樣品（變體B和C）在XZ方向的比較揭示了拉伸強(qiáng)度及其標(biāo)準(zhǔn)偏差的顯著差異。AIM3D指出，這種差異源于直立拉伸試樣的幾何形狀不利于材料的3D打印擠出。較大的標(biāo)準(zhǔn)偏差表明，隨機(jī)效應(yīng)（例如試樣振動(dòng)）在結(jié)果中起到了主要作用。然而，拉伸試驗(yàn)本身是一種不需要考慮幾何效應(yīng)和缺口效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。

為進(jìn)一步分析沿XZ構(gòu)造方向的強(qiáng)度，AIM3D重點(diǎn)研究了從垂直打印塊中銑削而出的樣品。通過(guò)將傳統(tǒng)打印樣品與Voxelfill樣品進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)使用Voxelfill可以使拉伸強(qiáng)度提高一倍（從傳統(tǒng)打印樣品的20 MPa提升至Voxelfill樣品的40 MPa）。相比之下，水平打印樣品的強(qiáng)度為53MPa。

總結(jié)而言，傳統(tǒng)打印樣品的各向異性為70%，而Voxelfill樣品的各向異性僅為23%。

△使用纖維填充塑料的拉伸強(qiáng)度比較：俯臥90°、俯臥±45°、直立（使用Voxelfill）和直立（傳統(tǒng)）

基于纖維填充測(cè)試系列的均勻性、強(qiáng)度結(jié)果

AIM3D還進(jìn)行了一系列測(cè)試，以確定使用纖維填充塑料的最佳打印參數(shù)，并將它與傳統(tǒng)3D 打印及Voxelfill技術(shù)進(jìn)行比較，以實(shí)現(xiàn)最大強(qiáng)度。

測(cè)試使用了Polymaker的PETG GF30，擠出溫度設(shè)定為270°C。作為參考，制作了水平XY方向的拉伸樣品，這些樣品以兩種不同的填充方向打�。阂环N沿著拉伸方向，另一種與拉伸方向成 ±45° 角。

△使用纖維填充塑料的拉伸強(qiáng)度比較：俯臥 90°、俯臥 ±45°、直立（使用 Voxelfill）和直立（傳統(tǒng)）

根據(jù)AIM3D的報(bào)告，當(dāng)填充物沿拉伸方向取向時(shí)，拉伸強(qiáng)度最高，達(dá)到了72.4MPa。然而，AIM3D指出，這一結(jié)果在實(shí)際應(yīng)用中可能是虛構(gòu)的，因?yàn)樵谡嬲�的注塑部件中，纖維分布受到部件幾何形狀及注射點(diǎn)數(shù)量和方向的影響。相比之下，填充方向?yàn)椤?5°的水平拉伸樣品達(dá)到了50.1 MPa。隨后，采用常規(guī)方法打印的直立拉伸樣品（即不使用Voxelfill，類似于普通3D打印機(jī)的狀態(tài)）其拉伸強(qiáng)度僅為12.8MPa。而使用Voxelfill打印的直立測(cè)試樣品的拉伸強(qiáng)度則更高，達(dá)到了40.7MPa。

通過(guò)對(duì)測(cè)定的拉伸強(qiáng)度值進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)Voxelfill的強(qiáng)度均勻性相比于±45°打印的參考樣本為81%，而與對(duì)齊的參考樣本相比則為56%。另一方面，傳統(tǒng)打印的拉伸樣本與±45° 打印的參考樣本相比，僅實(shí)現(xiàn)了25%的均勻性，與對(duì)齊的參考樣本相比，僅實(shí)現(xiàn)了18%的均勻性。

△在XZ平面上使用Voxelfill打印的樣本的共聚焦顯微鏡檢查

這表明，Voxelfill能夠提高強(qiáng)度并使組件性能更均勻，其效果可與注塑成型相媲美，已在纖維填充塑料中得到證實(shí)（參見不同拉伸強(qiáng)度值的比較圖）。此外，通過(guò)共聚焦顯微鏡觀察纖維分布，發(fā)現(xiàn)纖維沿Z方向排列，這是由于Voxelfill的垂直注塑工藝所引入的。

AIM3D指出，要實(shí)現(xiàn)3D打印組件的廣泛適用性，仍需解決強(qiáng)度特性不均勻的問(wèn)題。Voxelfill工藝的推出，將為行業(yè)提供更強(qiáng)大、更可靠的解決方案，推動(dòng)3D打印技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。