{"id":59556,"date":"2024-11-12T15:00:28","date_gmt":"2024-11-12T14:00:28","guid":{"rendered":"https:\/\/www.3dnatives.com\/de\/?p=59556"},"modified":"2024-11-12T15:00:28","modified_gmt":"2024-11-12T14:00:28","slug":"kurzfasern-vs-endlosfasern-fuer-verbundwerkstoffe-121120241","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.3dnatives.com\/de\/kurzfasern-vs-endlosfasern-fuer-verbundwerkstoffe-121120241\/","title":{"rendered":"Kurzfasern vs. Endlosfasern: Welche Art von Verst\u00e4rkung sollte f\u00fcr 3D-gedruckte Teile aus Verbundwerkstoffen gew\u00e4hlt werden?"},"content":{"rendered":"

Wenn man 3D-gedruckten Teilen spezifische und \u00fcberlegene Eigenschaften verleihen will, greift man oft zu Verbundwerkstoffen. Diese k\u00f6nnen sogar st\u00e4rker sein als manche Metalle und bieten eine hohe Leistung. Verbundwerkstoffe<\/a> (oder Komposit-Materialien) bestehen aus mindestens zwei Materialien, die miteinander kombiniert werden, um neue oder verbesserte Eigenschaften im Vergleich zu den Ausgangsmaterialien zu erzielen. Wie man sich vorstellen kann, gibt es zahlreiche Verbundwerkstoffe, wir konzentrieren uns hier aber auf Verbundwerkstoffe, die aus einer Polymermatrix und einer Faserverst\u00e4rkung bestehen. In der 3D-Druckindustrie sind Kohlenstofffasern, Glasfasern und Kevlar drei der am h\u00e4ufigsten f\u00fcr Verbundwerkstoffe verwendeten Fasermaterialien<\/a>.<\/p>\n

In diesem Artikel befassen wir uns mit dem 3D-Druck von Kurzfasern und Endlosfasern, die in Verbundwerkstoffe eingebettet sind. Diese beiden Techniken f\u00fchren zu unterschiedlichen Ergebnissen und erfordern den Einsatz verschiedener Technologien, wobei wir die am weitesten verbreitete Technologie, n\u00e4mlich die Materialextrusion, hervorheben werden. Was sind nun die Gemeinsamkeiten und Unterschiede zwischen diesen beiden Techniken und wie w\u00e4hlt man die am besten geeignete Verst\u00e4rkungsart f\u00fcr eine bestimmte Anwendung aus? Das wollen wir im Folgenden sehen.<\/p>\n

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Bild: Anisoprint<\/p><\/div>\n

Merkmale von Kurzfasern und Endlosfasern<\/h3>\n

Unter Kurzfasern verstehen wir kleinere St\u00fccke aus faserigem Material, deren L\u00e4nge von Zentimetern bis zu Millimetern und noch kleiner variieren kann. Dies ist vergleichbar mit dem Verfahren, das zur Bewehrung von Beton mit Bewehrungsst\u00e4ben verwendet wird. Auf diese Weise werden die Fasern in der Kunststoffmatrix verteilt und wirken als Verst\u00e4rkung im gesamten Material. Bei Endlosfasern handelt es sich hingegen um lange Str\u00e4nge, die sich \u00fcber die gesamte L\u00e4nge des Verbundteils erstrecken. Diese Fasern werden durch den 3D-Druckprozess in eine Kunststoffmatrix integriert, wodurch ein Verbundwerkstoff entsteht, der die Eigenschaften beider Materialien vereint. Bevor wir uns dem eigentlichen additiven Fertigungsprozess und den Punkten zuwenden, die bei der Herstellung solcher Teile zu beachten sind, ist es wichtig, die Eigenschaften der beiden Verst\u00e4rkungsmaterialien zu kennen.<\/p>

