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Versuchsreihen zum Thema Voxelfill-Prinzip

Mit Voxelfill werden also im Vergleich zum Spritzgießen Festigkeiten von 80 Prozent in der Ebene erzielbar. Die zunächst ermittelten Werte gelten für aber für ungefüllte technische Polymere. Das ergibt eine doppelt so hohe Festigkeit im Vergleich zum konventionellen 3D-Druck mit FDM-Druckern. Bei fasergefüllten technischen Polymeren ist der zu erwartende Anstieg der Festigkeit sogar noch höher. Der Aufbau der Versuchsreihen mit Voxelfill erfolgte mit Zugstabgeometrien zur Bestimmung der XY-Festigkeit sowie der Z-Festigkeit. Variante A bildete liegende Zugstäbe mit Zugrichtung in XY-Ebene ab. Variante B waren stehende Zugstäbe mit Zugrichtung in XZ-Ebene. Variante C bildete ein Block mit Zugrichtung in XZ-Ebene auf Basis gefräster Proben. Im Rahmen der Machbarkeitsstudie von AIM3D wurden für die Varianten A bis C (Material Polycore PETG-1000 von Polymaker) jeweils die Spannung (MPa) und die Dehnung (in Prozent) gemessen.

Trotz hoher Zugfestigkeiten wiesen die Voxelfill-Proben noch Poren auf, also Lufteinschlüsse im Bereich von unter 0,15 Kubikmillimetern (mm³) auf. Deshalb ist durch weitere Optimierung der Fülldichte eine noch höhere Zugfestigkeit und damit Isotropie denkbar. Nicht zu vergessen, das Niveau, das durch fasergefüllte Polymere erreicht werden kann.

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Folgende Erkenntnisse lassen sich ableiten:

Die Ergebnisse aus den ersten Untersuchungen zeigen das große Verbesserungspotenzial von Voxelfill auf. Sie bilden den „Proof of Concept“ für diese Kombination aus Materialextrusions-3D-Druck und Spritzgießen. Bei der Betrachtung der Ergebnisse der konventionell hergestellten Proben (Layer by Layer) wird die Schwachstelle Anisotropie 3D-gedruckter Bauteile offensichtlich. Die in XY-Ausrichtung gedruckten Proben zeigen einen duktilen Spannungs-Dehnungs-Verlauf, wie er typisch für einen ungefüllten Kunststoff ist. Die Zugfestigkeit liegt mit 52,83 Megapascal (MPa) dabei sogar leicht über dem Wert aus dem Materialdatenblatt (50 ± 1,1 MPa) für das Spritzgießen. Beim Vergleich der konventionell in XZ-Richtung gedruckten Proben – einmal direkt als stehender Zugstab und einmal als Block, zur anschließenden spanenden Fertigung der Zugstäbe – zeigen sich Abweichungen. Diese betreffen sowohl die Zugfestigkeit als auch die Standardabweichung. Das ergibt sich aus der sehr ungünstigen Geometrie eines stehenden Zugstabes für den Materialextrusions-3D-Druck. Physikalisch kann man dies so erklären: Durch seine geringe Auflagefläche an der Basis und die übergroße Höhe, bei sich gleichzeitig variiertem Querschnitt, sind die Proben bei direkter Fertigung Schwingungen ausgesetzt, die zu einem Versatz der Bahnen führen können.

Die Voxelfill-Proben halten das Doppelte aus

Diese geometriebedingten Ungenauigkeiten schwächen das Materialgefüge, weil sie den Querschnitt des Materials beeinflussen und für unter Belastung rissanfällige Kerben entstehen können. Die höhere Standardabweichung ist ein gutes Indiz dafür, dass hier ein stochastischer Effekt, wie das Schwingen des Zugstabes, eine große Rolle spielt. Ein Zugversuch ist jedoch eine Überprüfung, bei der geometrisch bedingte Effekte und Kerbwirkungen keine Betrachtung finden sollten. Für die weitere Betrachtung der Festigkeit in XZ-Baurichtung wurde sich daher auf die Proben konzentriert, 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 nun also die in XZ-Richtung gedruckten Proben, die konventionell gedruckt wurden, mit den Voxelfill-Proben, so wird eine Verdopplung der Zugfestigkeit erkennbar. Diese steigt von 20 MPa für die konventionell gedruckten Proben auf 40 MPa für die Voxelfill-Proben. Im Vergleich dazu lag die Festigkeit der liegend gedruckten Proben bei 53 MPa. Als Ergebnis ist festzuhalten: Dies entspricht einer Anisotropie von 70 Prozent bei den konventionell gedruckten Proben und einer Anisotropie von nur noch 23 Prozent bei den Voxelfill-Proben.

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