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AIM3D GmbH

GGB Heilbronn GmbH

Die Versuche mit faserverstärkten Kunststoffen

Die Übertragung des Voxelfill-Prozesses auf fasergefüllte Kunststoffe bestätigt den positiven Einfluss auf die Z-Festigkeit deutlich. Durchgeführt wurden Versuche mit PETG GF30 von Polymaker bei einer Extrusionstemperatur von 270 °C. Es wurde eine Versuchsreihe zur Ermittlung der optimalen Druckparameter, um eine Vergleichbarkeit zur maximal erreichbaren Festigkeit, sowohl im konventionellen als auch im Druck mit Voxelfill zu beurteilen, aufgebaut. Dazu wurden in XY-liegende Zugstäbe als Referenz hergestellt. Sie wurden in zwei unterschiedlichen Infill-Orientierungen gedruckt – einmal ausgerichtet in Zugrichtung und einmal um ±45° zur Zugrichtung verdreht. Die Zugfestigkeit bei, in Zugrichtung ausgerichtetem Infill, war am Größten. Sie lag bei 72,4 MPa. Dies entspricht aber einem sehr konstruierten Fall, der so in einem wirklich spritzgegossenen Kunststoffteil nicht vorkommt, weil die Faserverteilung hier abhängig von der Bauteilgeometrie und der Anzahl und Orientierung der Einspritzpunkte ist. Die Fasern orientieren sich dabei parallel zur Fließrichtung der Kunststoffmoleküle in der Schmelze. Die liegenden Zugstäbe mit einer Infill-Ausrichtung von ±45° erreichten im Vergleich dazu 50,1 MPa. Als Nächstes wurden stehende Zugstäbe ohne Voxelfill, mit konventionellem, schichtweisem Infill gedruckt (was dem Stand normaler 3D-Drucker entspricht) . Diese erreichten eine Zugfestigkeit von lediglich 12,8 MPa. Die mittels Voxelfill gedruckten, stehenden Prüfkörper erreichten im Vergleich eine höhere Festigkeit von 40,7 MPa.

Vergleiche mit Blick auf die Homogenität der Bauteile

Vergleicht man die ermittelten Werte miteinander, um die Homogenität der Festigkeit zu bestimmen, kommt man für Voxelfill auf eine Homogenität von 81 Prozent – verglichen mit den ±45°-gedruckten Referenzproben und von 56 Prozent mit den ausgerichteten Referenzproben. Die konventionell gedruckten Zugstäbe hingegen erreichen nur eine Homogenität von 25 Prozent, verglichen mit den ± 45°-gedruckten Referenzproben und von 18 Prozent mit den ausgerichteten Referenzproben. Der festigkeitssteigernde Effekt von Voxelfill, der zu homogeneren Bauteileigenschaften vergleichbar zum Spritzgießen führt, konnte also auch mit fasergefüllten Kunststoffen belegt werden (siehe hierzu Vergleichsdiagramm mit den unterschiedlichen Festigkeitswerten). Ein Blick auf die Faserverteilung unter dem Konfokalmikroskop zeigt ebenfalls in Z-Richtung ausgerichtete Fasern, die sich durch den vertikalen Einspritzvorgang beim Voxelfill-Verfahren anordnen. Dieser Effekt der Ausrichtung der Fasern ist einmalig und lässt sich im konventionellen, schichtweisen 3D-Extrusionsdruck nicht herbeiführen, wie Lieberwirth betont.

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Verbesserte Reproduzierbarkeit beim Ultem-Drucken

Die Exam-510-Anlage von AIM3D ist prädestiniert für den Einsatz in der industriellen Produktion. Sie arbeitet mit einer maximalen Baurate von aktuell 150 Kubikzentimetern pro Stunde. Perspektivisch peilt man nach Herstelleraussagen Bauraten vom Doppelten bis Vierfachen an. Damit will man Verarbeitungsmengen von 1.000 bis 4.000 Kilogramm pro Jahr erreichen. Alle Angaben beziehen sich auf Bauteile mit einer Qualität von maximal 150 Mikrometern Schichtstärke sowie dem Einsatz einer 0,4-Millimeter-Düse des 3D-Druckers. So sind sie vergleichbar mit 3D-gedruckten Bauteilen des Verfahrens Fused Deposition Modeling (FDM). Entscheidend für den Aufbau eines 3D-Bauteils ist vor allem die Reproduzierbarkeit, also die Wiederholgenauigkeit des Herstellungpsrozesses. Für einen Anwender ist das ein zentraler Punkt für gleichbleibende Qualität des Bauteils, was besonders in der Serienfertigung von kleinen und mittleren Losen essentiell ist. Bauteile aus der Spritzgießmaschine und 3D-Bauteile weisen aber vergleichbare Homogenitäten des Materials auf, weil Ultem 9085 als Granulat eingesetzt wird. Die letzten Zugversuche nach DIN EN ISO 527-2 Typ 1A belegen aufgrund geringer Standardabweichungen eine hohe Prozessstabilität. Diese wird vor allem durch die patentierte Anwendung des Granulatextruders erreicht, was eine materialschonende Verarbeitung des Polymers garantiert.

Die 3D-Pellet-Drucker Exam 255 und Exam 510 von AIM3D ermöglichen den Einsatz von Standard-Granulaten mit oder ohne Füllstoffe, um belastbare 3D-Bauteile zu fertigen. Und der Kuststoff PEI etwa ist nach UL 94-VO schwer entflammbar. Er eignet sich also für hohe Einsatztemperaturen (180 °C dauerhaft (217 °C bis zum Glasübergang). Mit dem Sabic Ultem 9085 erschließt der 3D-Pellet-Druck nun Bauteileigenschaften, die an das klassische Spritzgießerfahren heranreichen. Dabei wird eine 100 Prozent höhere Bruchdehnung im Vergleich zu per FDM-Druckern hergestellten Teilen erreicht. Das macht PEI für die Sektoren Automotive, Aerospace, Schienenfahrzeuge und Wehrtechnik attraktiv.

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