3D-Druck mit Verbundwerkstoffen: Praxisleitfaden für Ingenieure

Additive Fertigung verarbeitet eine breite Materialpalette – von Hochleistungsthermoplasten wie PEEK bis zu luftfahrttauglichen Metallen wie Titan.

Doch manchmal wollen Ingenieure Eigenschaften zweier Materialien kombinieren. Eine der besten Methoden: Verbundwerkstoffe (Composites). In Prozessen wie FDM und SLS (sowie neuartigen Technologien) bestehen Druck-Composites typischer aus einem thermoplastischen Basismaterial (Matrix) und einem Verstärkungselement wie Kohlefaser. Mischungsverhältnis und Einbindungsart der Verstärkung variieren.

Mit fortschreitenden 3D-Drucktechnologien wird der Einsatz druckbarer Composites immer verbreiteter – nicht nur industriell: Während manche Composites (SLS-Pulver) primär Industrieanwender adressieren, nutzen andere (kurzfaserverstärkte Thermoplaste) auch mittelpreisige FDM-Drucker für Profis und Hobbyisten.

Dieser Artikel dient als Einstieg in 3D-Druck-Composite-Materialien. Er stellt gängige Composites und Drucktechnologien vor, unterscheidet Kurzfaser- von Endlosfaser-Composites und beleuchtet Hauptanwendungen und Vorteile.

Was sind Composite-3D-Druckmaterialien?

Ein Composite besteht aus zwei oder mehr verschiedenen Materialien. Markforged (Composite-3D-Druck-Spezialist) definiert Composites als „aus mehr als einem Material bestehend, die in Kombination Eigenschaften aufweisen, die sich von den Ausgangsmaterialien unterscheiden.“

Beispiele außerhalb des 3D-Drucks: Sperrholz (verschiedene Furnierschichten), Stahlbeton (Beton + Stahlbewehrung).

Im 3D-Druck sind Composites typischerweise Kombination aus thermoplastischer Matrix und Verstärkung wie Kohlefaser, Glasfaser, Graphen, Kevlar. (Hinweis: Mischung zweier Thermoplaste, z. B. PLA + ABS, heißt Blend, nicht Composite.) Basismaterialien können vielfältig sein; industrielle Nutzer greifen oft auf Hochleistungsthermoplaste zurück, die schon ohne Verstärkung gute Eigenschaften haben: PC, PA, PEEK.

Composites liegen in verschiedenen Materialformen vor, am häufigsten:

• Gemischte Pulver für Selektives Lasersintern (SLS)
• Gemischte Filamente für Schmelzschichtung (FDM)

Seltener, aber spannend: Composites mit Endlosfasern, die mittels neuartiger Prozesse während des Drucks in die thermoplastische Matrix eingebracht/verwebt werden. Solche Verfahren benötigen meist zwei Düsen: eine für Thermoplast, eine für Endlosfasern. Auch Composite-Harze für Vat-Photopolymerisation (SLA/DLP) existieren – Thermoharz-Matrix wird um ein Faserskelett gehärtet.

Beliebte Composite-3D-Druckmaterialien

Ob Pulver, Filament oder andere Form: Composite-Druckmaterialien werden für hohe Festigkeit, hohe Steifigkeit, gute Dimensionsstabilität und gutes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis entwickelt. Fasern sind extrem leicht und steigern Festigkeit drastisch ohne Massezuwachs. 3D-gedruckte Engineering-Composites können sogar Metall ersetzen.

Basismaterialien für FDM-Composites reichen von Commodity-Polymeren wie PLA und ABS (günstig) bis zu Hochleistungspolymeren wie PEEK (Premium). PA (Nylon) ist Hauptmaterial für Composite-SLS-Pulver (Standard beim Lasersintern), aber auch Hochleistungsmaterialien wie PAEK sind nutzbar.

Betrachtet man Composites insgesamt (auch außerhalb 3D-Druck), ist Glasfaser der populärste Verstärkungswerkstoff – auch im 3D-Druck weit verbreitet. Innerhalb der Additiven Fertigung dominieren jedoch Kohlefasern, da Composite-3D-Druck oft für kritische Anwendungen genutzt wird, wo die überlegene Festigkeit von Kohlefaser den Mehrpreis rechtfertigt. Weitere Verstärkungen: Kevlar, Graphen.

