Leichtbau Additive Fertigung mit Composite-Werkstoffen

Von Simone Käfer

Komposite- oder Verbundwerkstoffe haben einige Vorteile. Zum Beispiel eigenen sie sich für den Leichtbau. Es gibt aber auch Nachteile. Diese können durch 3D-Druck ausgeglichen werden.

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Es gibt einige 3D-Drucker, die Verbundwerkstoffe verarbeiten können. Am verbreitetsten sind Filamente mit Karbon und Glasfaser. Aber Kevlar auch kann gedruckt werden.
Es gibt einige 3D-Drucker, die Verbundwerkstoffe verarbeiten können. Am verbreitetsten sind Filamente mit Karbon und Glasfaser. Aber Kevlar auch kann gedruckt werden.
(Bild: © Markforged)

Verbundwerkstoffe dienen oft als Metall-Ersatz. Mit ihrer Kunststoffbasis sind die Werkstoffe leichter, doch die mechanischen Eigenschaften von Kunststoffen reichen nicht immer aus. Durch eine Verstärkung mit Fasern kommen sie denen von Metallen aber mindestens nahe, wenn nicht gar gleich. Um Verbundwerkstoffe herzustellen, gibt es mehrere Verfahren. Sie reichen von umständlich bis kostspielig. Additive Fertigung unterstützt die Herstellung von Bauteilen mit Verbundwerkstoffen, beispielsweise in dem Formen 3D-gedruckt werden, in denen das Bauteil mit konventionellen Verfahren entsteht. Aber die Fasern können auch direkt während des Drucks in das Kunststoff-Bauteil gelegt werden. Weitere Werkzeuge, Formen und Laminierprozesse sind überflüssig.

Was sind Faserverbundwerkstoffe?

Faserverbund- oder Composite-Werkstoffe bestehen aus zwei Werkstoffen: dem der Fasern und dem der Matrix. Durch die Fasern wird das Grundmaterial, die Matrix, in ihren mechanischen Eigenschaften verstärkt. Mit Fasern erzeugte Komposite besitzen eine bessere Festigkeit, Effizienz oder Haltbarkeit als die Ausgangsmaterialien. Die Festigkeit wird durch sehr dünne Fasern mit Durchmessern im µm-Bereich erreicht. Je dünner die Faser, umso fester. Die stärkste Festigkeit besteht in Faserrichtung.

Markforged hat auch Kevlar für seine Filament-Drucker im Portfolio.
Markforged hat auch Kevlar für seine Filament-Drucker im Portfolio.
(Bild: © Markforged)

Zu den weit verbreitetsten Fasern für Verbundwerkstoffe gehören Glasfaser, Kohlenstofffaser (Karbon) und p-Aramidfasern wie Kevlar. Die in der Additiven Fertigung vorwiegend verwendeten Materialien sind Glasfaser und Kohlenstofffaser. Zu den Matrix-Materialien gehören Faserverstärkte Duroplaste, Elastomere und Thermoplaste sowie Kohlenstoff.

Mit einem Verbundwerkstoff können die Material-Eigenschaften eines Bauteils individuell auf die Anwendung abgestimmt werden, indem man die Fasern des Werkstoffes entsprechend ausrichtet und ihre Dichte bzw. Menge anpasst. Aber: Je höher der Anteil an Fasern, desto starrer und spröder wird der Werkstoff.

Wie druckt man mit Verbundwerkstoffen?

Mit Kompositwerkstoffen wird schon länger gearbeitet, das Drucken von faserverstärkten Materialien ist nicht neu. Die Werkstoffe werden in Kurzfasern, Endlosfaser, Vlies und als Pulverpartikel verarbeitet. Sobald die Düse eines Filament-Druckers aus gepresstem Stahl besteht, kann er fertige Verbundwerkstoffe drucken. Aber nicht die Fasern in die Matrix einlegen. Dafür benötigt es eine andere Lösung.

