{"id":30364,"date":"2021-07-01T00:01:49","date_gmt":"2021-06-30T22:01:49","guid":{"rendered":"https:\/\/www.3dnatives.com\/de\/?p=30364"},"modified":"2021-07-01T16:48:48","modified_gmt":"2021-07-01T14:48:48","slug":"experten-interview-verbundwerkstoffe-3d-druck-010720211","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.3dnatives.com\/de\/experten-interview-verbundwerkstoffe-3d-druck-010720211\/","title":{"rendered":"Experteninterview: Verbundwerkstoffe im FDM\/CFF-3D-Druck"},"content":{"rendered":"

Die additive Fertigung<\/a> erm\u00f6glicht eine zeitnahe Herstellung von individuellen Bauteilen und z\u00e4hlt zu einer der Schl\u00fcsselfaktoren in der Optimierung und Automatisierung von Produktionsprozessen. Mittlerweile finden sich deshalb eine Vielzahl an 3D-Druckverfahren und Materialien auf dem Markt, welche sich f\u00fcr unterschiedliche Anwendungszwecke eignen. F\u00fcr Branchen wie die Luft- und Raumfahrt, die Automobil<\/a>– sowie \u00d6l- und Gasindustrie ist die Fertigung von leichten und dennoch robusten Bauteilen von besonders gro\u00dfem Interesse. Dort kommen deshalb h\u00e4ufig faserverst\u00e4rkte Kunststoffe zum Einsatz, welche sich auf Grund ihrer Materialeigenschaften f\u00fcr den Leichtbau etabliert haben. Vor allem mit der Verwendung von endlosfaserverst\u00e4rkten Kunststoffen kann eine Festigkeit erzielt werden, welche der von Metallen, wie beispielsweise Aluminium gleicht. Gleichzeitig k\u00f6nnen diese kosteng\u00fcnstiger produziert werden und punkten dar\u00fcber hinaus in puncto Leichtigkeit. Aber welche Verbundwerkstoffe<\/a> gibt es auf dem Markt? Welche Vorteile ergeben sich im FDM<\/a>– und CFF-3D-Druck im Vergleich zur traditionellen Herstellung von Verbundbauteilen? Unsere Experten haben die Antworten und erkl\u00e4ren, was es bei der additiven Fertigung mit verbundenen Materialien zu beachten gilt und wof\u00fcr diese eingesetzt werden k\u00f6nnen.<\/span><\/p>\n

Unser erster Experte ist Joachim Kasemann, Gesch\u00e4ftsf\u00fchrer und Mitgr\u00fcnder von Mark3D – dem gr\u00f6\u00dften selbst\u00e4ndigen Markforged-Partner weltweit. Mark3D<\/a> versteht sich als Probleml\u00f6ser und Berater in der additiven Konstruktion und Fertigung f\u00fcr festigkeitskritische Anwendungen und faserverst\u00e4rkte 3D-gedruckte Bauteile mit hoher Festigkeit. Stefan Obermayer, unser zweiter Experte, ist bei Siemens Energy<\/a> im Bereich Service zfP (zerst\u00f6rungsfreie Pr\u00fcfung) f\u00fcr die Herstellung neuer Pr\u00fcftechniken und Ger\u00e4te zust\u00e4ndig. Hier fokussiert man sich verst\u00e4rkt auf die Integration von \u201csmart inspections\u201d, d. h. es wird nach M\u00f6glichkeiten gesucht, wie ma\u00dfgeschneiderte Roboterl\u00f6sungen eine Befundung von kritischen Komponenten an Dampfturbinen, Gasturbinen und Generatoren vornehmen k\u00f6nnen. F\u00fcr den Bau der Pr\u00fcfger\u00e4te nutzt Siemens Energy 3D-gedruckte Teile aus Kunststoff sowie klassischen Verbundwerkstoffen und integriert mit diversen Markforged Ger\u00e4ten neuerdings auch den 3D-Druck mit Endlosfaser. Mit Farbod Nezami, einer der Gesch\u00e4ftsf\u00fchrer von CIKONI<\/a>, schlie\u00dft sich der Expertenkreis. CIKONI ist ein spezialisierter Engineering Dienstleister f\u00fcr die Leichtbauentwicklung, der sich auf die Hybridisierung von additiver Fertigung und Lastpfadverst\u00e4rkungen \u00fcber Faserverst\u00e4rkungen konzentriert.\u00a0<\/span><\/p>\n