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In beiden F\u00e4llen handelt es sich um die gleiche Materialzusammensetzung: ein Verst\u00e4rkungselement (Fasern) und ein Matrixelement (Polymer). Ersteres sorgt f\u00fcr die mechanischen Eigenschaften, w\u00e4hrend letzteres als Beh\u00e4lter dient und mithilfe eines Harzes daf\u00fcr sorgt, dass die beiden Elemente zusammengehalten werden, d. h. dass die Faser bei der Herstellung am Material haftet. Nach der Auswahl der Matrix-Verbundstoffe (Polymere wie PLA<\/a>, ABS<\/a>, Polypropylen, HIPS, PETG<\/a> usw.) und der Verst\u00e4rkungsfasern (Glas-, Kohlenstoff- oder Aramidfasern) ist es an der Zeit, sie zu einem einzigen Material zusammenzuf\u00fcgen.<\/p>\n

Kurzfasern k\u00f6nnen durch ein Extrusionsverfahren gewonnen werden, bei dem die Mischung mit der Matrix geschmolzen und zu einem einzelnen Filament extrudiert wird. Bei diesem Verfahren k\u00f6nnen Temperatur und Geschwindigkeit gesteuert werden, um eine gute Faserverteilung zu gew\u00e4hrleisten. Endlosfasern k\u00f6nnen bei der Bildung von Filamenten mit einem speziellen Harz co-extrudiert werden, wobei die Kombination mit dem Harz gemischt, geh\u00e4rtet und verfestigt wird. In einigen F\u00e4llen gibt es Fertigungssysteme, bei denen die Matrix und die Verst\u00e4rkung gleichzeitig w\u00e4hrend der aufeinanderfolgenden Schichtabscheidung direkt gedruckt werden, aber darauf werden wir sp\u00e4ter noch eingehen. In jedem Fall m\u00fcssen die Kurzfasern oder Endlosfasern sauber und frei von Verunreinigungen sein, um eine gute Haftung an der Polymermatrix zu gew\u00e4hrleisten.<\/p>\n

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Unterschiedliche Anordnung von Kurz- und Endlosfasern in der Matrix. (Bild: Coperion)<\/p><\/div>\n

Wenn wir uns auf die Eigenschaften der verst\u00e4rkten Materialien selbst konzentrieren, stellen wir fest, dass sie sich je nach dem als Matrix verwendeten Polymer und der Wahl des Fasertyps stark unterscheiden. Handelt es sich bei dem Basiskunststoff um einen technischen Kunststoff, so weist der Verbundwerkstoff nat\u00fcrlich bessere Eigenschaften auf als bei Standardmatrixkunststoffen. Wenn ein Verbundwerkstoff beispielsweise Polypropylen als Matrixpolymer enth\u00e4lt, hat er eine gute grundlegende Verschlei\u00dffestigkeit, h\u00e4lt St\u00f6\u00dfe gut aus und verf\u00fcgt \u00fcber eine erh\u00f6hte Z\u00e4higkeit und Flexibilit\u00e4t. Wird dagegen PLA verwendet, ist der Verbundstoff zwar leichter zu drucken, neigt aber aufgrund der geringen Festigkeit des Materials eher zu Br\u00fcchen.<\/p>\n

Es gibt drei Haupttypen von Fasern, sowohl als Kurz- als auch Endlosfasern: Kohlenstoff, Glas und Aramid (Kevlar). Kohlenstofffasern werden in der verarbeitenden Industrie aufgrund ihrer hohen Festigkeit und Steifigkeit in den Endprodukten am h\u00e4ufigsten verwendet. Glasfaserverst\u00e4rkungen sind im Allgemeinen g\u00fcnstiger und bieten ebenfalls eine gute Festigkeit, wenn auch nicht so gut wie Kohlenstoff. Kevlarfasern schlie\u00dflich werden wegen ihrer hohen Schlag- und Sto\u00dffestigkeit h\u00e4ufig in kugelsicheren Westen verwendet. In jedem Fall f\u00fchrt die Verwendung von kurzen oder durchgehenden Verst\u00e4rkungsfasern zu starken und leichten Teilen.<\/p>\n

