3D-Druck mit Kohlefaser verstehen: Arten und Techniken

Kohlenstofffasern werden selten allein verwendet. Sie werden oft mit anderen Materialien kombiniert, um sogenannte Verbundwerkstoffe zu bilden, in diesem speziellen Fall kohlenstofffaserverstärkte Materialien. Der Kohlenstofffaser-3D-Druck erreicht die perfekte Kombination aus geringem Gewicht und hoher Festigkeit, indem Kohlenstofffasern mit einem Matrixmaterial verbunden werden. Dies kann Kunststoffteilen metallähnliche Festigkeit sowie Hitzebeständigkeit, Chemikalienbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit verleihen. Immer mehr 3D-Druck-Unternehmen beginnen, kohlenstofffaserverstärkte Materialien oder Technologien, die mit diesem Verbundmaterial arbeiten, für Branchen wie Luft- und Raumfahrt, Automobilbau und Bauingenieurwesen anzubieten. Dieser Artikel stellt die Definition und Typen des Kohlenstofffaser-3D-Drucks vor.

Source: https://www.nitprocomposites.com/products

Technische Prinzipien und Materialtypen

Im FDM-3D-Druck werden Kohlenstofffasern üblicherweise in thermoplastische Filamente eingebettet, entweder als gehackte oder gemahlene Fasern. Diese Fasern wirken als verstärkendes „Skelett“, um die Steifigkeit, Dimensionsstabilität und Hitzebeständigkeit zu erhöhen. Im Gegensatz zu kontinuierlichen Kohlenstofffasermaterialien (wie der proprietären Technologie von Markforged) basiert FDM-Kohlenstofffaser auf kurzen Fasern, die in einer Polymermatrix verteilt sind.

Je nach Fasermorphologie und Verarbeitung werden sie hauptsächlich in drei Typen unterteilt:

• Gemahlene Kohlenstofffaser-Materialien Gemischt mit Mikron-Kohlenstoffpulver und Kunststoff. Obwohl eine matte Oberflächenwirkung erzielt werden kann, wird die Materialfestigkeit erheblich reduziert. Diese Materialart ist günstig (z. B. ABS-Mischmaterial für 30 $) und eignet sich nur für Prototypen oder nicht tragende Teile.
• Gehackte Kohlenstofffaser-Verbundstoffe Industriegrade-Materialien werden mit 0,5–1 mm gehackten Kohlenstofffasern verstärkt und je nach Anwendungsszenario unterteilt: Allgemeine Verwendung: Mit technischen Kunststoffen wie Nylon, um die Schlagzähigkeit zu verbessern. Luftfahrt-Standard: Mit Hochleistungspolymeren wie PEEK oder PEI kombiniert, um hohe Temperaturbeständigkeit zu gewährleisten.

Dieser Materialtyp kann verwendet werden, um funktionale Prototypen, Produktionsvorrichtungen und Endteile in anspruchsvollen Umgebungen herzustellen, wobei 85 % der Basiseigenschaften erhalten bleiben und die Dimensionsstabilität deutlich verbessert wird.

• Kontinuierliche Kohlenstofffaser-Technologie Das kontinuierliche Faserverfahren, repräsentiert durch Markforged, erreicht mechanische Eigenschaften nahe an Metall durch schichtweises Aufbringen kontinuierlicher Kohlenstofffaserbündel. Die Produktfestigkeit kann bis zu 30-mal höher sein als bei herkömmlichen Kunststoffen, das Festigkeits-Gewichts-Verhältnis ist dreimal so hoch wie bei Aluminium, und die Dichte beträgt nur 1/7 von Stahl. Obwohl spezielles Equipment und höhere Kosten erforderlich sind, bietet es erhebliche Vorteile beim Ersatz tragender Strukturteile.