\"\"Was sind Verbundwerkstoffe? Welche Vorteile bieten diese im 3D-Druck?\u00a0<\/b><\/h3>\n

Bei Verbundwerkstoffen bzw. Kompositmaterialien wird typischerweise ein Kernpolymermaterial mit einem oder mehreren zus\u00e4tzlichen Materialien verst\u00e4rkt, welche sich in den stofflichen Eigenschaften vom Basismaterial unterscheiden. Dadurch wird ein Material-Gemisch erzielt, das typischerweise fester und steifer ist. Zu den beliebtesten Kompositmaterialien z\u00e4hlen unter anderem Kohle- und Glasfaser. Teile aus Kohlefaser bzw. CFK (carbonfaserverst\u00e4rkter Kunststoff) verf\u00fcgen \u00fcber eine hohe Stabilit\u00e4t und sind dennoch leicht. Eigenschaften, welche CFK zu einem beliebten Werkstoff f\u00fcr verschiedenste Anwendungsgebiete macht. Dazu z\u00e4hlen beispielsweise die Luft- und Raumfahrt sowie die Automobil- und Sportartikelindustrie. Glasfaserverst\u00e4rkte Kunststoffe (GFK) sind zwar nicht ganz so robust wie CFK, eignen sich aber auf Grund der chemischen Best\u00e4ndigkeit und der dielektrischen Eigenschaft ideal zur Applikation in der Elektroindustrie.\u00a0<\/span><\/span><\/p>

\"\"<\/a><\/div>\n

Um zu verstehen, welche Art von Verbundwerkstoff sich f\u00fcr den jeweiligen Anwendungsfall eignet, ist es neben der Art der Faser\u00a0 <\/span>auch wichtig den Unterschied zwischen Kurz- und Endlosfaser zu kennen. Joachim Kasemann erkl\u00e4rt dies folgenderma\u00dfen: „Kurzfasern haben gew\u00f6hnlich eine L\u00e4nge von unter 100\u00b5 und sind nicht strukturiert in einem Werkstoff angeordnet. Wobei die Kurzfasern dem Werkstoff eine h\u00f6here Stabilit\u00e4t geben. Endlosfasern sind Faser mit einem Anfangs- und Endpunkt pro Schicht. Sie legen mit der entsprechenden Technologie eine einzige Faser in die entsprechende Schicht in einem Bauteil ein.<\/i>\u201d Im Vergleich zu Kurzfaser-verst\u00e4rkten Werkstoffen, welche herk\u00f6mmlichen Thermoplasten beigemischt werden k\u00f6nnen, sind Endlosfaser-Verbundwerkstoffe zwar in der Herstellung aufwendiger, erzielen jedoch eine wesentlich h\u00f6here Stabilit\u00e4t.\u00a0<\/span><\/p>\n

\"\"

Das Diagramm zeigt die St\u00e4rke, Robustheit, Steifigkeit und Umweltbest\u00e4ndigkeit der Kunststoffe im Vergleich mit Aluminium. (Bild: Mark3D)<\/p><\/div>\n

