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Verbundwerkstoffe im 3D-Druck: ein umfangreicher Leitfaden

Auf 4. Februar 2020 von Sandra S. veröffentlicht
Überblick zu 3D-Druck mit Verbundsstoffen

Sie haben vielleicht bemerkt, dass immer mehr Unternehmen Verbundwerkstoffe im 3D-Druck zur Herstellung von Teilen verwenden. Auch wenn dieser Begriff immer häufiger verwendet wird, fragen Sie sich vielleicht immer noch, was genau Verbundwerkstoffe sind und warum sie in der additiven Fertigung verwendet werden. Interessanterweise hat IDTechEx eine Studie über den Markt von Verbundwerkstoffen veröffentlicht, aus der hervorgeht, dass dieser in den nächsten zehn Jahren voraussichtlich 1,73 Milliarden Dollar wert sein wird – ein beeindruckendes Wachstum, um es vorsichtig auszudrücken!

Im Allgemeinen könnte sogar Beton als Verbundwerkstoff betrachtet werden, da es sich um ein Material handelt, das aus mehreren verschiedenen Materialien besteht. Der Begriff wird jedoch am häufigsten aus technischer Sicht verwendet, d.h. es handelt sich um ein mit Fasern verstärktes Material. Obwohl Fasern sehr vorteilhaft sind, wenn sie mit einem anderen Material kombiniert werden, werden sie fast nie allein zur Herstellung eines Teils verwendet. Stattdessen werden sie einem Matrixmaterial in Form von kurzen Fasern oder in Form einer kontinuierlichen Faserverstärkung hinzugefügt. Eine der beliebtesten Fasern in der 3D-Druckindustrie ist die Kohlefaser, da sie eines der höchsten Festigkeits-/Gewichtsverhältnisse aufweist.

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Ein 3D-Druckteil mit Kohlefaserverstärkung, welche zu einem höheren Gewichtsverhältnis und geringerem Materialverbrauch führt.

Warum ein Material mit Fasern verstärken?

Verbundwerkstoffe sind äußerst vorteilhaft, wenn es darum geht, leichte und dennoch feste Teile herzustellen. Die Fasern verleihen einem Teil mehr Festigkeit, ohne dass das Gewicht zunimmt. Wie bereits erwähnt, gibt es zwei Arten von Verstärkungen, Kurzfaser oder Endlosfaser. Im ersten Fall werden zerkleinerte Fasern, die aus Segmenten von weniger als einem Millimeter Länge bestehen, in herkömmliche Thermoplaste gemischt, um die Steifigkeit und in geringerem Maße die Festigkeit von Bauteilen zu erhöhen. Zerkleinerte Fasern können mit Thermoplasten wie Nylon, ABS oder PLA gemischt werden. Jeder Hersteller fügt seinem Kunststoffpolymer eine andere Menge an kurzen Fasern hinzu und mischt sie mit diesem, was zu Filamentspulen unterschiedlicher Stärke führt. Sie sollten sich auch bewusst sein, dass die Druckqualität durch die Menge der zerkleinerten Fasern beeinflusst wird. Ab einem bestimmten Schwellenwert verliert der 3D-Druckteil an Oberflächengüte.

Die höchste Leistung kommt von der Endlosfaserverstärkung. Das Verfahren zur Herstellung von Endlosfaser-Verbundteilen ist nicht so einfach wie bei Kurzfaser-Verbundteilen, da die Fasern kontinuierlich in den Thermoplasten integriert werden müssen, während diese extrudiert werden. Die Fasern können auch nach Konstruktionstechniken aufgebracht werden, die das Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht und den Materialverbrauch eines Bauteils optimieren, auch bekannt als DfAM (Design for Additive Manufacturing)-Techniken. Die Hersteller behaupten, dass man dank der kontinuierlichen Faserverstärkung Teile herstellen kann, die so stark wie Metall sind.

Hinsichtlich der auf dem Markt verfügbaren Fasern ist die Kohlefaser zweifellos die beliebteste. Glasfaser, eine übliche Art von faserverstärktem Kunststoff, bei dem Glasfaser und Kevlar, eine hitzebeständige und starke synthetische Faser, verwendet werden, sind in der Industrie ebenfalls weit verbreitet. Glasfaser ist ein kostengünstiges Material, um Kunststoffen Festigkeit zu verleihen, und Kevlar hat eine hohe Stoßfestigkeit, da es sich biegt, statt zu brechen.

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Die Software von Anisoprint kann verschiedene Arten von endlosfaserverstärkten Füllungen erzeugen

Welche Technologien gibt es auf dem Markt?

Die Möglichkeit, mit Verstärkungsmaterialien zu drucken, war ein Ziel einer Reihe von Start-ups im 3D-Druckbereich. In den letzten Jahren haben wir festgestellt, dass immer mehr Maschinen und Technologien auf den Markt gebracht werden, um neue Anwendungen zu ermöglichen, insbesondere in Industriebereichen wie der Luft- und Raumfahrt und der Automobilindustrie.