3D-Druck mit Kurzfasern und Endlosfasern<\/h3>\n

Die meisten 3D-Drucker, die Verbundwerkstoffe verarbeiten k\u00f6nnen, basieren auf dem Polymerextrusionsverfahren. Beim FFF-3D-Druck von Kurzfasern handelt es sich um das klassische Verfahren. Kurze, in kleine St\u00fccke geschnittene Fasern werden mit Kunststoff gemischt, um eine Spule mit Filament zu bilden, die mit FFF-3D-Druckern verwendet werden kann. In diesem Fall werden die Fasern einfach in den thermoplastischen Kunststoff eingebettet, der erhitzt und extrudiert wird, um das Teil Schicht f\u00fcr Schicht zu formen, wie jedes andere mit dieser Technologie hergestellte Teil auch. Allerdings wird eine geh\u00e4rtete D\u00fcse ben\u00f6tigt, um den abrasiven Faserf\u00e4den zu widerstehen.<\/p>\n

Der 3D-Druck von Endlosfaser-Verbundwerkstoffen ist dagegen komplexer. Bei der Materialextrusion ist oft eine zweite D\u00fcse erforderlich, um die Matrix und den Endlosfaserstrang getrennt aufzubringen. Alternativ muss der einzelne D\u00fcsenkopf eine spezielle Konstruktion aufweisen, um die Fasern mit der Matrix zu vermischen. Das Verfahren besteht darin, Endlosfasern mit einer bestimmten Richtung in die Matrix einzubringen. Letztere wirkt wie eine H\u00fclle, die die Verst\u00e4rkungsfasern einschlie\u00dft. Um die Haftung der Fasern mit der Matrix zu gew\u00e4hrleisten, wird in der Regel eine w\u00e4rmeh\u00e4rtende Matrix oder ein F\u00fcllstoff auf Harzbasis verwendet. Diese wird dann mit UV-Licht oder einer W\u00e4rmequelle polymerisiert, um die Schichten und Materialien miteinander zu verschmelzen. Die Beschreibung des Verfahrens ist bewusst allgemein gehalten, da es zahlreiche propriet\u00e4re Technologien f\u00fcr den 3D-Druck von Endlosfaser-Verbundwerkstoffen gibt, die sich, wenn auch nur geringf\u00fcgig, voneinander unterscheiden.<\/p>\n

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3D-Druck einer Polymermatrix und Kevlarfaserverst\u00e4rkung (Bild: Markforged)<\/p><\/div>\n

Ein wichtiger Aspekt beim Drucken mit Fasern, insbesondere mit Endlosfasern, ist der Einsatz von Software f\u00fcr die Finite-Element-Analysis (FEA), eine computergest\u00fctzte Methode zur Vorhersage, wie ein Produkt auf \u00e4u\u00dfere Kr\u00e4fte und Reize reagieren wird. Damit lassen sich die Materialeigenschaften analysieren und das Modell, nach dem die Endlosfasern in der Matrix angeordnet werden sollen, genau definieren. Andererseits bedeutet dies auch, dass bestimmte konstruktive Einschr\u00e4nkungen eingehalten werden m\u00fcssen, um die richtige Positionierung der Fasern und damit die Leistung des Bauteils in den Vordergrund zu stellen. Die spezifischen Materialeigenschaften werden also nach einem kontrollierten Verfahren festgelegt. Bei Verbundwerkstoffen, die mit kurzen Fasern verst\u00e4rkt sind, ist dies nicht ganz so, da es hier nicht m\u00f6glich ist, die Menge und Position der eingebrachten Fasern zu kontrollieren, da sie mit der Matrix eins sind.<\/p>\n

Vorteile und Einschr\u00e4nkungen<\/h3>\n

Zu den wichtigsten Vorteilen des 3D-Drucks mit Verbundwerkstoffen geh\u00f6ren bekanntlich die gr\u00f6\u00dfere Flexibilit\u00e4t und die schnellere Herstellung sowie die M\u00f6glichkeit, komplexe Teile im Vergleich zu traditionelleren Verfahren zu fertigen. Ein weiterer Vorteil dieser Technologie, sofern Endlosfasern verwendet werden, ist die M\u00f6glichkeit, den Ablagerungsprozess zu steuern und zu entscheiden, wo und wie die Verst\u00e4rkung f\u00fcr die endg\u00fcltigen Teile platziert werden soll.<\/p>\n