Source:  https://3dprintingindustry.com/

Materialverarbeitung und Prozesskontrolle

Gehackte Kohlenstofffaser

Beim Kohlenstofffaser-3D-Druck werden kurze, kohlenstofffaserverstärkte Thermoplaste verwendet. Diese kurzen Fasern sind in der Regel weniger als 1 mm lang und gleichmäßig im Basismaterial (z. B. PLA, PETG, ABS) verteilt, um die Festigkeit und Steifigkeit zu erhöhen. Obwohl kohlenstofffasergefüllte Materialien die mechanischen Eigenschaften deutlich verbessern, verursachen ihre hohe Härte und Abriebfestigkeit einen schnellen Verschleiß der Düse. Daher werden Düsen aus Edelstahl, gehärtetem Stahl oder Wolframkarbid empfohlen, um vorzeitigem Verschleiß vorzubeugen. Außerdem kann ein zu hoher Kohlenstofffaseranteil die Oberflächenqualität beeinträchtigen, daher sollte das geeignete Verhältnis entsprechend den Anforderungen gewählt werden.

Bei den Druckeinstellungen ähnelt die Temperatureinstellung für kohlenstofffaserverstärkte Materialien in der Regel der der Basismaterialien. Zum Beispiel kann CF-PLA sich an den Druckparametern von normalem PLA orientieren, jedoch kann die Zugabe von Kohlenstofffasern die Schmelzfließfähigkeit beeinflussen, weshalb empfohlen wird, die Druckgeschwindigkeit entsprechend zu reduzieren (z. B. 30–50 mm/s), um die Schichthaftung zu verbessern. Nach dem Druck können Kohlenstofffaserpartikel in der Düse verbleiben. Es wird empfohlen, 15–20 cm reines PLA-Filament zum Reinigen der Düse zu verwenden, um Verstopfungen zu vermeiden. Außerdem beschleunigt die hohe Abrasivität der Kohlenstofffasern die Alterung der Düse, daher sollte regelmäßig der Düsenverschleiß überprüft und die verschleißfeste Düse rechtzeitig ausgetauscht werden, um eine gute Druckqualität und lange Lebensdauer der Ausrüstung zu gewährleisten.

Kontinuierliche Kohlenstofffaser

Im Gegensatz zu fasergefüllten Filamenten werden kontinuierliche Fasern durch einen zusätzlichen Prozess der kontinuierlichen Faserverstärkung (CFR) realisiert. CFR ermöglicht es den Anwendern, kontinuierliche Fasern flexibel in ihre Teile zu integrieren. Somit kann die Menge der Kohlenstofffasern im Teil besser kontrolliert und die Fasern strategisch entsprechend den Belastungsanforderungen angeordnet werden, um das beste Ergebnis zu erzielen. Optimierte Bauteile können außerdem die Fertigungszeit und -kosten reduzieren.

Markforged (https://markforged.com/) gibt an, dass bei der Verwendung kontinuierlicher Fasern Anpassungen durch zwei Schlüsselmethoden erfolgen:

1. Bestimmen, ob kontinuierliche Fasern in jeder Schicht des Teils platziert werden sollen
2. Bestimmen der Verstärkungsstrategie für jede zu verstärkende Schicht

Beispiele gängiger Technologien für kontinuierliche Fasern in Bauteilen:

• Sandwich-Panels Ähnlich wie bei traditionellen Verbundwerkstoff-Layups werden kontinuierliche Fasern nur an der Ober- und Unterseite des Teils hinzugefügt. Unter den meisten Biegebeanspruchungen ist die Spannung an der Oberfläche am höchsten. Sandwich-Panels werden zur Widerstandsfähigkeit in Z-Richtung eingesetzt.
• Schalen Schalen sind ähnlich wie Sandwich-Panels, verwenden jedoch geschlossene Schleifen kontinuierlicher Fasern innerhalb der Wände jeder Schicht. Bei Schalenverstärkungen werden kontinuierliche Fasern um den Umfang jeder Schicht gelegt, um Kräfte in der XY-Ebene zu widerstehen.
• Streifen Streifen folgen dem Stil von Sandwich-Panels, jedoch werden „Streifen“ kontinuierlicher Fasern nur in kritischen Bereichen des Teils hinzugefügt. Streifen können in höheren Sandwich-Panels verwendet werden, um die Last zu verteilen und das Risiko von Infill-Verformungen zu reduzieren.