AIM3D: Innovativer 3D-Druck Generativ zu Bauteilen homogener Festigkeit

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Das Verfahren Voxelfill des Maschinenherstellers AIM3D in Rostock verwirklicht beim 3D-Druck nachweislich nahezu homogene Festigkeiten in allen Raumrichtungen. Somit lassen sich Bauteile herstellen, die in ihren Eigenschaften nahezu spritzgegossenen Werkstücken entsprechen.

Seit dem Jahr 2017 entwickelt und produziert der Maschinenhersteller und Verfahrensentwickler AIM3D in Rostock 3D-Drucker, die mit Pellets aus Kunststoffen arbeiten. Das unterscheidet sie wesentlich von den üblichen 3D-Druckern, die Filamente, also extrudierte Fäden, zum generativen Fertigen nutzen. Mit Pellets zu arbeiten, hat einige Vorteile. Dazu gehören niedrigere Kosten für Rohmaterial. Zudem können recyclierte Kunststoffe eingesetzt und somit eine Kreislaufwirtschaft verwirklicht werden. Damit erweist sich das Verfahren mit Pellets als Rohmaterial als besonders wirtschaftlich. Clemens Lieberwirth, CTO von AIM3D, sagt dazu: «Wir glauben mehr denn je an unsere CEM-Technologie und das bewährte Team von AIM3D. 3D-Pellet-Drucker bieten die einzigartige Option, sehr kosteneffektiv die Eigenschaften von konventionell hergestellten Bauteilen mit einer additiven Fertigungsstrategie abzubilden. Mit der Voxelfill-Strategie reicht nun der 3D-Druck an Festigkeiten des klassischen Spritzgiessens heran.»

Isotrope Bauteile generativ fertigen

Aus Polymeren additiv gefertigte Bauteile haben durch den schichtbasierten Aufbau inhomogene Festigkeiten. Das betrifft vor allem verminderte Zug- und Biegefestigkeiten sowie Sprödigkeit in Z-Achsrichtung. In X- und Y-Richtung erreichen additiv gefertigte Bauteile bei zahlreichen Verfahren bereits dem üblichen Spritzgiessen vergleichbare Festigkeiten. Der Maschinenhersteller AIM3D belegte dies bereits mit fasergefüllten Werkstoffen wie Polyamid PA6 GF30 und reinen Thermoplasten wie Ultem 9085. Um 3D-gedruckte Bauteile universell nutzen zu können, müssen sie allerdings homogene Festigkeiten in allen Raumrichtungen haben. Unter Einsatz der 3D-Extrusionstechnologie des CEM-Verfahrens entwickelte AIM3D seine innovative Strategie Voxelfill. Sie ist eine Kombination von Spritzgiessen und 3D-Extrusionsdruck auf Basis des CEM-Verfahrens. Volumenelemente werden extrudierend aufgebaut und anschliessend in einem Spritzgiessverfahren gefüllt. Dank diesem Aufbau kann man nunmehr gerichtet in der X-Y-Ebene und in der Z-Richtung die Festigkeit durch entsprechend orientiertes Legen von Fasern beeinflussen. Durch das Einspritzen in die Volumenkammern (Befüllen der Voxel) erhält das 3D-Bauteil Fasern, die in der Z-Achse ausgerichtet sind. So kann das Verfahren homogene Strukturen, also nahezu isotrope Materialeigenschaften in allen Baurichtungen verwirklichen. Fasern verstärkter Kunststoffe werden in Z-Richtung orientiert. Das Verfahren arbeitet produktiver und verbessert die Wirtschaftlichkeit. Die Strategie ist zudem für Bauteile aus mehreren unterschiedlichen Werkstoffen anwendbar. Sie eignet sich grundsätzlich für die Werkstoffgruppen Kunststoff, Metall und Keramik zum Aufbau von 3D-Bauteilen. Clemens Lieberwirth, CTO von AIM3D, hebt die Vorteile hervor: «Mit dem Verfahren Voxelfill bekommt der Verarbeiter die einzigartige Möglichkeit zur Verbesserung der Z-Festigkeit und der Druckgeschwindigkeit. Wir arbeiten daher konsequent an der Fortentwicklung dieser Technologie.»

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Nachweislich höhere Festigkeit

Mit der 3D-Druck-Strategie Voxelfill werden Festigkeiten von 80 Prozent in der Ebene im Vergleich zum Spritzgiessen verwirklicht. Diese Daten gelten für ungefüllte technische Polymere. Bauteile haben eine doppelt so hohe Festigkeit gegenüber den im konventionellen 3D-Druck mit FDM-Druckern hergestellten Bauteilen. Bei mit Fasern gefüllten technischen Polymeren ist der zu erwartende Anstieg der Festigkeit gegenüber dem konventionellem 3D-Druck mit FDM-Druckern sogar noch höher. Um die höheren Festigkeiten nachzuweisen, werden unterschiedliche Zugstäbe generativ gefertigt. Das betrifft Variante A mit Zugrichtung in XY-Ebene, Variante B mit Zugrichtung in XZ-Ebene. Eine Variante C entsteht aus gefrästen Blöcken mit Zugrichtung in XZ-Ebene. Gemessen werden an den Probestäben (Werkstoff Polycore PETG-1000 von Polymaker) jeweils die Spannung (MPa) und die Dehnung (Prozent).

