Verbundwerkstoffe für den 3D-Druck: Ein Einführungsleitfaden

Additive Fertigungsverfahren können mit einer breiten Palette von Materialien eingesetzt werden , von Hochleistungsthermoplasten wie PEEK bis hin zu für die Luft- und Raumfahrt geeigneten Metallen wie Titan.

Manchmal möchten Ingenieure jedoch die Eigenschaften zweier unterschiedlicher Materialien kombinieren. Eine der besten Möglichkeiten hierfür ist die Verwendung von Verbundwerkstoffen . Diese werden in Verfahren wie FDM und SLS (sowie in neuartigen Technologien) eingesetzt und bestehen typischerweise aus einem thermoplastischen Basismaterial und einem Verstärkungselement wie beispielsweise Kohlenstofffasern. Das Verhältnis der beiden Komponenten sowie die Art der Integration des Verstärkungsmaterials können variieren.

Mit der ständigen Weiterentwicklung der 3D-Drucktechnologien gewinnt der Einsatz von 3D-druckbaren Verbundwerkstoffen immer mehr an Bedeutung. Und ihre Anwendung beschränkt sich nicht nur auf die Industrie: Während einige Verbundwerkstoffe (z. B. SLS-Pulver) hauptsächlich für industrielle Anwender bestimmt sind , können andere (wie z. B. kurzfaserverstärkte Thermoplaste) in FDM-3D-Druckern der Mittelklasse für Privatanwender und professionelle Anwender eingesetzt werden . Wenn Sie sich mit fortschrittlichen Materialien auseinandersetzen oder fachkundige Unterstützung benötigen, helfen Ihnen die 3D-Druckdienstleistungen von 3ERP , Ihre Designs präzise und schnell umzusetzen.

Dieser Artikel dient als Einführung in den 3D-Druck von Verbundwerkstoffen. Er behandelt einige gängige Verbundwerkstoffe und Drucktechnologien, erläutert den Unterschied zwischen Kurzfaser- und Endlosfaserverbundwerkstoffen und geht auf die wichtigsten Anwendungen und Vorteile des 3D-Drucks von Verbundwerkstoffen ein.

Was sind Verbundwerkstoffe für den 3D-Druck?

Vereinfacht ausgedrückt ist ein Verbundwerkstoff ein Material, das aus zwei oder mehr verschiedenen Materialien besteht . Der Spezialist für 3D-Druck von Verbundwerkstoffen, Markforged, definiert Verbundwerkstoffe als „Materialien, die aus mehr als einem Material bestehen und in Kombination andere Eigenschaften aufweisen als ihre Ausgangsmaterialien“.

Beispiele für Verbundwerkstoffe außerhalb des 3D-Drucks sind Sperrholz (Schichten aus verschiedenen Holzfurnieren) und Stahlbeton (Beton, der durch Stahlstäbe verstärkt wird).

Im 3D-Druck bestehen Verbundwerkstoffe typischerweise aus einem thermoplastischen Basismaterial (der Matrix) und einem Verstärkungselement wie Kohlenstofffaser, Glasfaser, Graphen oder Kevlar . (Eine Mischung aus zwei Thermoplasten, z. B. PLA und ABS, wird üblicherweise als Blend bezeichnet , nicht als Verbundwerkstoff.) Als Basismaterialien können praktisch alle Werkstoffe verwendet werden, industrielle Anwender setzen jedoch in der Regel hochwertige Thermoplaste ein, die auch ohne Verstärkungselemente gute Materialeigenschaften aufweisen; zu diesen Kunststoffen gehören Polycarbonat (PC), Nylon und PEEK.

Verbundwerkstoffe können in verschiedenen Materialformen vorliegen. Am häufigsten werden Pulvermischungen für das selektive Lasersintern (SLS) und Filamentmischungen für das Schmelzschichtverfahren (FDM) verwendet . Weniger verbreitet, aber besonders interessant sind Verbundwerkstoffe aus einem Basismaterial und Endlosfasern , die mithilfe neuartiger Verfahren während des Druckvorgangs in thermoplastische Matrizen eingefädelt oder eingewebt werden können. Solche Verfahren benötigen typischerweise zwei Düsen: eine zum Auftragen des Thermoplasts und eine zum Verteilen der Endlosfasern. Schließlich gibt es auch eine begrenzte Anzahl von Verbundharzen für die Photopolymerisation im 3D-Druckverfahren wie die Stereolithographie (SLA). Mit dieser Technologie können duroplastische Basismaterialien um ein verstärkendes Fasergerüst herum ausgehärtet werden.