Basismaterialien (Matrix)

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

Verstärkungen

• Kohlefaser
• Glasfaser
• Glasperlen
• Kevlar
• Graphen
• Andere Metalle

Markenbeispiele: EOS PA 640-GSL (PA12 SLS-Pulver mit Glasperlen & Kohlefasern), 3DXTech CarbonX PETG+CF (PETG FDM-Filament mit Kurzfaser-Kohlefaser), Markforged Onyx (Nylon mit Kohlefaser, zusätzlich verstärkbar mit Endlosfasern via proprietärer Technologie).

3D-Druckverfahren für Composite-Materialien

Abgesehen von wenigen Ausnahmen sind die Kerntechnologien: FDM, SLS und neuartige Endlosfaser-Verfahren.

FDM

Meistgenutztes Verfahren für Kunststoffteile; viele Mittelklasse-Drucker verarbeiten Composites wie kohlefaserverstärktes ABS. FDM-Composites bestehen aus thermoplastischer Matrix und (meist) kurzen, diskontinuierlichen Fasern. Diese verstärken und versteifen, können aber in höheren Mengen die Druckbarkeit erschweren und Oberflächenqualität mindern.

SLS

Ebenfalls für Composite-Teile geeignet. Aufgrund Kosten und Komplexität primär industriell genutzt. Materialien: Mischung aus Thermoplastpulvern (oft Nylon) und Verstärkungen (Kurzfasern, Glasperlen). Hinweis: Composite-SLS-Pulver sind nicht universell; Hardware-Hersteller wie EOS bauen dedizierte Composite-Drucker.

Neuartige Endlosfaser-Prozesse

Einer der innovativsten Bereiche der Additiven Fertigung: Druck von Composites mit Endlosfasern. Firmen wie Markforged, Desktop Metal, Orbital Composites, 9T Labs, Anisoprint haben Hardware entwickelt, die Endlosfasern während des Drucks in Thermoplast-Teile integriert – typisch durch Einführen der Fasern in jede Schicht via separater Düse.

Kurzfaser- vs. Endlosfaser-Composites

Composite-Druckmaterialien mit Verstärkungsfasern lassen sich in zwei Kategorien unterteilen: Kurzfaser- und Endlosfaser-Composites. Zwei Composites mit identischen Ausgangsmaterialien können völlig unterschiedlich performen, je nach Fasertyp.

• Kurzfasern (Chopped Fibers): Winzige Stränge (Kohlefaser, Kevlar etc.), typisch < 1 mm lang. Leicht in Thermoplastmatrix (PLA, ABS etc.) mischbar → erhöhte Festigkeit/Steifigkeit. Vorteil: hohe Vielseitigkeit – mischbar mit vielen Thermoplasten, druckbar auf Standard-3D-Druckern. Nachteil: Jede Faser nimmt zufällige Orientierung an → geringere Festigkeit als Endlosfaser-Composites.
• Endlosfasern (Continuous Fibers): Lange, unidirektionale Stränge, die in die Matrix integriert werden, bieten weit überlegene Festigkeit. Ein Strang kann Lasten über seine gesamte Länge aufnehmen und verteilen → längere kontinuierliche Länge = höhere Tragfähigkeit als winziger Kurzfaserstrang. Erst seit ~5 Jahren Mainstream; mehrere Hersteller bieten eigene Technologien. Naturgemäß teurer als Kurzfaser-Druck (dedizierte Hardware nötig).

Anwendungen von Composite-Materialien

Composites finden in vielen Branchen Anwendung – bei Prototypen, Endverbrauchsteilen und Werkzeugbau.

Sektoren: Luftfahrt, Automobil, Elektronik, Konsumgüter, Medizintechnik, Industrie. Meist für hochsteife, kleinmaßstäbliche Teile (einige Großformat-Extruder drucken Composites im großen Maßstab).

Werkzeugbau – klein oder groß – ist besonders relevante Anwendung für Composite-3D-Druck, da verstärkte Materialien ideal für Formen und End-of-Arm-Tooling sind.

Technologisch bietet Endlosfaser-3D-Druck das größte Anwendungspotenzial (vs. FDM/SLS), befindet sich aber noch in der Frühphase und ist weniger verbreitet als Kurzfaser-Verfahren.