Composite Extrusion Modeling (CEM) Voxelfill-Prinzip überwindet inhomogene 3D-Druck-Festigkeiten

Schichtbasierte 3D-Aufbauprozesse von Polymeren weisen inhomogene Festigkeitswerte in Z-Richtung auf. Mit dem zum Patent angemeldeten Voxelfill-Verfahren erreicht der 3D-Drucker-Hersteller AIM3D nun definierte selektive Dichten im mittels Composite Extrusion Modeling hergestellten Bauteil.

Die Multimaterialdrucker von AIM3D aus Rostock können auf Grundlage von Standard-Spritzgussgranulat Produkte aus Metallen, Keramiken, Kunststoffen und verstärkten Kunststoffen drucken. Ihr Composite Extrusion Modeling (CEM-Verfahren) kombiniert den Metallspritzguss, den Keramikspritzguss und den eigentlichen Spritzguss mit dem FDM-Verfahren. Jedoch weist der schichtbasierte Aufbauprozess inhomogene Festigkeitswerte in Z-Richtung auf. Nun hat AIM3D eine Voxelfill-Strategie entwickelt, die diese Einschränkung überwindet und die Wirtschaftlichkeit des CEM-Verfahrens steigert.

Das zweistufige Voxelfill-Verfahren

Wie AIM3D mitteilt, werden beim Voxelfill-Ansatz Bauteile nicht mehr ausschließlich schichtweise aufgebaut, sondern durch den Einsatz von sogenannten Voxeln als Volumenbereiche schichtübergreifend gefüllt. Dabei besteht die Voxelfill-Strategie laut AIM3D aus zwei Verfahrensstufen. Zuerst wird die Bauteilkontur als Basisstruktur über eine oder mehrere Bahnen des extrudierten Materials erzeugt. Im Inneren des Bauteils entsteht dabei ein Gittermuster, das die Grenzen der zu füllenden Volumenelemente als Waben definiert. Die CEM-Anlage wiederholt diesen Aufbau bis zu einer definierten Höhe der Volumenelemente. Dann erfolgt die Füllung der Hohlräume (Voxel) durch Einspritzen des thermoplastischen Materials.

Der zweite Teil der 3D-Druckstrategie besteht nach Angaben von AIM3D darin, dass bei der Füllung der Volumenbereiche nicht alle Voxel in einer Ebene gefüllt werden. Dies hätte erneut eine Schwachstelle in Z-Richtung zur Folge. Durch Versetzen der Volumenelemente in halber Höhe der Voxel wird eine Art Ziegelverbund im Bauteil erzeugt. Dies bewirke eine enorme Festigkeitserhöhung und verbessere die Elastizität der Bauteile in Z-Richtung. Nebenbei reduzieren die eingebrachten Volumenelemente die Druckzeit für vollgefüllte Bauteile und steigern damit entscheidend die Wirtschaftlichkeit des CEM-Verfahrens, heißt es.

Bauteileigenschaften durch selektives Füllen gezielt beeinflussen

Das CEM-Verfahren mit Voxelfill-Strategie ermöglicht hybride Multimaterial-Lösungen mit unterschiedlichen Voxel-Füllmaterialien und Baumaterialien für die Kontur/Struktur der Innenwände. Auf diese Weise können Bauteilgewicht, Dämpfungseigenschaften, Schwerpunktmanipulationen oder Elastizitäten – abgestimmt auf die Anwendung – definiert werden. Durch gezieltes selektives Füllen nur bestimmter Volumenkammern auf Basis von FE-Simulationen, könnten auch die Bauteileigenschaften gezielt beeinflusst werden. So sei es mit Voxelfill möglich, nur die Bereiche eines Bauteils zu füllen, die für den Kraftfluss zwingend erforderlich sind. Im Ergebnis wären diese Bauteile von außen rein optisch „klassische“ Bauteile, auch mit allen Vorteilen für die Nachbearbeitung. Gleichzeitig erfolge der 3D-Druck aber material- und gewichtsreduziert bis hin zum Leichtbau. Speziell beim Einsatz von faserverstärkten Werkstoffen soll sich durch die Voxelfill-Strategie eine zusätzliche Option ergeben, die Fasern im Bauteil gezielt auszurichten, um die mechanischen Eigenschaften zu steigern. AIM3D stellt das Voxelfill-Prinzip auf der Formnext 2022 vor.

Weitere Neuheiten zur Formnext:

Messe für Additive Fertigung und 3D-Druck

Diese Neuheiten sind auf der Formnext 2022 zu sehen

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