Herausragende Eigenschaften

Konventionell hergestellte Proben (Layer by Layer) erweisen sich als anisotrop. In XY-Ausrichtung gedruckte Probestäbe haben einen duktilen Spannungs-Dehnungs-Verlauf, der dem Verhalten eines ungefüllten Kunststoffs entspricht. 52,83 MPa Zugfestigkeit sind sogar höher als dem Materialdatenblatt (50 +/–1,1 MPa) fürs Spritzgiessen vorgegeben. In XZ-Richtung konventionell gedruckte Probestäbe stehen zum einen als direkt gefertigte Zugstäbe, zum weiteren als – aus einem 3D-gedruckten Block – gefräste Bauteile zur Verfügung. Aus einer Vielzahl an Ursachen ergeben sich für diese erheblich variierende Festigkeiten.

Für die weitere Betrachtung der Festigkeit in XZ-Baurichtung werden daher ausschliesslich Probestäbe genutzt, die aus einem stehend gedruckten Block gefräst wurden. Das durch die spanende Bearbeitung mögliche nachträgliche Anschmelzen der Schichten wurde dabei durch geeignetes Werkzeug und Kühlung verhindert. Vergleicht man die in XZ-Richtung gedruckten Proben, die konventionell gedruckt wurden, mit den im Voxelfill-Verfahren gefertigten Probestäben, ergibt sich eine von 20 Mpa (konventionell gedruckt) auf 40 Mpa verdoppelte Zugfestigkeit. Dies entspricht 70 Prozent Anisotropie bei konventionell gedruckten Proben und nur 23 Prozent bei Probestäben, die im Voxelfill-Verfahren gedruckt sind.

Optische Analyse der Proben

Trotz hoher Zugfestigkeiten enthalten die Probestäbe noch Poren, also Lufteinschlüsse kleiner als 0,15 mm³ Volumen. Daher ist durch weitere Optimierung der Fülldichte eine noch höhere Zugfestigkeit und damit Isotropie denkbar. Das Potential des Verfahrens Voxelfill erweitert sich durch fasergefüllte Polymere.

Optimierung bei fasergefüllten Werkstoffen

Die Übertragung des Verfahrens Voxelfill auf fasergefüllte Kunststoffe bestätigt den positiven Einfluss auf die Z-Festigkeit deutlich. Dies ergibt sich aus Versuchen mit dem Kunststoff PETG GF30 von Polymaker bei 270 °C Extrusionstemperatur. Als Referenz dienen liegend in X-Y-Richtung gedruckte Zugstäbe mit zwei unterschiedlichen Orientierungen der Fasern. Zum einen sind diese in Zugrichtung, zum anderen im Winkel +/–45° zur Zugrichtung eingelegt. Bei Ersteren ist die Zugfestigkeit am höchsten (72,4 Mpa). Allerdings ist bei spritzgegossenen Bauteilen diese Faserorientierung nicht üblich. Fasern orientieren sich dort an der Bauteilgeometrie und der Anzahl und Orientierung der Einspritzpunkte. Liegend gedruckte Zugstäbe mit +/–45° ausgerichteten Fasern erreichen 50,1 Mpa Festigkeit. Konventionell gedruckte Bauteile mit schichtweise eingelegten Fasern erreichen dagegen nur 12,8 Mpa Zugfestigkeit.

Mit Fasern nahezu homogen

Die im Verfahren Voxelfill gedruckten Kunststoffteile sind etwa 81 Prozent bei den unter +/–45° orientierten Fasern, zu 51 Prozent bei den Probestäben mit ausgerichteten Fasern. Das ist weit besser als bei konventionell gedruckten Stäben (25 Prozent, respektive 18 Prozent). Also erweist sich das Verfahren Voxelfill bei fasergefüllten Kunststoffen als deutlich besser und ergibt Bauteile mit Eigenschaften, die nahezu dem Spritzgiessverfahren vergleichbar sind. Bewiesen werden kann das mit mikroskopischen Analysen. In den Bauteilen sind eine Vielzahl in Z-Richtung orientierte Fasern zu sehen.

Clemens Lieberwirth fasst die Merkmale und Vorteile des Verfahrens Voxelfill zusammen: «Das Voxelfill-Verfahren eignet sich natürlich 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.»

(kmu)

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