Wenn wir uns auf die Vorteile von Kurzfasern und Endlosfasern als Verst\u00e4rkung im 3D-Druck konzentrieren, k\u00f6nnen wir einige Gemeinsamkeiten feststellen. Beide Arten von Fasern bieten im Vergleich zu unverst\u00e4rkten Kunststoffen eine h\u00f6here mechanische Festigkeit. Insbesondere verbessern sie die Steifigkeit des Materials und erh\u00f6hen seine Best\u00e4ndigkeit gegen Abn\u00fctzung und St\u00f6\u00dfe. Dar\u00fcber hinaus sind Fasern wie Kohlenstofffasern sehr leicht, was bei Anwendungen, bei denen dies von entscheidender Bedeutung ist, zu einem geringeren Gewicht beitr\u00e4gt. Sowohl bei Kurzfasern als auch bei Endlosfasern gibt es einige Einschr\u00e4nkungen. So sind f\u00fcr ihre korrekte Verarbeitung spezielle 3D-Druckanlagen erforderlich. Auch bei der Herstellung des Verbundwerkstoffs sind viele Aspekte zu ber\u00fccksichtigen, wie z. B. die Haftung zwischen der Faser und der Kunststoffmatrix, die eine Herausforderung darstellen kann.<\/p>\n

Andererseits gibt es einige Aspekte, in denen die beiden Fasertypen unterschieden werden k\u00f6nnen. Die wichtigste Einschr\u00e4nkung von Kurzfasern im Vergleich zu Endlosfasern ist, dass sie eine weniger effektive Verst\u00e4rkung bieten. Dies liegt daran, dass die Ausrichtung und Verteilung von Kurzfasern entlang des Verbundwerkstoffs komplexer und zuf\u00e4lliger ist, w\u00e4hrend Endlosfasern konstant sind. Daher ist der Verst\u00e4rkungseffekt bei Kurzfasern weniger ausgepr\u00e4gt, was f\u00fcr Anwendungen, die eine hohe Festigkeit erfordern, m\u00f6glicherweise nicht ausreichend ist. Ein entscheidender Vorteil von Kurzfasern ist jedoch, dass sie leichter zu verarbeiten und im Allgemeinen billiger sind als Endlosfasern, was sie leichter zug\u00e4nglich macht. Dar\u00fcber hinaus k\u00f6nnen sie mit einer gr\u00f6\u00dferen Vielfalt an Kunststoffen verwendet werden, was eine hohe Designflexibilit\u00e4t erm\u00f6glicht.<\/p>\n

Wichtigste Anwendungen<\/h3>\n

Die Wahl zwischen Kurzfasern und Endlosfasern sowie dem Matrixkunststoff h\u00e4ngt von der Art der Anwendung und den Leistungsanforderungen ab. Endlosfasern sind ideal f\u00fcr Anwendungen, die eine hohe Festigkeit und Steifigkeit erfordern, w\u00e4hrend Kurzfasern eher f\u00fcr Projekte geeignet sind, wo einfache Verarbeitung und geringere Kosten eine Rolle spielen. Aus diesem Grund werden Endlosfasern h\u00e4ufiger f\u00fcr Strukturbauteile in fortschrittlichen Industrien verwendet, wie z. B. in der Automobilindustrie<\/a> (Fahrgestellverst\u00e4rkungen oder Innenraumkomponenten) oder in der Luftfahrt<\/a> (Tragstrukturen und Flugzeugkomponenten). Sie k\u00f6nnen auch in Konsumg\u00fctern eingesetzt werden, die eine hohe Festigkeit erfordern, wie Fahrr\u00e4der oder Sportger\u00e4te. Andererseits werden 3D-gedruckte Kurzfasern eher f\u00fcr Prototypen und dekorative Teile verwendet. Sie werden auch h\u00e4ufig f\u00fcr Teile in der Verpackungsindustrie, in der Robotik, bei Konsumg\u00fctern und anderen Komponenten verwendet, bei denen eine hohe Zugfestigkeit weniger relevant ist.<\/p>\n

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Teil aus Kohlefaser. (Bild: Weerg)<\/p><\/div>\n

