Carbonfaser als Material für den 3D-Druck

Die 1860 von Joseph Swan zum ersten Mal hergestellte Carbonfaser (Kohlenstofffaser) besteht aus einer langen Kette von miteinander verbundenen Kohlenstoffatomen. Die Kette hat normalerweise einen Durchmesser von 5 bis 10 Mikrometern und variiert je nach Anwendung in der Länge. Im Laufe der Jahre ist die Carbonfaser in vielen Sektoren verbreitet geworden, da sie über einige Vorteile verfügt: hohe Schlagfestigkeit, hohe Reißfestigkeit, geringes Gewicht, hohe chemische Resistenz, hohe Temperaturtoleranz und geringe thermische Ausdehnung. Reine Carbonfaser ist im Vergleich zu Stahl fünffach stärker und doppelt so hart, dabei jedoch leichter. Wie Sie sich vorstellen können, eignet sich Kohlenstofffaser aufgrund dieser Eigenschaften besonders für Anwendungen, bei denen eine optimierte Leistung eine große Rolle spielt, wie z. B. in der Luft- und Raumfahrt, Automobilindustrie, im Militär oder Bauwesen.

Wie einige von Ihnen vielleicht bereits wissen, wird die Carbonfaser selten isoliert eingesetzt. Sie wird gewöhnlich mit anderen Materialien kombiniert, um das zu bilden, was wir als Verbundwerkstoffe, oder in diesem speziellen Fall als kohlenstofffaserverstärkte Materialien, bezeichnen. Diese Verbundwerkstoffe bestehen aus einem Grundmaterial, in der Regel einem Polymer – auch wenn es möglich ist, nicht-polymere Materialien wie Keramik zu verwenden – dem Carbonfaser hinzugefügt wird. Der Hauptvorteil besteht darin, dass Sie am Ende einen stärkeren und dennoch leichteren Kunststoff mit einer erhöhten Schlagfestigkeit erhalten.

Dieser Fahrradrahmen wurde aus Carbonfaser hergesellt (Bildnachweis: Arevo).

Ursprünglich wurden Kohlefaserverbundwerkstoffe für den Strukturbau verwendet, bei welchem zusätzliches Gewicht zu erhöhten Lebenszykluskosten oder ungenügenden Leistungen führt. Kohlefaserverbundwerkstoffe können zur Herstellung vieler Produkte wie Fahrradrahmen, Flugzeugtragflächen, Schraubenblättern, Autokomponenten usw. verwendet werden. Wie Sie sich vorstellen können, sind es angesichts der vielen Vorteile nicht mehr nur die traditionellen Fertigungssysteme, die Kohlenstofffaser verwenden. In den letzten Jahren konnte eine wachsende Zahl von 3D-Druckunternehmen, die kohlenstofffaserverstärkte Materialien oder Technologien anbieten, verzeichnet werden. Entsprechend stellt sich die Frage: Wie wird Carbonfaser in der additiven Fertigung eingesetzt?

3D-Druckanwendungen

IDTechEx zeigt in seinen Bericht zum Thema 3D Printing Composites 2020 – 2030 auf, dass der globale Markt für 3D-Verbundwerkstoffe bis zum Jahr 2030 einen Wert von 1,7 Milliarden US-Dollar erreichen wird. Diese Zahl schließt andere Verbundwerkstoffe ein, wie beispielsweise Materialien, die mit Glas- oder Kunststofffasern verstärkt wurden. Nichtsdestotrotz zeigt der Trend deutlich, dass die 3D-Druckindustrie zunehmend alle Verbundwerkstoffe, einschließlich Carbonfaser, in ihren Fertigungsaktivitäten einsetzt. Beim 3D-Druck gibt es im Wesentlichen zwei Arten der Verwendung von Carbonfaser, zum einen kohlenstofffaserverstärkte Filamente und zum anderen eine kontinuierliche Kohlenstofffaserverstärkung.

Carbonfaser als Filament

Das Filament besteht aus kleinen Kohlenstofffasern, die aus Segmenten von weniger als einem Millimeter Länge bestehen, die mit einem Thermoplast, dem Basismaterial, vermischt sind. Es gibt eine Reihe beliebter Filamente, die mit Kohlefaserfüllung erhältlich sind, darunter PLA, PETG, Nylon, ABS und Polycarbonat. Da diese Fasern extrem stark sind, bewirken sie, dass das Filament an Festigkeit und Steifigkeit zunimmt und gleichzeitig das Gesamtgewicht verringert wird. Die Anforderungen an den 3D-Druck von Kohlefaserfilamenten sollten denen des Basismaterials entsprechen, das dem Carbonfaser hinzugefügt wurde. Der Hauptunterschied besteht darin, dass die Fasern die Extruder des 3D-Druckers verstopfen können, weshalb Experten die Verwendung einer Düse aus gehärtetem Stahl empfehlen. Außerdem verliert das 3D-gedruckte Teil ab einer bestimmten Anzahl von Fasern an Oberflächengüte.

