AIM3Dは、Voxelfillが3Dプリントの強度の不均一の問題を解決できることを示すレポートを公開しました

この投稿は Bingdunxiong によって 2024-9-28 12:34 に最後に編集されました

2024年9月28日、Antarctic Bearは、ドイツのマルチマテリアル3Dプリント企業AIM3Dが、特許技術Voxelfillの利点を最近実証することに成功したと主張していることを知りました。この高度な 3D 印刷技術は、ボクセルラティス構造を作成することで、熱可塑性材料を充填した部品の強度と弾性を効果的に向上させることができます。

△プリントブラケットに基づくVoxelfillと従来の3Dプリントの比較
AIM3D は強度テストで、Voxelfill プロセスが 3D プリント部品の X、Y、Z 軸の強度の不均一性の問題を大幅に克服し、従来の射出成形プロセスの強度レベルに近づくことを発見しました。さらに、Voxelfill の特許技術 (EP 4100235-B1) により、他の 3D 印刷プロセスのユーザーも材料を押し出すことができるようになり、アプリケーションの範囲が広がります。

従来の 3D 印刷プロセスでは、レイヤーベースの構築方法が原因で、コンポーネントの強度特性が不均一になることが多く、主に引張強度と曲げ強度が不十分であることや、Z 軸に沿った脆い挙動として現れます。対照的に、いくつかの高度なプロセスでは、X 軸と Y 軸で射出成形に近い強度を実現しています。 AIM3D はこれまで、PA6 GF30 や Ultem 9085 などの純粋な熱可塑性プラスチックをベースにした繊維充填コンポーネントを処理することで、Voxelfill の強度上の利点を実証してきました。

△未充填プラスチックサンプルの引張強度の比較。伏せ、直立（ボクセルフィル使用）、直立（従来型）
技術研究開発の背景

現在、材料押し出し 3D プリントの引張強度は、使用する材料によって異なりますが、印刷方向で約 50% です。これにより、印刷された層が簡単に破れ、コンポーネントは一般にプロトタイプ作成にのみ適したものになります。 AIM3D は、Voxelfill を導入することで、金型射出成形プロセスと比較して最大 80% 高い引張強度を実現し、認定粒状材料から作られた 3D プリント部品の技術的応用の可能性を広げ、100% の引張強度を達成することを目標としています。

△引張試験片をXZ平面に沿って配向し、応力（MPa）とひずみ（％）を測定した。
さらに、XY 平面では、Voxelfill の機械的強度は従来の射出成形よりも 80% 高くなります。このデータは、充填されていないテクニカルポリマーに適用されます。熱溶解積層法 (FDM) プリンターを使用した従来の 3D 印刷と比較すると、Voxelfill は 2 倍の強度があります。繊維充填ポリマーの場合、従来の FDM 印刷技術と比較して、さらに大幅な強度の向上が期待されます。

この技術の性能を評価するために、Voxelfill ベースのテストシリーズで引張試験片を使用して XY 方向と Z 方向の強度を測定しました。バリアント A は、XY 平面での引張強度をテストするために使用される水平試験片です。バリアント B は、XZ 平面での引張強度をテストするために使用される直立試験片です。バリアント C は、XZ 平面での引張強度をテストするために使用されるフライス加工ベースのブロック試験片です。 AIM3D 実現可能性調査では、Polymaker の Polycore PETG-1000 材料を使用して、バリアント A と C の応力 (MPa) とひずみ (%) を測定しました。

△ 測定された応力 (MPa) とひずみ (%) とともに、XZ 平面のブロックからミリングされた垂直引張試験片によるボクセル充填参照
予備結果: サンプルテストの強度と標準偏差の比較

初期テストの結果は、Voxelfill の可能性を示しています。従来のレイヤーごとの方法で製造されたサンプルと比較すると、異方性は 3D プリントされたコンポーネントの弱点であることが明確にわかります。 XY 方向に印刷されたサンプル (バリアント A) は、充填されていないプラスチックに典型的な延性応力 - ひずみ曲線を示します。引張強度は52.83MPaで、射出成形材料データシートに記載されている値（50±1.1MPa）よりもわずかに高くなっています。