Verbundbauteile mit Endlosfaser werden mit Hilfe verschiedenster Methoden hergestellt, wobei in traditionellen Verfahren die Werkstoffe h\u00e4ufig manuell Schicht f\u00fcr Schicht aufgelegt werden m\u00fcssen und den Einsatz teurer Formen und Aush\u00e4rtungsger\u00e4te erfordern. Der 3D-Druck bietet daher den Vorteil, dass dieser Prozess mit dem Einsatz von zwei D\u00fcsen automatisiert werden kann. So nutzt beispielsweise der Mark Two das CFF-Verfahren (Continuous Filament Fabrication), in welchem die erste D\u00fcse eine Kunststoffmatrix bildet und die zweite D\u00fcse die Verbundfaser durchgehend auflegt. Siemens Energy nutzt dieses Verfahren zur schnellen und unkomplizierten Fertigung von hochwertigen Teilen und profitiert von der Stabilit\u00e4t der Verbundbauteile f\u00fcr die Applikation in Robotern, welche auf engstem Raum operieren m\u00fcssen. „Der Einsatz von Endlosfasern f\u00fcr ausgew\u00e4hlte Komponenten bringt uns einen wesentlichen Zeit-, Festigkeits- und Qualit\u00e4tsgewinn<\/i>\u201d, sagt Stefan Obermayer.\u00a0<\/span><\/span><\/p>\n

Was gilt es im Druckprozess mit Verbundwerkstoffen zu beachten?<\/strong><\/h3>\n

Wie bereits erw\u00e4hnt, ist die Art (Kurzfaser oder Endlosfaser) ausschlaggebend f\u00fcr die Anwendung im 3D-Druck. Beispielsweise gibt es heutzutage eine relativ gro\u00dfe Auswahl an Kurzfaser-Materialien auf dem Markt. Dabei wird eine herstellerspezifische Menge an zerkleinerten Fasern dem Thermoplast (z. B. Nylon PA6, ABS<\/span><\/a> oder PLA<\/span><\/a>) beigemischt, welche sich ultimativ auf die Oberfl\u00e4cheng\u00fcte des gedruckten Bauteils auswirken. Diese Verbundwerkstoffe k\u00f6nnen als Filament-Spule erworben werden und eignen sich f\u00fcr herk\u00f6mmliche FDM-3D-Drucker. „Wenn Sie jedoch den Mehrwert der Endlosfaser nutzen m\u00f6chten, dann brauchen Sie Maschinen mit der entsprechenden CFF-Technologie. Das sind zum Beispiel der Markforged Mark Two und X7″<\/i>, erkl\u00e4rt Kasemann von Mark3D.<\/span><\/p>\n

\"\"

Besonders beliebt sind faserverst\u00e4rkte Kunststoffe unter anderem in der Luft- und Raumfahrt und der Automobilindustrie. Hier Ersatzteile auf Knopfdruck bei der BMF GmbH in Chemnitz. (Bild: Mark3D)<\/p><\/div>\n

Stefan Obermayer von Siemens Energy stellt fest, dass der Lage des Bauteils im Bauraum eine hohe Bedeutung zukommt: „Je nach Orientierung schwankt die Festigkeit des Bauteils stark. Das Teil muss also f\u00fcr die Spannungen entlang der Fasern optimierbar sein.“ <\/em>Dem schlie\u00dft sich auch <\/span>Farbod Nezami an und bemerkt, dass vor allem die Orientierung der Faser \u00fcber die ingenieurtechnisch relevanten Merkmale entscheide: „Von der Festigkeit bis zur W\u00e4rmeausdehnung herrscht eine gro\u00dfe Anisotrope vor – also eine Richtungsabh\u00e4ngigkeit der Eigenschaften<\/em>.“ Beim Konstruieren mit Faserverbundwerkstoffen sei es daher laut Nezami an erster Stelle wichtig zu wissen, welche Eigenschaften in welcher Richtung ben\u00f6tigt werden, um folglich den Aufbau des Verbundwerkstoffes definieren zu k\u00f6nnen.\u00a0<\/span><\/p>\n