Hersteller und Preise<\/h3>\n

3D-Druckl\u00f6sungen f\u00fcr Kurz- und Endlosfaser-Verbundwerkstoffe sind zwar nicht so zahlreich wie die f\u00fcr Standardpolymere und Metalle, aber dennoch recht vielf\u00e4ltig und reichen von Roboterarmen \u00fcber Industriedrucker bis hin zu Desktop-L\u00f6sungen. Unter den Anbietern von 3D-Druckl\u00f6sungen f\u00fcr Endlosfasern bietet Markforged die Continuous Fibre Fabrication (CFF)-Technologie und eine Reihe von Desktop- und Industriel\u00f6sungen an. Diese sind in der Lage, PLA, TPU, wei\u00dfes Nylon, Onyx\u2122 und ULTEM-Verbundwerkstoffe zu drucken, die mit Kohlefaser, Kevlar oder Glasfaser verst\u00e4rkt sind. Anisoprint bietet auch L\u00f6sungen f\u00fcr den 3D-Druck mit Endlosfasern unter Verwendung der CFC-Technologie (Composite Fibre Co-extrusion). Die Desktop-L\u00f6sungen bieten eine gro\u00dfe Flexibilit\u00e4t bei der Materialauswahl mit einem offenen System, w\u00e4hrend die industrielle L\u00f6sung ProM IS 500 mit Hochleistungskunststoffen wie PEI, PEEK, PEKK und anderen kompatibel ist. Andere Unternehmen, die 3D-Druckl\u00f6sungen mit Endlosfasern anbieten, sind Continuous Composites oder CEAD, das eine LFAM-L\u00f6sung anbietet.<\/p>\n

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Bild: Anisoprint<\/p><\/div>\n

Dar\u00fcber hinaus erforschen und patentieren, wie bereits erw\u00e4hnt, immer mehr Startups neue 3D-Druckverfahren<\/a> f\u00fcr Endlosfaserverbundwerkstoffe, darunter Moi Composits, SphereCube, Fabheads, 9T Labs und Arevo.<\/p>\n

Es ist erw\u00e4hnenswert, dass es nicht nur Technologien f\u00fcr die Endlosfaserverst\u00e4rkung w\u00e4hrend des Produktionsprozesses gibt. So hat das spanische Startup Reinforce 3D die CFIP-Technologie (Continuous Fibre Injection Process) zur Verst\u00e4rkung von Teilen mit Endlosfasern in der Nachbearbeitungsphase nach der additiven Fertigung entwickelt.<\/p>\n

Bei den Herstellern von 3D-Druckern f\u00fcr Kurzfaser-Verbundwerkstoffe handelt es sich haupts\u00e4chlich um Hersteller von FFF-Maschinen, die mit Kohlenstoff oder anderen Fasern verst\u00e4rkte Hochleistungsmaterialien verarbeiten k\u00f6nnen. Dazu geh\u00f6ren Roboze, Stratasys, 3ntr, miniFactory, BigRep, WASP oder Creality (die Liste ist nicht vollst\u00e4ndig).<\/p>\n

Was die Preise betrifft, so h\u00e4ngt der Hauptunterschied mit der Art der verwendeten Maschine zusammen. Sowohl f\u00fcr den 3D-Druck von Kurzfasern als auch von Endlosfasern ist der Preis f\u00fcr industrielle L\u00f6sungen im Allgemeinen hoch, da diese Materialien besondere Druckbedingungen erfordern, wie hohe Temperaturen f\u00fcr die D\u00fcse, die Kammer usw. Desktop-Maschinen f\u00fcr den 3D-Druck von Kurzfaser-Verbundwerkstoffen sind ab 400 \u20ac erh\u00e4ltlich, w\u00e4hrend die Preise f\u00fcr den 3D-Druck von Endlosfasern bei etwa 9.000 \u20ac beginnen. Bei industriellen L\u00f6sungen geben die Hersteller nicht immer die Preise an, die je nach Verfahren und Gr\u00f6\u00dfe mehrere tausend Euro betragen k\u00f6nnen. In diesem Fall ist es m\u00f6glich, direkt \u00fcber die offiziellen Websites Angebote anzufordern.<\/p>\n

\"Kurzfasern<\/p>\n

Haben Sie bereits Erfahrungen mit dem Druck von Kurzfasern und Endlosfasern? Lassen Sie uns gerne einen Kommentar da, oder teilen Sie es uns auf Facebook<\/a>\u00a0oder\u00a0\u00a0LinkedIN<\/a>\u00a0 mit. 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":"

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