AIM3D GmbH展示Voxelfill专利技术，显著提升3D打印部件强度

AIM3D GmbH （德国罗斯托克）宣布，它已成功展示了其专利 Voxelfill 工艺 的优势，这是一种 3D 打印技术，通过创建要用热塑性材料填充的体素晶格结构来提高塑料和纤维填充塑料部件的强度和弹性。AIM3D 认为强度测试证明了该工艺能够克服 3D 部件在 X、Y 和 Z 轴上的不均匀强度，从而接近注塑等传统工艺。此外，根据 EP 4100235-B1，Voxelfill 可以授权给其他 3D 打印工艺的用户进行材料挤出。

在 3D 打印聚合物时，由于基于层的构建过程，组件通常会具有不均匀的强度特性。这主要表现为拉伸强度和弯曲强度不足，以及沿 Z 轴的非常脆性行为。相反，某些工艺在 X 和 Y 轴上实现的强度已经接近通过传统注塑获得的强度。此前，AIM3D 已通过加工基于 PA6 GF30 和纯热塑性塑料（如 Ultem 9085）的纤维填充组件成功证明了这一点。尽管如此，该公司指出，强度特性不均匀的现象需要得到解决，以实现 3D 打印组件的广泛适用性。

通过 CEM 挤压，AIM3D 开发了一种 Voxelfill 策略，可以克服这些限制并提高 CEM 工艺的成本效益。Voxelfill 还可用于多材料组件，通常适用于使用塑料、金属和陶瓷构建 3D 组件。“借助 Voxelfill，用户现在可以提高 Z 强度和打印速度，”AIM3D 首席技术官 Clemens Lieberwirth 说。“我们正在不断进一步开发这项技术。”

目前，材料挤出 3D 打印在打印方向上的抗拉强度约为 50%，具体取决于材料。因此，打印层会撕裂，通常使组件仅适用于原型。借助 Voxelfill，AIM3D 现在可实现与模具结合注塑工艺相比 80% 的抗拉强度，从而实现由认证颗粒制成的 3D 打印部件的技术应用。潜在目标是实现 100% 的抗拉强度。 

此外，在 XY 平面上，Voxelfill 的机械强度比注塑成型高出 80%；最初确定的数值适用于未填充的技术聚合物。据报道，与使用熔融沉积成型 (FDM) 打印机的传统 3D 打印相比，这可使强度提高一倍。对于纤维填充聚合物，与使用 FDM 打印机的传统 3D 打印相比，预期强度的提高甚至更高。

为了确定这一点，基于 Voxelfill 的测试系列使用拉伸试样来确定 XY 强度和 Z 强度（图 1）。变体 A 是水平试样，用于测试 XY 平面的拉伸强度。变体 B 是直立试样，用于测试 XZ 平面的拉伸强度。变体 C 是基于铣削试样的块，用于测试 XZ 平面的拉伸强度。作为 AIM3D 可行性研究的一部分，测量了变体 AC 的应力 (MPa) 和应变 (%)（所用材料为 Polymaker（上海，中国）的 Polycore PETG-1000）。

初步结果：样品测试的强度和标准差比较

初步测试结果显示了 Voxelfill 的潜力。考虑到传统方式生产的样品（逐层）的结果，显然各向异性是 3D 打印组件的弱点。以 XY 方向打印的样品（变体 A）显示出延展性应力-应变曲线，这对于未填充的塑料来说是典型的。在 52.83 MPa 时，拉伸强度甚至略高于注塑成型材料数据表中的值（50 ±1.1 MPa）。在 XZ 方向以传统方式打印的样品（变体 B 和 C）的比较揭示了拉伸强度和标准偏差的偏差。AIM3D 表示，这是由于直立拉伸试样的几何形状不利于材料挤出 3D 打印。

标准差较大表明随机效应（如试样振动）在此起着主要作用。然而，拉伸试验是一种不必考虑几何效应和缺口效应的试验。为了进一步分析沿 XZ 构造方向的强度，AIM3D 重点研究了从垂直打印块中铣削出来的样品。通过比较传统打印样品和 Voxelfill 样品，可以发现使用 Voxelfill 可使拉伸强度提高一倍 — — 从传统打印样品的 20 MPa 提高到 Voxelfill 样品的 40 MPa。相比之下，水平打印样品的强度为 53 MPa。总结：传统打印样品的各向异性为 70%，而 Voxelfill 样品的各向异性仅为 23%。

基于纤维填充测试系列的均匀性、强度结果 

AIM3D 还进行了一系列测试，以确定使用纤维填充塑料的最佳打印参数，以便与传统 3D 打印和 Voxelfill 比较可实现的最大强度。

测试采用 Polymaker 的 PETG GF30，挤出温度为 270°C。制作了水平 XY 方向的拉伸样品作为参考。这些样品以两种不同的填充方向打印：一个沿着拉伸方向，另一个与拉伸方向成 ±45° 角。

据该公司介绍，填充物沿拉伸方向取向时，拉伸强度最高，为 72.4 MPa。然而，AIM3D 认为这只是一种虚构情况，因为这不会发生在真正的注塑部件中，在真正的注塑部件中，纤维分布取决于部件的几何形状以及注射点的数量和方向。相比之下，填充方向为 ±45° 的水平拉伸试样达到了 50.1 MPa。随后，以常规方式使用逐层填充（不使用 Voxelfill，这对应于普通 3D 打印机的状态）打印直立拉伸试样。这些试样的拉伸强度达到了 12.8 MPa。相比之下，使用 Voxelfill 打印的直立测试试样的拉伸强度更高，为 40.7 MPa。

通过比较测定的拉伸强度值，可以发现 Voxelfill 的强度均匀性与 ±45° 打印的参考样本相比为 81%，与对齐的参考样本相比为 56%。另一方面，传统打印的拉伸样本与 ±45° 打印的参考样本相比仅实现 25% 的均匀性，与对齐的参考样本相比仅实现 18% 的均匀性。Voxelfill 的强度增加效果 - 可使组件性能更均匀，可与注塑成型相媲美 - 已在纤维填充塑料中得到证实（参见不同拉伸强度值的比较图）。此外，在共聚焦显微镜下观察纤维分布（图 6）显示，纤维沿 Z 方向排列，这是由 Voxefill 的垂直注塑工艺引入的。 

“我们现在比以往任何时候都更加相信我们的 CEM [复合挤压建模] 技术和 AIM3D 的成熟团队，”Lieberwirth 说道。“3D 颗粒打印机提供了一种选择，即以增材制造 [AM] 策略经济高效地映射传统制造组件的属性。借助 Voxelfill，3D 打印现在的机械强度已接近传统注塑成型。”