Gibt es auch Herausforderungen bzw. Einschr\u00e4nkungen?<\/strong><\/h3>\n

F\u00fcr Stefan Obermayer habe jedes 3D-Druck-Verfahren seine Daseinsberechtigung. Der Druck mit Filamenten erfordere jedoch immer auch, dass komplexere Bauteile mit St\u00fctzmaterial gebaut werden m\u00fcssen und es mitunter eine Herausforderung darstelle, diese St\u00fctzen zu entfernen. Hier kann angemerkt werden, dass beispielsweise im 3D-Druck mit Onyx (Nylon\/PA6 mit Mikro-Carbonfasern), einem Gemisch aus Nylon mit einem Anteil von 15 % Carbon-Kurzfaser, nach der Entfernung der St\u00fctzstrukturen der Nachbearbeitungsaufwand wesentlich reduziert bzw. eliminiert werden kann. Auf Wunsch k\u00f6nnen die 3D-gedruckten Verbundbauteile jedoch durch Gl\u00e4tten, F\u00e4rben oder Fr\u00e4sen veredelt werden. Dem Experten von Siemens Energy bereite die geringe Schichtbindung immer wieder Kopfzerbrechen: „Die Lage des Bauteils hat selbstredend auch einen Einfluss auf die Abbildungsgenauigkeit des Druckergebnisses. Ein Gewinde, dass liegend gedruckt wird, wird zwar im Betrieb h\u00f6heren Zugspannungen standhalten, jedoch wird es kaum die gew\u00fcnschte Abbildungsgenauigkeit erreichen. Hier wird \u00fcblicherweise mechanisch nachgearbeitet, worauf man nat\u00fcrlich vorbereitet sein muss.“<\/i><\/span><\/p>\n

\"\"

Mit Hilfe von Verbundwerkstoffen k\u00f6nnen im 3D-Druck feste und dennoch leichte Bauteile gefertigt werden. (Bild: CIKONI)<\/p><\/div>\n

Joachim Kasemann ist davon \u00fcberzeugt, dass erst eine fertigungsgerechte Konstruktion es erlaube, den Mehrwert der Technologie voll auszusch\u00f6pfen. Er verweist auf einen Konstruktionsratgeber<\/span><\/a>, welcher den Einstieg in die Technologie vereinfachen soll. Farbod Nezami zeigt sich optimistisch, dass sich im Einsatz von 3D-gedruckten Verbundwerkstoffen in den n\u00e4chsten Jahren in puncto Gr\u00f6\u00dfe, Produktivit\u00e4t und mechanischer Performance viel weiterentwickeln wird. Dieses prognostizierte Wachstum spiegelt sich auch in einer Marktanalyse von SmarTech wider, welche festh\u00e4lt, dass der globale Markt f\u00fcr Kompositmaterialien innerhalb der n\u00e4chsten f\u00fcnf Jahre um 22,3 % steigen wird.\u00a0<\/span><\/span><\/p>\n

Gibt es letzte Empfehlungen? Oder Ratschl\u00e4ge?\u00a0<\/strong><\/h3>\n

Die Experten scheinen sich einig zu sein, dass der Einsatz von faserverst\u00e4rkten Werkstoffen die Herstellung von stabilen, festen und gleichzeitig leichten Teilen erm\u00f6glicht und der 3D-Druck dar\u00fcber hinaus den Vorteil bietet, dass dies nicht nur schnell sondern auch kosteneffizient gelingt. Es kann zudem festgehalten werden, dass die Fertigung mit kurzfaserverst\u00e4rkten Werkstoffen zwar kosteng\u00fcnstiger ist und auf Grund der Beimischung in die Polymermatrix eine h\u00f6here technologische Flexibilit\u00e4t f\u00fcr den 3D-Druck bietet, diese jedoch in Sachen Leistung mit Endlosfaser-Verbundwerkstoffen nicht mithalten kann. Zudem entscheidet auch die Art der Faser \u00fcber die Materialeigenschaften des Bauteils, weshalb die Wahl des Verbundwerkstoffes schlie\u00dflich abh\u00e4ngig vom spezifischen Anwendungsfall ist.\u00a0<\/span><\/span><\/p>\n

