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Kohlefaserverstärktes PEEK: Chinesische Studie untersucht Vorteile mit Intamsys

Auf 16. Mai 2019 von Ann-Kathrin L. veröffentlicht
kohlefaserverstärktes peek

Forscher in China erforschen kohlefaserverstärktes PEEK, und seine Leistungsfähigkeit einem Hochleistungsmaterial, unter Verwendung der 3D-Drucktechnologie FDM. Die Autoren teilen ihre Ergebnisse in „Flexural Properties and Fracture Behavior of CF/PEEK in Orthogonal Building Orientation by FDM: Microstructure and Mechanism“ (zu Deutsch: Biegeeigenschaften und Bruchverhalten von CF/PEEK in der orthogonalen Bauausrichtung durch FDM: Mikrostruktur und Mechanismus) und zeigen, wie solche Verbundwerkstoffe verschiedene Branchen beeinflussen und verändern können.

Wie in letzter Zeit immer häufiger diskutiert, haben Polymere wie kohlefaserverstärktes PEEK aufgrund ihrer einzigartigen Festigkeit und hohen Hitzebeständigkeit eine immer größer werdende Nachfrage in Industrien wie der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie, der Öl- und Gasindustrie und dem medizinischen Sektor. In der additiven Fertigung ist die Schichthaftung jedoch ein häufiges Problem und PEEK bildet da keine Ausnahme. Wegen dieses Nachteils, kann die additive Fertigung die Eigenschaften von kohlefaserverstärktem PEEK noch nicht vollständig ausnutzen, vor allem verglichen mit der Nutzung des Materials in traditionellen Herstellungsverfahren wie dem Spritzgießen. Daher versuchen die Forscher, es mit anderen Materialien zu kombinieren, um seine Festigkeit und Leistung zu verbessern.

Kohlenstoff ist ein sehr beliebtes Material im industriellen 3D-Druck, da er die mechanischen Eigenschaften und die Festigkeit von Materialien verbessern kann. Jedoch leidet Kohlenstoff als 3D-Druckmaterial immer noch unter erhöhter Porosität und Schichthaftung. Daher kombinierten die Autoren Qiushi Li, Wei Zhao, Yongxiang Li, Weiwei Yang, and Gong Wang, Carbonfasern mit PEEK druckten und das Endprodukt in einer orthogonalen Bauausrichtung und verglichen das Ergebnis mit der Qualität der im Spritzguss hergestellten Teile.

Die für diese Studie verwendeten Teile wurden mit dem Intamsys Funmat HT gedruckt, einem FDM-Drucker, der mit Hochleistungskunststoffen wie PEEK, PEKK, ULTEM, PPSU etc., sowie mit technischen Materialien wie PC, PA, PA, PA-CF, ABS, TPU und mehr kompatibel ist. Die 3D-Modelle wurden mit der 3D-Software Catia V5 entworfen und über die Slicing-Software Intamsuite importiert. Alle Proben wurden mit den gleichen Druckparametern in horizontaler und vertikaler orthogonaler Ausrichtung gedruckt. Außerdem wurde das Filament auch zu Pellets verarbeitet und anschließend zum Vergleich den Einspritzbedingungen unterzogen. Die Endergebnisse zeigten, dass Verbundwerkstoffe, die sowohl im 3D-Druck als auch im Spritzguss getestet wurden, eine „ähnlich hohe Festigkeit und Zähigkeit“ aufweisen.

kohlefaserverstärktes peek

Biegeeigenschaften von gedruckten und geformten PEEK CF-PEEK-Proben.
(a) CF/PEEK-Biegeproben mit orthogonaler Druckrichtung (horizontal und vertikal), beide gedruckt nach ISO 178:2010 (Größe: 80 × 10 × 4 mm3).
(b) Typische Spannung zu Dehnungskurven von Biegeversuchen. Der Einsatz in der rechten unteren Ecke zeigt den linearen Bereich, der das Modul jeder Biegeprobe bestimmt.
(c) Die Boxplots der Biegefestigkeit und der
d) Biegemodul von Biegeproben, die die Verteilung der Versuchsdaten anzeigen.

Nach Abschluss der Studie über kohlefaserverstärktes PEEK kamen die Autoren zu den folgenden Schlussfolgerungen: „Überraschenderweise zeigten die vertikal gedruckten PEEK- und CF/PEEK-Verbundwerkstoffe einen Wert von 146 MPa, der dem Wert der geformten Proben ähnlich war. Ein so ähnlicher Wert zwischen gedruckten Mustern und geformten Mustern ist beim 3D-Druck selten, aber sehr erwünscht. Die Einarbeitung von CF [Kohlestoffasern] führte zu einem um 8,30% höheren Modul für die CF/PEEK-Formmuster im Vergleich zu denen der PEEK-Proben. Auch bei den vertikal gedruckten Proben wurde eine statistisch signifikante Erhöhung des Moduls beobachtet.

kohlefaserverstärktes peek

Differential Scanning Calorimetry (DSC) Ergebnisse von gedruckten PEEK- und CF/PEEK-Teilen.
(a) Die Position der DSC-Testproben.
(b) Wärmefluss-Kurven von CF/PEEK- und PEEK-Teilen.
(c) Andersartigkeit der Kristallinität von Schale und Kern von gedruckten PEEK-Teilen.
(d) Entsprechende Kristallinitätsergebnisse von gedruckten CF/PEEK-Teilen

Mit dem Zusatz von Kohlefasern wurde eine erhöhte Porosität beobachtet. Die vier Brucharten, die im obigen Bild dargestellt sind, wurden in Biegeversuchen mit hoher Dehnung festgestellt. „Die Gestaltung einer Druckroute entlang der Spannungsorientierung, die mit der Einarbeitung einer verstärkten Phase in die Matrix zusammenarbeitet, bietet eine effektive Methode zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von Verbundwerkstoffen und erweitert die Anwendung des 3D-Drucks in Leichtbaugebieten„, so die Forscher abschließend. „Diese Studie wird den Designern helfen, den Einfluss von Mikrostrukturen auf gedruckte Verbundwerkstoffe während des Druckprozesses zu untersuchen.

kohlefaserverstärktes peek

Die wichtigste Art der Verformung beim Biegen.
(a) Der Verformungsmodus der vertikal gedruckten Proben.
(b) Der Verformungsmodus von horizontal gedruckten Proben

Die Ergebnisse dieser Studie zeigen uns einmal mehr, dass die Zukunft des 3D-Drucks sicherlich eine Reihe von Materialkombinationen umfassen wird. Es gibt zahlreiche Kombinationsmöglichkeiten von verschiedenen Kunststoffen, Metallen und vielem mehr, die vielfältige Anwendungen auf einer Vielzahl von Gebieten bieten. Falls Sie mehr über diese Studie erfahren möchten, klicken Sie HIER.

*Bildnachweis Beitragsbild: Ensinger Plastics

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