Der Druckerhersteller Markforged beispielsweise hat ein Karbon-Filament, das als Endlosfaser während des Druckvorgangs in Kunststoff-Bauteile eingelegt wird. Das Besondere daran ist laut Lutz Feldmann, Regional Channel Manager Euro-Central von Markforged, dass sie damit die Festigkeit von Metall erreichen. Gedruckt wird in einem Filament-3D-Drucker, der einen speziellen Extruder hat. Denn es sind zwei unterschiedliche Düsen notwendig, eine für den Standard-Kunststoff und eine dünnere für die Kohlenstofffaser. Das Endlosfaser-Filament wird während des Druckens Schicht für Schicht entlang der Kontur und um Bohrungen herum gelegt. Am Ende jeder Schicht, schneidet die Düse die Karbonfaser ab. Dann wird aus der zweiten Düse des Druckkopfs wieder Kunststoff darüber gedruckt. Zu beachten ist die Faserrichtung.

Auch der 3D-Drucker Fiber von Desktop Metal arbeitet mit Filamenten. Allerdings mit zwei Druckköpfen. Denn neben einer Endlosfaser aus Karbon oder Glasfaser, druckt der zweite Druckkopf keinen reinen Kunststoff, sondern eine Matrix aus mit Kurzfasern verstärktem Material. Als Matrixwerkstoff sind unter anderem Hochtemperatur-Thermoplaste wie PEEK und PEK möglich. Der 3D-Drucker-Hersteller verspricht ein Bauteil mit einer Festigkeit von Stahl und dem Gewicht von Aluminium.

Es muss kein Endlosfaser-Filament sein, üblich sind eher Kurzfasern. Tatsächlich muss es gar kein Filament sein. Bauteile aus Verbundwerkstoffen können auch in Pulververfahren gedruckt werden. Dann liegen die Werkstoffe als Pulverpartikel vor.

Mit dem Composite-based Additive Manufacturing (CBAM)-Verfahren von Impossible Objects gefertigte Bauteile.
Mit dem Composite-based Additive Manufacturing (CBAM)-Verfahren von Impossible Objects gefertigte Bauteile.
(Bild: Impossible Objects)

Aber auch Vlies ist eine Möglichkeit. So druckt die Maschine von Impossible Objects im CBAM-Verfahren (Composite-based Additive Manufacturing) Bauteile aus geschichteten Faservliesen. Dafür werden dünne Platten aus Kohle- oder Glasfaservlies partiell mit einem Binder benetzt und anschließend mit Kunststoffpulver gefüllt. Das Bauteil entsteht, indem die einzelnen Platten verschmolzen werden.

Welche Bauteile werden 3D-gedruckt?

Beliebte Anwendungen sind Werkzeuge und Hilfsmittel (Jigs & Fixtures). Aber es gibt noch mehr Einsatzgebiete. Überall wo Leichtbau gefragt ist, finden sich Anwendungen für Verbundmaterialien: in der Luft- und Raumfahrt, im Automobilbau, bei Fahrrädern oder als Prothese.

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Ein Beispiel aus dem Anlagenbau findet sich bei Imal, einem italienischen Hersteller von Maschinen für die Holzverarbeitung. Das Unternehmen hatte ein Qualitätskontrollsystem entwickelt, das am Ende der Produktlinie angebracht wird. Dafür wurde ein Sensorgehäuse benötigt, das hohe Beschleunigungs-, Belastungs- und Hitzebeständigkeit bietet, aber trotzdem noch gut aussieht.

Mit dem Auftragsfertiger CRP Technology entstand ein Gehäuse im SLS-Verfahren (selektives Lasersintern). Als Material verwendete CRP sein Windform XT 2.0, ein Karbon-Werkstoff, der unter anderem die Zugfestigkeit um 8 %, das Zugmodul um 22 % und die Bruchdehnung um 46 % steigern soll. Außerdem stellte sich heraus, dass der Leichtbau-Werkstoff das Gehäuse des Sensors zusätzlich elektromagnetisch abschirmt.

Mehr 3D-Drucker, die Komposit-Werkstoffe drucken, finden Sie auf unserem Partnerportal Industry of Things.

Dieser Beitrag erschien zuerst auf unserem Partnerportal konstruktionspraxis.de.

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