Gängige Verbundwerkstoffe für den 3D-Druck

Ob als Pulver, Filament oder in anderer Form – Verbundwerkstoffe für den 3D-Druck werden üblicherweise aufgrund ihrer hohen Festigkeit , Steifigkeit , guten Dimensionsstabilität und ihres günstigen Festigkeits-Gewichts- Verhältnisses entwickelt. Fasern sind extrem leicht und können die Festigkeit eines Thermoplasten drastisch verbessern, ohne dessen Masse zu erhöhen. 3D-gedruckte technische Verbundwerkstoffe können sogar als Ersatz für Metall eingesetzt werden.

Die Basisthermoplaste für FDM-3D-Druckverbunde reichen von Standardpolymeren wie PLA und ABS im günstigeren Preissegment bis hin zu Hochleistungspolymeren wie PEEK im Premiumsegment. Nylon ist das Hauptmaterial für SLS-Verbundpulver (da es generell das Hauptmaterial beim Lasersintern ist), aber auch Hochleistungsmaterialien wie PAEK können verwendet werden.

Betrachtet man Verbundwerkstoffe im Allgemeinen (auch außerhalb des 3D-Drucks), ist Glasfaser das beliebteste Verstärkungsmaterial – und findet sich auch häufig in 3D-gedruckten Verbundwerkstoffen. Im Bereich der additiven Fertigung werden jedoch Kohlenstofffasern deutlich häufiger eingesetzt als Glas, da der 3D-Druck von Verbundwerkstoffen für viele kritische Anwendungen genutzt wird, bei denen die überlegene Festigkeit von Kohlenstoff den höheren Preis rechtfertigt. Weitere Verstärkungsmaterialien sind Kevlar und Graphen.

Basismaterialien

• Polyamid / Nylon (PA): 
• Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS)
• Polymilchsäure (PLA)
• Polycarbonat (PC)
• Polyetherimid (PE)
• Polyphenylensulfid (PPS)
• Polyetheretherketon (PEEK)
• Polyaryletherketon (PAEK)

Verstärkung

• Kohlefaser
• Glasfaserkunststoff
• Glasperlen
• Kevlar
• Graphene
• Andere Metalle

Beispiele für Markenverbundwerkstoffe auf dem Markt sind EOS' PA 640-GSL , ein PA 12 Nylon SLS-Pulver, verstärkt mit Glasperlen und Kohlenstofffasern; 3DXTechs CarbonX PETG+CF , ein PETG FDM-Filament, verstärkt mit geschnittenen Kohlenstofffasern; und Markforgeds Onyx , ein mit Kohlenstofffasern gefülltes Nylon-Basismaterial, das mithilfe der firmeneigenen Verbunddrucktechnologie von Markforged auch mit Endlosfasern verstärkt werden kann.

3D-Druckverfahren für Verbundwerkstoffe

Abgesehen von einigen Ausnahmen sind die wichtigsten 3D-Drucktechnologien für den 3D-Druck von Verbundwerkstoffen das Schmelzschichtverfahren (FDM), das selektive Lasersintern (SLS) und neuartige Technologien für den Endlosfaserdruck.

FDM

FDM ist das am weitesten verbreitete 3D-Druckverfahren für Kunststoffteile, und viele Geräte der mittleren Preisklasse können Verbundwerkstoffe wie kohlenstofffaserverstärktes ABS verarbeiten. Verbundwerkstoffe für FDM bestehen aus einem thermoplastischen Basismaterial und (üblicherweise) geschnittenen, diskontinuierlichen Fasern. Diese Fasern können die gedruckten Teile verstärken und versteifen, in größeren Mengen jedoch auch das Filament schwerer zu verarbeiten und die Oberflächenqualität negativ beeinflussen.

SLS

SLS ist ein weiteres 3D-Druckverfahren für Kunststoffe, das sich für die Herstellung von Verbundbauteilen eignet. Aufgrund der Kosten und Komplexität von SLS-Systemen wird diese Technologie hauptsächlich von industriellen Anwendern eingesetzt. Die Materialien bestehen aus einer Mischung aus thermoplastischen Pulvern (häufig Nylon) und Verstärkungselementen wie Kurzfasern oder Glasperlen. Es ist zu beachten, dass die SLS-Verbundpulver nicht universell einsetzbar sind; Hardwarehersteller wie EOS bieten Maschinen speziell für den Verbunddruck an.