対照的に、従来の方法により印刷されたサンプル（バリアント B と C）を XZ 方向で比較すると、引張強度とその標準偏差に大きな違いがあることがわかります。 AIM3D は、この矛盾は、直立した引張試験片の形状が 3D プリント用の材料の押し出しに適していないという事実から生じていると指摘しました。標準偏差が大きいということは、試料の振動などのランダム効果が結果に大きな役割を果たしていることを示しています。しかし、引張試験自体は、幾何学的効果やノッチ効果を考慮する必要のない実験です。

XZ ビルド方向に沿った強度をさらに分析するために、AIM3D は垂直プリントブロックからミリングされたサンプルに焦点を当てました。従来印刷されたサンプルと Voxelfill サンプルを比較すると、Voxelfill を使用すると引張強度が 2 倍になることがわかります (従来印刷されたサンプルの 20 MPa から Voxelfill サンプルの 40 MPa に)。比較すると、水平方向に印刷されたサンプルの強度は 53MPa でした。

要約すると、従来の方法に印刷されたサンプルの異方性は 70% であったのに対し、Voxelfill サンプルの異方性はわずか 23% でした。

△繊維充填プラスチックを使用した引張強度の比較：伏せ90°、伏せ±45°、直立（Voxelfill使用）、直立（従来）
繊維充填試験シリーズに基づく均質性、強度結果

AIM3D は、繊維充填プラスチックを使用するための最適な印刷パラメータを決定するための一連のテストも実施し、従来の 3D 印刷や Voxelfill 技術と比較して、最大の強度を実現しました。

テストではPolymakerのPETG GF30を使用し、押し出し温度は270℃に設定されました。参照として、水平 XY 方向に伸張したサンプルを製造し、伸張方向に沿った方向と伸張方向に対して ±45° の角度の方向の 2 つの異なる充填方向で印刷しました。

△繊維充填プラスチックを使用した引張強度の比較：伏せ90°、伏せ±45°、直立（Voxelfill使用）、直立（従来）
AIM3D のレポートによると、充填材が引張方向に沿って配向されている場合に引張強度が最も高くなり、72.4MPa に達します。しかし、AIM3D は、実際の射出成形部品では繊維分布が部品の形状や射出点の数と方向によって影響を受けるため、この結果は実際の用途では架空のものである可能性があると指摘しています。比較すると、充填方向が±45°の水平引張サンプルは50.1 MPaに達しました。その後、従来の方法（つまり、Voxelfill を使用せず、通常の 3D プリンターの状態）で印刷した垂直引張サンプルの引張強度はわずか 12.8MPa でした。 Voxelfill で印刷した直立テストサンプルの引張強度はさらに高く、40.7MPa に達しました。

測定された引張強度の値を比較すると、Voxelfill の強度均一性は、±45° で印刷された参照サンプルと比較して 81%、位置合わせされた参照サンプルと比較して 56% であることがわかります。一方、従来の方法により印刷された伸張サンプルは、±45° 印刷された参照サンプルと比較して 25% の均一性しか達成できず、位置合わせされた参照サンプルと比較しても 18% の均一性しか達成できませんでした。

Voxelfill を使用して XZ 平面で印刷されたサンプルの共焦点顕微鏡写真。これは、Voxelfill が強度を高め、コンポーネントの特性をより均一にすることができることを示しています。この効果は、繊維充填プラスチックで実証されている射出成形で達成される効果に匹敵します (さまざまな引張強度値の比較については図を参照)。さらに、共焦点顕微鏡による繊維分布の観察により、繊維が Z 方向に沿って整列していることが明らかになりました。これは、Voxelfill の垂直射出成形プロセスによって導入されたものです。

AIM3D は、3D プリント部品の広範な適用性を実現するには、強度特性の不均一性の問題を依然として解決する必要があると指摘しています。 Voxelfill プロセスの導入により、業界にさらに強力で信頼性の高いソリューションが提供され、3D 印刷技術のさらなる発展が促進されます。

AIM3Dは、Voxelfillが3Dプリントの強度の不均一の問題を解決できることを示すレポートを公開しました

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