\n

„Ganz wichtig: anfangen. Sich nicht durch eventuell notwendige Konstruktions\u00e4nderungen abhalten lassen. Der Appetit kommt beim Essen. Die Lernkurve bei unseren Kunden ist enorm. Die meisten fertigen Bauteile, bei denen Sie vor einem halben Jahr nicht im Traum daran gedacht haben, diese zu drucken. Die additive Fertigung bietet Verf\u00fcgbarkeit, Unabh\u00e4ngigkeit und Innovation.“ -Joachim Kasemann<\/p>\n

Stefan Obermayer r\u00e4t Unentschlossenen: „Wer sich heute noch \u00fcberlegt, ob es sich rechnet f\u00fcr die Entwicklung neuer Ger\u00e4te einen hochwertigen Drucker anzuschaffen, dem kann ich mitgeben, dass der 3D-Druck sich nicht nur kaufm\u00e4nnisch rechnet, sondern auch eine grundlegende Verhaltens\u00e4nderung der Konstrukteure mit sich bringt. Es wird zwar einige Zeit dauern, bis sich die M\u00f6glichkeit, vollkommen frei zu konstruieren bei jedem manifestiert hat; aber sobald dieser Schritt getan ist, wird die Herstellung neuer Ger\u00e4te um ein Vielfaches effizienter, hochwertiger und billiger.“<\/p>\n

„Denken Sie hybrid. Unsere Anforderungen im industriellen Umfeld sind mittlerweile so fortgeschritten, dass sich die wenigsten Herausforderungen \u00fcber ein Material oder einen Fertigungsprozess erschlagen lassen. Ich bin \u00fcberzeugt, dass wir im Bereich der Hybridisierung der additiven Fertigung noch ganz am Anfang stehen.“ -Farbod Nezami<\/span><\/p>\n<\/blockquote>\n

\"\"

Klemmbacken als 3D gedruckte Betriebsmittel. (Bild: Mark3D)<\/p><\/div>\n

\u00dcberlegen Sie oder haben Sie bereits Erfahrung im 3D-Druck mit Verbundwerkstoffen? Lassen Sie uns dazu gerne einen Kommentar da oder teilen Sie uns Ihre Meinung auf Facebook<\/a>,\u00a0Twitter<\/a>,\u00a0LinkedIN<\/a>\u00a0oder\u00a0Xing<\/a>\u00a0mit. M\u00f6chten Sie au\u00dferdem eine Zusammenfassung der wichtigsten Neuigkeiten im 3D-Druck und der additiven Fertigung direkt und bequem in Ihr Postfach erhalten? Dann registrieren Sie sich jetzt f\u00fcr unseren\u00a0w\u00f6chentlichen Newsletter<\/a>.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

Die additive Fertigung erm\u00f6glicht eine zeitnahe Herstellung von individuellen Bauteilen und z\u00e4hlt zu einer der Schl\u00fcsselfaktoren in der Optimierung und Automatisierung von Produktionsprozessen. Mittlerweile finden sich deshalb eine Vielzahl an 3D-Druckverfahren und Materialien auf dem Markt, welche sich f\u00fcr unterschiedliche…<\/p>\n","protected":false},"author":6080,"featured_media":30389,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_acf_changed":false,"content-type":"","footnotes":""},"categories":[49,61],"tags":[],"class_list":["post-30364","post","type-post","status-publish","format-standard","has-post-thumbnail","hentry","category-aktuelles","category-experteninterviews"],"acf":[],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/www.3dnatives.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/30364","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/www.3dnatives.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/www.3dnatives.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.3dnatives.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/users\/6080"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.3dnatives.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=30364"}],"version-history":[{"count":3,"href":"https:\/\/www.3dnatives.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/30364\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":30587,"href":"https:\/\/www.3dnatives.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/30364\/revisions\/30587"}],"wp:featuredmedia":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.3dnatives.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/media\/30389"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/www.3dnatives.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=30364"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.3dnatives.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=30364"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.3dnatives.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=30364"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}