AIM3D發(fā)表報告表明Voxelfill可解決3D打印強度不均勻問題

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

△基于打印支架的Voxelfill與傳統(tǒng)3D打印比較

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

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

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

技術研發(fā)背景

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

△拉伸試樣沿XZ平面取向,，并測量應力（MPa）和應變（%）

此外,，在XY平面上，Voxelfill的機械強度比傳統(tǒng)的注塑成型高出80%,。這一數(shù)據(jù)適用于未填充的技術聚合物,。與使用熔融沉積成型 (FDM) 打印機的傳統(tǒng)3D打印相比,，Voxelfill的強度可提高一倍。對于纖維填充聚合物,，與傳統(tǒng)FDM打印技術相比,，預計強度提升甚至會更顯著。

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

△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，并測量了應力（MPa）和應變（％）

初步結果：樣品測試的強度和標準差比較

初步測試結果顯示了Voxelfill的潛力,。與傳統(tǒng)逐層生產方式的樣品相比,，各向異性明顯成為3D打印組件的弱點。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力-應變曲線,。其拉伸強度在52.83MPa時,，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度及其標準偏差的顯著差異,。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,。較大的標準偏差表明,，隨機效應（例如試樣振動）在結果中起到了主要作用。然而,，拉伸試驗本身是一種不需要考慮幾何效應和缺口效應的實驗,。

為進一步分析沿XZ構造方向的強度，AIM3D重點研究了從垂直打印塊中銑削而出的樣品,。通過將傳統(tǒng)打印樣品與Voxelfill樣品進行比較,，可以發(fā)現(xiàn)使用Voxelfill可以使拉伸強度提高一倍（從傳統(tǒng)打印樣品的20 MPa提升至Voxelfill樣品的40 MPa）,。相比之下,，水平打印樣品的強度為53MPa。

總結而言,，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)）

基于纖維填充測試系列的均勻性,、強度結果

AIM3D還進行了一系列測試，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技術進行比較,，以實現(xiàn)最大強度。

測試使用了Polymaker的PETG GF30,，擠出溫度設定為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的報告,，當填充物沿拉伸方向取向時,，拉伸強度最高，達到了72.4MPa,。然而,，AIM3D指出，這一結果在實際應用中可能是虛構的,，因為在真正的注塑部件中,，纖維分布受到部件幾何形狀及注射點數(shù)量和方向的影響。相比之下,，填充方向為±45°的水平拉伸樣品達到了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打印機的狀態(tài)）其拉伸強度僅為12.8MPa,。而使用Voxelfill打印的直立測試樣品的拉伸強度則更高，達到了40.7MPa,。

通過對測定的拉伸強度值進行比較,，可以發(fā)現(xiàn)Voxelfill的強度均勻性相比于±45°打印的參考樣本為81%，而與對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，僅實現(xiàn)了25%的均勻性,，與對齊的參考樣本相比,，僅實現(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（參見不同拉伸強度值的比較圖）。此外,，通過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,，要實現(xiàn)3D打印組件的廣泛適用性，仍需解決強度特性不均勻的問題,。Voxelfill工藝的推出,，將為行業(yè)提供更強大、更可靠的解決方案,，推動3D打印技術的進一步發(fā)展,。