AIM3D发表报告表明Voxelfill可解决3D打印强度不均匀问题

2024年9月28日，南极熊获悉，德国多材料3D打印公司AIM3D宣称近期成功展示了其专利技术Voxelfill的优势。这种先进的3D打印技术通过创建体素晶格结构，能够有效提高热塑性材料填充部件的强度和弹性。

△基于打印支架的Voxelfill与传统3D打印比较

AIM3D在强度测试中发现，Voxelfill工艺能够显著克服3D打印部件在X、Y和Z轴上的不均匀强度问题，接近传统注塑工艺的强度水平。此外，Voxelfill的专利技术（EP 4100235-B1）也允许其它3D打印工艺的用户进行材料挤出，从而扩展其应用范围。

在传统的3D打印过程中，由于基于层的构建方式，组件通常表现出不均匀的强度特性，主要体现在拉伸强度和弯曲强度不足，以及沿Z轴的脆性行为。与此相对，一些先进工艺在X和Y轴上已实现了接近注塑的强度。AIM3D早前已通过加工基于PA6 GF30和纯热塑性塑料（如Ultem 9085）的纤维填充组件，成功验证了Voxelfill的强度优势。

△未填充塑料样品的拉伸强度比较。俯卧、直立（使用Voxelfill）和直立（传统）

技术研发背景

目前，材料挤出3D打印的抗拉强度在打印方向上约为50%，具体取决于所使用的材料。这导致打印层容易撕裂，使得组件通常仅适用于原型制作。通过引入Voxelfill，AIM3D实现了与模具结合注塑工艺相比，抗拉强度高达80%，从而使得使用认证颗粒材料制造的3D打印部件具备更广泛的技术应用潜力，目标是实现100%的抗拉强度。

△拉伸试样沿XZ平面取向，并测量应力（MPa）和应变（%）

此外，在XY平面上，Voxelfill的机械强度比传统的注塑成型高出80%。这一数据适用于未填充的技术聚合物。与使用熔融沉积成型 (FDM) 打印机的传统3D打印相比，Voxelfill的强度可提高一倍。对于纤维填充聚合物，与传统FDM打印技术相比，预计强度提升甚至会更显著。

为了评估这一技术的性能，基于Voxelfill的测试系列采用拉伸试样来确定XY和Z方向的强度。变体A为水平试样，用于测试XY平面的拉伸强度；变体B为直立试样，用于测试XZ平面的拉伸强度；变体C为基于铣削的块状样品，同样用于测试XZ平面的拉伸强度。在AIM3D的可行性研究中，变体A和C的应力（MPa）及应变（%）使用的是Polymaker的Polycore PETG-1000材料进行了测量。

△具有直立拉伸试样的体素填充参考，该试样是从XZ平面上的块中铣削而成的，并测量了应力（MPa）和应变（％）

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。与传统逐层生产方式的样品相比，各向异性明显成为3D打印组件的弱点。在XY方向打印的样品（变体A）表现出典型于未填充塑料的延展性应力-应变曲线。其拉伸强度在52.83MPa时，甚至略高于注塑成型材料数据表中列出的值（50±1.1MPa）。

相比之下，以传统方式打印的样品（变体B和C）在XZ方向的比较揭示了拉伸强度及其标准偏差的显著差异。AIM3D指出，这种差异源于直立拉伸试样的几何形状不利于材料的3D打印挤出。较大的标准偏差表明，随机效应（例如试样振动）在结果中起到了主要作用。然而，拉伸试验本身是一种不需要考虑几何效应和缺口效应的实验。

为进一步分析沿XZ构造方向的强度，AIM3D重点研究了从垂直打印块中铣削而出的样品。通过将传统打印样品与Voxelfill样品进行比较，可以发现使用Voxelfill可以使拉伸强度提高一倍（从传统打印样品的20 MPa提升至Voxelfill样品的40 MPa）。相比之下，水平打印样品的强度为53MPa。

总结而言，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%。

△使用纤维填充塑料的拉伸强度比较：俯卧90°、俯卧±45°、直立（使用Voxelfill）和直立（传统）

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，并将它与传统3D 打印及Voxelfill技术进行比较，以实现最大强度。

测试使用了Polymaker的PETG GF30，挤出温度设定为270°C。作为参考，制作了水平XY方向的拉伸样品，这些样品以两种不同的填充方向打印：一种沿着拉伸方向，另一种与拉伸方向成 ±45° 角。

△使用纤维填充塑料的拉伸强度比较：俯卧 90°、俯卧 ±45°、直立（使用 Voxelfill）和直立（传统）

根据AIM3D的报告，当填充物沿拉伸方向取向时，拉伸强度最高，达到了72.4MPa。然而，AIM3D指出，这一结果在实际应用中可能是虚构的，因为在真正的注塑部件中，纤维分布受到部件几何形状及注射点数量和方向的影响。相比之下，填充方向为±45°的水平拉伸样品达到了50.1 MPa。随后，采用常规方法打印的直立拉伸样品（即不使用Voxelfill，类似于普通3D打印机的状态）其拉伸强度仅为12.8MPa。而使用Voxelfill打印的直立测试样品的拉伸强度则更高，达到了40.7MPa。

通过对测定的拉伸强度值进行比较，可以发现Voxelfill的强度均匀性相比于±45°打印的参考样本为81%，而与对齐的参考样本相比则为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，仅实现了25%的均匀性，与对齐的参考样本相比，仅实现了18%的均匀性。

△在XZ平面上使用Voxelfill打印的样本的共聚焦显微镜检查

这表明，Voxelfill能够提高强度并使组件性能更均匀，其效果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，通过共聚焦显微镜观察纤维分布，发现纤维沿Z方向排列，这是由于Voxelfill的垂直注塑工艺所引入的。

AIM3D指出，要实现3D打印组件的广泛适用性，仍需解决强度特性不均匀的问题。Voxelfill工艺的推出，将为行业提供更强大、更可靠的解决方案，推动3D打印技术的进一步发展。