Im Wesentlichen variiert die Technologie je nach Art des Verbundmaterials, über das wir sprechen. Kurzfaserverbundwerkstoffe können im normalen FDM-Verfahren extrudiert werden, da das Filament die Faser bereits enthält. Andererseits ist der 3D-Druck von Endlosfasern ein kniffligerer Prozess, bei dem zwei Düsen zum gleichzeitigen Drucken benötigt werden. Normalerweise extrudiert eine Düse den Thermoplast und die andere die Faser. Verschiedene Hersteller vermarkten ihre Technologie unter verschiedenen Namen, aber die Idee ist mehr oder weniger die gleiche.

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Links sehen Sie kurze Fasern, die aus Segmenten von weniger als einem Millimeter Länge bestehen. Rechts wurde der Faden durch diese kurzen Fasern verstärkt.

Markforged nennt es zum Beispiel Continuous Filament Fabrication (CFF), während Anisoprint es Composite Fiber Coextrusion (CFC) nennt. In jüngerer Zeit hat sich auch Desktop Metal dem Rennen um die Nachfrage nach dieser Technologie angeschlossen und ein neues System namens Fiber auf den Markt gebracht. Fiber verwendet die automatische Faserplatzierung (μAFP), die ebenfalls auf zwei Druckköpfen beruht, um das extrudierte Thermoplast kontinuierlich zu verstärken. Eine interessante Technologie ist das AREVO-eigene Verfahren, das auf der Technologie der gerichteten Energieabgabe basiert, bei der ein Laser verwendet wird, um das Filament und die Kohlefaser gleichzeitig zu erhitzen, während eine Walze die beiden zusammendrückt.

Impossible Objects und EnvisionTEC haben auch Systeme für den 3D-Druck von Endlosfasern in ihr Maschinenprogramm aufgenommen, die Technologie unterscheidet sich jedoch ein wenig. Sie weben Kohlefaserbahnen mittels eines Laminierungsverfahrens zu einem Druck ein. Nicht zuletzt verwendet Continuous Composites eine Hybridtechnologie, bei der der Faserstrang mit Harz getränkt und dann mit UV-Licht gehärtet wird, ähnlich wie beim SLA-3D-Druck.

Desktop Metal brachte Fiber, einen 3D-Faser-Endlosdrucker, auf den Markt, um die wachsende Nachfrage nach dieser Technologie zu befriedigen. Bildnachweis: Desktop Metal

Wer sind die Marktteilnehmer und was sind die Anwendungen?

Auf diesem Markt entstehen schnell neue Akteure, zum Beispiel hat das junge Unternehmen 9T Labs aus der Schweiz ein Zusatzsystem für gewöhnliche 3D-Drucker entwickelt, um den 3D-Druck mit Endlosfasern zu ermöglichen. Sie nennen dieses 3D-Druckverfahren Additive Fusion Technology (AFT); die Verstärkung wird aus einem kohlenstoffgefüllten Material hergestellt, nicht gerade reine Kohlenstofffasern. Natürlich werden Sie von den Hauptakteuren in diesem Sektor gehört haben, darunter CEAD, Markforged, Anisoprint oder Roboze. EnvisionTec, Impossible Objects und Desktop Metal haben auch Systeme, die den 3D-Druck von Endlosfasern ermöglichen, in ihre Maschinenpalette aufgenommen. Bei den Kurzfaserverbundwerkstoffen gehören zu den Herstellern von Filamenten Roboze, 3DXTech, ColorFabb usw.

Der Fahrradrahmen von AREVO wurde mit Hilfe des 3D-Drucks von Endlosfasern erstellt | Bildnachweis: AREVO

Wie bereits erwähnt, sind kohlenstofffasergefüllte Materialien die am weitesten verbreiteten Verbundwerkstoffe in der 3D-Druckindustrie, insbesondere für anspruchsvolle Anwendungen wie Funktionsprototypen, Automobilteile, leichte Komponenten usw. Sie werden auch zu technischen Materialien hinzugefügt, z.B. untersuchten Forscher in China im letzten Jahr die Vorteile der Zugabe von Kohlefasern zu Hochleistungsthermoplasten wie PEEK.

Der Markt für Verbundwerkstoffe wächst, und neue Materialkombinationen werden neue Anwendungen ermöglichen. Vergessen wir nicht, dass Sandvik im vergangenen Jahr den ersten Diamant-Verbundwerkstoff geschaffen hat. Normalerweise ist es unmöglich, Diamant in der additiven Fertigung zu verwenden, weil er zu hart ist. Durch die Schaffung eines Diamantverbundwerkstoffs können die Eigenschaften des Materials jedoch für viele widerstandsfähige Werkzeuge (Bergbau, Bohren oder Bearbeitung) und auch für medizinische Implantate genutzt werden!

Der von Sandvik geschaffene Diamant-Verbundswerkstoff

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