Neuartige Endlosfaserverfahren

Eines der fortschrittlichsten Gebiete der additiven Fertigung ist das Drucken von Verbundwerkstoffen mit Endlosfasern – ein Konzept, das im folgenden Abschnitt erläutert wird. Unternehmen wie Markforged, Desktop Metal, Orbital Composites, 9T Labs und Anisoprint haben Hardware für die additive Fertigung von Verbundwerkstoffen entwickelt, die Endlosfasern während des Druckvorgangs in thermoplastische Bauteile integrieren kann. Dies geschieht typischerweise durch die Zuführung von Endlosfasern in jede einzelne Schicht mithilfe einer separaten Düse.

Kurzfaser- vs. Endlosfaserverbundwerkstoffe

3D-Druck-Verbundwerkstoffe mit Verstärkungsfasern lassen sich in zwei Kategorien unterteilen: Verbundwerkstoffe mit Kurzfasern und Verbundwerkstoffe mit Endlosfasern. Obwohl zwei verschiedene Verbundwerkstoffe exakt die gleichen Bestandteile enthalten können, unterscheiden sie sich daher stark in ihren Eigenschaften, je nachdem, ob sie Kurzfasern oder Endlosfasern verwenden.

• Gehackte Fasern Es handelt sich um winzige Stränge aus Verstärkungsmaterial wie Kohlenstoff oder Kevlar. Typische Maße: weniger als ein Millimeter Aufgrund ihrer Länge lassen sich diese Stränge leicht in eine thermoplastische Matrix (PLA, ABS usw.) einmischen, wodurch der Kunststoff an Festigkeit und Steifigkeit gewinnt. Kurzfasern sind besonders nützlich, da sie sehr widerstandsfähig sind. vielseitigSie lassen sich mit einer Vielzahl von Thermoplasten mischen, und die resultierenden Verbundwerkstoffe können auf herkömmlichen 3D-Druckern verarbeitet werden. Werden jedoch geschnittene Fasern einem Basismaterial beigemischt, nimmt jede einzelne Faser eine bestimmte Eigenschaft an. zufällige OrientierungDadurch ist das Material weniger fest als ein Material mit Endlosfasern.
• Endlosfasernauf der anderen Seite sind länger, unidirektional Stränge aus Verstärkungsmaterial, die, in eine thermoplastische Matrix integriert, eine deutlich höhere Festigkeit als geschnittene Fasern aufweisen. Dies liegt daran, dass ein Strang Lasten über seine gesamte Länge aufnehmen und verteilen kann, wodurch eine längere, durchgehende Länge … höhere Tragfähigkeit als ein winziger, abgeschnittener Faserstrang. Erst in den letzten fünf Jahren hat sich der 3D-Druck mit Endlosfaserverbundwerkstoffen etabliert, und mehrere Hersteller haben ihre eigenen Technologien entwickelt. Selbstverständlich ist der Druck mit Endlosfaserverbundwerkstoffen teurer als der mit Kurzfaserverbundwerkstoffen, da spezielle Hardware benötigt wird.

Anwendungen von Verbundwerkstoffen

Verbundwerkstoffe finden in vielen Branchen vielfältige Verwendung, von Prototypen über Endprodukte bis hin zu Werkzeugen.

Zu den Branchen, die additive Fertigung und 3D-Druck von Verbundwerkstoffen nutzen, gehören Luft- und Raumfahrt, Automobilindustrie, Elektronik, Konsumgüter, Medizintechnik und Industrie . Die meisten dieser Branchen verwenden den 3D-Druck von Verbundwerkstoffen zur Herstellung hochsteifer, kleiner Bauteile (obwohl einige großformatige Extrusionsanlagen auch Verbundwerkstoffe drucken können).

Werkzeugbau – ob im kleinen oder großen Maßstab – ist eine besonders relevante Anwendung für den 3D-Druck von Verbundwerkstoffen, da verstärkte Materialien ideal für Formen und End-of-Arm-Werkzeuge geeignet sind.

Im Hinblick auf die einzelnen Technologien bietet der 3D-Druck mit Endlosfasern das größte Spektrum an potenziellen Anwendungen (verglichen mit FDM oder SLS), obwohl er sich noch in den Kinderschuhen befindet und nicht so weit verbreitet ist wie die 3D-Druckverfahren mit Kurzfasertechnologie.

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