Welche Verbundwerkstoffe gibt es auf dem Markt der additiven Fertigung?
In den letzten Jahren ist der 3D-Druck von Verbundwerkstoffen immer beliebter geworden. Als einer der jüngsten Zweige des 3D-Drucks wird die Technologie mittlerweile von vielen Akteuren der additiven Fertigung genutzt, wie z. B. von dem amerikanischen Unternehmen Impossible Objects, das sich auf diesen Bereich spezialisiert hat. Einige Studien schätzen, dass der Markt für den 3D-Druck von Verbundwerkstoffen bis 2030 sogar 1,73 Milliarden Dollar erreichen wird. Wenn wir über den 3D-Druck von Verbundwerkstoffen sprechen, denken wir logischerweise an Composite-Drucker, aber auch an zusammengesetzte Materialien, die das Herzstück dieses Prozesses sind. Verbundwerkstoffe setzen sich aus mindestens zwei Komponenten zusammen und haben besondere Eigenschaften.
Um diese Materialien herzustellen, ist es meist notwendig, Kunststoff mit Fasern zu mischen. Heutzutage gibt es viele verschiedene Arten von Fasern, wobei drei bestimmte Fasern hauptsächlich für den 3D-Druck verwendet werden: Kohlefaser – die wahrscheinlich Beliebteste – Glasfaser und PPD-T, auch bekannt als Kevlar. Je nach Anforderung können entweder kurze oder lange Fasern verwendet werden. Kurze Fasern sind in den gesamten Kunststoff eingebettet und verstärken das gesamte Teil. Diese Art von Material ist mit einer Vielzahl von 3D-Druckern kompatibel. Lange Fasern werden hingegen während des Druckvorgangs selbst platziert und nicht in kleine Stücke geschnitten, sodass die Verstärkung nur dort erfolgt, wo sie benötigt wird. Mittlerweile sind lange Fasern mit einigen Maschinen kompatibel.
Drucken eines Verbundwerkstoffs (Bildnachweis: SABIC)
Kohlefaser-verstärkte Materialien
Wie bereits erwähnt, sind Verbundwerkstoffe aus Kohlenstofffasern am häufigsten auf dem Markt der additiven Fertigung zu finden. Erstmals 1860 von dem Chemiker Joseph Swan hergestellt, besteht die Kohlefaser – wie der Name schon verrät – aus vielen miteinander verbundenen Kohlenstoffatomen. Sie wird von vielen als die effizienteste Faser für die Herstellung von Verbundwerkstoffen angesehen. Materialien aus dieser Faser haben eine hohe Steifigkeit, Zugfestigkeit und chemische Beständigkeit. Darüber hinaus zeichnen sich diese Verbundwerkstoffe durch ihr geringes Gewicht und ihre hohe Temperaturtoleranz aus. Sie sind vor allem für ihr Gewichts-/Festigkeitsverhältnis bekannt, das doppelt so hoch ist wie das von Aluminium.
Kohlefaserverbundwerkstoffe sind in vielen Bereichen zu finden, z. B. in der Luft- und Raumfahrt, im Automobilbau, im Bauwesen und vielen anderen. Kunststoffe wie PLA, PETG, Nylon, ABS oder Polycarbonat werden verwendet, was sie stärker und leichter macht – obwohl Kohlefaser beispielsweise auch mit Keramik gemischt werden kann. Die Schaffung dieser Verbundwerkstoffe hat zur Entwicklung neuer Anwendungen im 3D-Druck-Bereich geführt, wie z. B. dem ersten 3D-gedruckten Elektroroller aus Kohlefaser.
3D-Druckteil aus kohlenstoffverstärktem Nylon (Bildnachweis: Stratasys)
Glasfaser-verstärkte Verbundwerkstoffe
Die 1930 patentierte Glasfaser wird, wie die Kohlefaser auch, zur Verstärkung vieler Polymere eingesetzt. Im Vergleich zu kohlefaserverstärkten Verbundwerkstoffen sind Materialien aus Glasfasern jedoch weniger steif, aber auch weniger spröde. Vor allem aus diesen Gründen sind glasfaserverstärkte Materialien meist günstiger. Trotzdem hat die Glasfaser gute mechanische Eigenschaften. Darüber hinaus gilt sie als guter elektrischer Isolator und verfügt über eine geringe Wärmeleitfähigkeit. Sie ist leichter mit anderen Polymeren zu vergleichen: Zum Beispiel ist sie 11-mal steifer als ABS.
Ob im Bau, in der Schifffahrt oder auch im Sport, dieser Verbundwerkstoff ist mittlerweile weit verbreitet. Zum Beispiel hat Moi Composites in Zusammenarbeit mit Autodesk, Catmarine, Micad und Owens Corning das MAMBO-Boot entwickelt – das erste 3D-gedruckte Boot aus Glasfaser.
Prototyp eines Teils einer aus Glasfasern 3D-gedruckten Brücke (Bildnachweis: CEAM)
Kevlar-verstärkte Materialien
Wie auch die anderen oben genannten Fasern wird Kevlar regelmäßig mit verschiedenen Kunststoffen gemischt, um Verbundwerkstoffe herzustellen. Kevlar ist ein eingetragene Marke der Firma DuPont de Nemours, wurde 1971 erstmals vermarktet und von Stephanie Kwolek erfunden. Kevlar gehört zur Familie der Aramidfasern und ist eines der verschleißfestesten Materialien. Mit seinen guten Zug- und Ermüdungseigenschaften wird Kevlar hauptsächlich zur Herstellung von Teilen verwendet, die starken Vibrationen ausgesetzt sind und Abrieb standhalten müssen. Kevlar ist 5-mal stärker sowie leichter als Stahl und besitzt eine hohe Hitzebeständigkeit: Die Faser hält Temperaturen von bis zu 400°C aus. Kevlar hat außerdem eine geringe Dichte.
In Bezug auf die additive Fertigung wird Kevlar hauptsächlich in der Automobilindustrie eingesetzt, obwohl es wie alle Verbundwerkstoffe für den 3D-Druck beliebiger Objekte verwendet werden kann. Aptera Motors, ein amerikanisches Unternehmen, hat beispielsweise Teile eines Autos mit diesem Verbundwerkstoff in 3D gedruckt. Des Weiteren ist es auch besonders für die Produktion von Testteilen, die starken Stößen standhalten müssen, geeignet.
Ein Kevlar-verstärktes ABS-Filament (Bildnachweis: MARKFORGED)
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