AIM3D: Optimierter 3D-Druck Schichtübergreifend füllen für homogene Festigkeit

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Schichtweise dreidimensional aufgebaute Bauteile haben oft inhomogene Festigkeiten. Das vermeiden Anlagen, die mit dem Verfahren Voxelfill von AIM3D arbeiten. Auf ihnen sind sogar definiert selektive Dichten im Bauteil herstellbar.

Zur Messe Formnext 2022 präsentiert die AIM3D GmbH, Rostock, ihr jüngst verwirklichtes Verfahren Voxelfill. Mit ihm lassen sich die Festigkeiten 3D-gedruckter Bauteile deutlich optimieren. Dazu sagt Clemens Lieberwirth, CTO bei AIM3D: «Das Verfahren Voxelfill eignet sich besonders für den 3D-Druck von Kunststoffen und fasergefüllten Kunststoffen, ist aber auch für den 3D-Druck von Metall- und Keramikbauteilen im Verfahren CEM geeignet. Generell ergeben sich Vorteile durch die höhere Baugeschwindigkeit und die schichtübergreifende Füllung.»

Richtungsorientiert unterschiedliche Festigkeit

Additiv gefertigte Bauteile weisen durch den schichtweisen Aufbauprozess – speziell bei Polymerkunststoffen – inhomogene Festigkeiten auf. Daraus resultieren verminderte Zug- und Biegefestigkeiten sowie ein sehr sprödes Verhalten in Richtung der Z-Achse. Demgegenüber erreichen die Festigkeiten in X- und Y-Richtung mancher 3D-Druckverfahren schon diejenigen von Bauteilen, die klassisch im Spritzgiessverfahren hergestellt sind. Um eine breite Anwendbarkeit 3D-gedruckter Bauteile zu ermöglichen, muss das Phänomen inhomogener Festigkeiten grundsätzlich überwunden werden. Basierend auf dem 3D-Druckverfahrens CEM (Composite-Extrusion-Modeling – mit Polymerkunststoff umgebenes Granulat wird unter Wärmeinwirkung über eine beheizte Düse extrudiert, anschliessend wird der Binder des Kunsttoffs chemisch oder thermisch entfernt, danach das (Metall-)Bauteil gesintert) entwickelte der Maschinenhersteller AIM3D die Voxelfill genannte Strategie. Mit ihr lässt sich der Nachteil ungenügender Festigkeiten in vertikaler (Aufbau-)Richtung generativ gefertigter Bauteile vermeiden. Das innovative Verfahren ist zudem bei Bauteilen aus mehreren unterschiedlichen Kunststoffen anwendbar. Grundsätzlich eignet es sich darüber hinaus für Metalle und Keramiken.

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Zweistufig aufbauen

Bauteile werden beim Verfahren Voxelfill nicht mehr ausschliesslich schichtweise (also 2,5-dimensional) aufgebaut. Es werden mit Hilfe sogenannter Voxel (Hohlräume) Volumenbereiche schichtübergreifend gefüllt. Dazu wird zunächst, wie gewohnt, die Bauteilkontur als Basisstruktur über eine oder mehrere Bahnen des extrudierten Werkstoffs erzeugt. Im Inneren des Bauteils entsteht ein Gittermuster, das die Grenzen der zu füllenden Volumenelemente definiert. Diese Struktur der zu füllenden Voxel gleicht den Waben in einem Bienenstock. Die Strategie Voxelfill besteht aus zwei Verfahrensstufen. Zunächst wird die Gitterstruktur generiert. Die 3D-Druckanlage wiederholt diesen Aufbau bis zu einer definierten Höhe der Volumenelemente. Danach werden die zuvor erzeugten Hohlräume mit dem Extruder mit theromplastischem Kunststoff gefüllt. Beim Füllen werden nicht alle Hohlräume in einer Ebene gefüllt. Dies ergäbe eine Schwachstelle in Z-Richtung in der Ebene, in der jeweils die Hohlräume enden. Die Volumenelemente werden in halber Höhe versetzt gefüllt. Das erzeugt eine dem Ziegelverbund beim Mauern von Backsteinen ähnliche Bauteilstruktur. Die Bruchlinie verläuft also versetzt. Dies bewirkt eine enorm höhere Festigkeit. Zudem verbessert es die Elastizität der Bauteile in Z-Richtung. Einhergehend verkürzen die eingebrachten Volumenelemente die Zeit zum Aufbau eines Bauteils. Somit arbeitet das Verfahren CEM nochmals wirtschaftlicher.

Vielfach variabel

Beim Verfahren Voxelfill lassen sich zahlreiche Varianten verwirklichen. So können hybride Bauteile aus mehreren unterschiedlichen Werkstoffen aufgebaut werden. Dabei kann die Gitterstruktur und die Füllung der Voxel aus Werkstoffen mit unterschiedlichen Eigenschaften bestehen. Dadurch lassen sich die Bauteileigenschaften spezifisch und individuell anpassen. Das betrifft unter anderem das Gewicht der Bauteile, die Dämpfungseigenschaften, den Schwerpunkt und die Elastizität einzelner Bauteilbereiche. Durch gezieltes selektives Füllen nur bestimmter Volumenkammern (selektive Dichte) können die Bauteileigenschaften gezielt beeinflusst werden. So ist es mit dem Verfahren Voxelfill auch möglich, nur die Bereiche eines Bauteils zu füllen, die für den Kraftfluss zwingend erforderlich sind. Dadurch ergeben sich äusserlich «klassische» Bauteile mit allen Vorteilen für die Nachbearbeitung von Kanten und Flächen in allen drei Raumrichtungen. Sie sind aber aufgrund des 3D-Drucks mit minimiertem Werkstoff und minimalem Gewicht hergestellt. Speziell bei faserverstärkten Werkstoffen ergibt sich durch das Verfahren Voxelfill eine zusätzliche Option. Die Fasern können im Bauteil gezielt ausgerichtet werden. Somit kann man die mechanischen Eigenschaften verbessern. Dank des Aufbaus mit gefüllten Volumenelementen kann man nunmehr gerichtet in der X-Y-Ebene und in der Z-Richtung die Festigkeit durch entsprechend orientiertes Legen der Fasern beeinflussen. Durch das Einspritzen in die Volumenkammern (Befüllen der Voxel) erhält das 3D-Bauteil Fasern, die in der Z-Achse ausgerichtet sind. So lässt sich die mechanische Festigkeit in der dritten Dimension ebenfalls mit Fasern deutlich erhöhen. - kmu - SMM

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