Carbonfasern werden dem Filament beigefügt, um es strapazierfähiger zu machen (Bildnachweis: Markforged).

Einige Unternehmen haben Kohlefaserfilamente für technisch anspruchsvollere Anwendungen entwickelt. Diese Filamente verwenden als Basismaterial Hochleistungspolymere (HPPs) wie PEEK oder PEKK. Daher bieten sie nicht nur die Vorteile von HPPs – wie Haltbarkeit und starke mechanische und chemische Leistung – sondern auch ein verbessertes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht. Die Druckparameter müssen angepasst werden, da HPPs auf Extruder angewiesen sind, die eine Temperatur von bis zu 400°C erreichen können, sowie auf Systeme, die über beheizte Kammern verfügen und Platten aufbauen. Einige der Hersteller von Kohlefaserfilamenten sind Roboze, 3DXTech, ColorFabb, Markforged, Kimya, Intamsys und Zortrax.

Kontinuierliche Kohlenstofffaserverstärkung

Kohlefaserfilament ist definitiv robuster als ein Filament, das nicht verstärkt wurde. Um jedoch ein noch stärkeres Teil zu erhalten, kann eine andere Technik verwendet werden, die als kontinuierliche Kohlefaserverstärkung bezeichnet wird. Da die Carbonfaser nicht in kleinere Stücke zerlegt wird, behält sie viel mehr ihrer ursprünglichen Festigkeit. Tatsächlich ist der 3D-Druck mit kontinuierlicher Carbonfaser stark genug, um Aluminium bei halbem Gewicht zu ersetzen. Hersteller von 3D-Druckern behaupten, dass sie den 3D-Druck aus Metall bei einigen Anwendungen ersetzen kann. Der Hauptvorteil besteht darin, dass sie kostengünstiger als Metall ist. Schließlich ist es durch die Verwendung von Carbonfasern nach DfAM-Techniken möglich, einem Teil noch mehr Festigkeit zu verleihen und gleichzeitig den Materialverbrauch zu reduzieren.

Bei der Verwendung von DFAM-Druck ist es möglich, Teile durch Carbonfaser zu verstärlen (Bildnachweis:  Anisoprint).

Es gibt einige wenige Akteure auf dem Markt, die Technologien anbieten, mit denen Kohlenstofffasern auf kontinuierliche Weise gedruckt werden können. Die Akteure können in zwei Haupttypen unterteilt werden – je nachdem, wann die Kohlenstofffaser hinzugefügt wird (sie kann vor dem 3D-Druckprozess oder während des Drucks hinzugefügt werden). Wenn sie vorher hinzugefügt wird, wird der 3D-Druck von Endlosfasern als Prepreg-basiert bezeichnet. Wenn sie jedoch bei der Extrusion hinzugefügt wird, wird sie als Co-Extrusion bezeichnet. Bei der Prepreg-Technik erhält man ebenfalls ein Verbundfilament oder Verbundband, aber die Kohlenstofffasern wurden nicht zerschnitten, sondern dank eines Pultrusionsverfahrens mit dem Polymer imprägniert.

Zu den Akteuren, die den 3D-Druck von Endlosfasern auf dem Markt anbieten, gehören Markforged, Anisoprint, CEAD und mehr. Auch Desktop Metal ist mit der Einführung eines neuen Systems namens Fiber eingestiegen. Fiber verwendet die mikroautomatisierte Faserplatzierung (μAFP).  Darüber hinaus hat 9T Labs die Additive Fusion Technology (AFT) entwickelt, um Kohlenstoffverbundwerkstoffe in Massenproduktion zu niedrigeren Kosten herzustellen.

Carbonfaser und 3D-Druck: Weitere Verfahren

Eine interessante Technologie, die sich von dem bekannteren Extrusionsverfahren unterscheidet, ist AREVO’s proprietäres Verfahren, das auf der Directed Energy Deposition-Technologie basiert, bei der ein Laser verwendet wird, um das Filament und die Carbonfaser gleichzeitig zu erhitzen, während eine Walze die beiden zusammenpresst. Impossible Objects und EnvisionTEC haben auch Systeme für den 3D-Druck von Carbonfaser in ihre Maschinenpalette aufgenommen. Deren Technologie unterscheidet sich jedoch ein bisschen. Sie weben in einem Laminierungsverfahren Kohlefaserblätter 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.

Dieses Plastikteil wurde durch den Einsatz von Carbonfaser strapazierfähiger gemacht (Bildnachweis: Markforged).

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