3D-Druck von Verbundwerkstoffen:Eine Einführung

Die additive Fertigung kann mit einer Vielzahl von Materialien verwendet werden, von Hochleistungsthermoplasten wie PEEK bis hin zu luftfahrttauglichen Metallen wie Titan.

Manchmal möchten Ingenieure jedoch die Eigenschaften von zwei verschiedenen Materialien kombinieren, und eine der besten Möglichkeiten, dies zu tun, ist die Verwendung von Verbundwerkstoffen . Verbundwerkstoffe werden in Prozessen wie FDM und SLS (sowie neuartigen Technologien) verwendet und enthalten typischerweise ein thermoplastisches Basismaterial und ein Verstärkungselement wie Kohlefaser. Das Verhältnis zwischen den beiden Elementen kann variieren, ebenso wie die Art der Integration des Verstärkungsmaterials.

Da sich die 3D-Drucktechnologien weiter verbessern, wird die Verwendung von 3D-druckbaren Verbundwerkstoffen immer weiter verbreitet. Und ihre Verwendung ist auch nicht auf die Industrie beschränkt:Während einige Verbundwerkstoffe (z. B. SLS-Pulver) hauptsächlich auf industrielle Anwender ausgerichtet sind , andere (wie gehackte faserverstärkte Thermoplaste) können in mittelpreisigen FDM-3D-Druckern für Verbraucher und Profis verwendet werden .

Dieser Artikel dient als Einführung in den 3D-Druck von Verbundwerkstoffen. Es befasst sich mit einigen beliebten Verbundwerkstoffen und Verbunddrucktechnologien, erklärt den Unterschied zwischen Schnittfaser- und Endlosfaserverbundwerkstoffen und betrachtet die Hauptanwendungen und Vorteile von 3D-Druckverbundwerkstoffen.

Was sind zusammengesetzte 3D-Druckmaterialien?

Einfach ausgedrückt ist ein Verbundmaterial ein Material, das aus zwei oder mehr verschiedenen Materialien besteht . Der 3D-Druckspezialist für Verbundwerkstoffe Markforged definiert Verbundwerkstoffe als „aus mehr als einem Material bestehend, das in Kombination andere Eigenschaften als das ursprüngliche Material aufweist“.

Beispiele für Verbundwerkstoffe außerhalb des 3D-Drucks sind Sperrholz (Schichten aus verschiedenen Holzfurnieren) und Stahlbeton (mit Stahlstäben verstärkter Beton).

Innerhalb des 3D-Drucks sind Verbundwerkstoffe typischerweise eine Kombination aus einem Thermoplast Basismaterial (eine Matrix) und eine Verstärkung Element wie Kohlefaser, Glasfaser, Graphen, oderKevlar . (Beachten Sie, dass eine Mischung aus zwei Thermoplasten wie PLA + ABS typischerweise als Blend bezeichnet wird , kein Verbundwerkstoff.) Basismaterialien können praktisch alles sein, aber industrielle Anwender verwenden typischerweise Premium-Thermoplaste, die auch ohne Verstärkungselemente gute Materialeigenschaften aufweisen; solche Kunststoffe umfassen PC, Nylon und PEEK.

Verbundwerkstoffe können verschiedene Materialformen annehmen, am häufigsten sind gemischte Pulver für das selektive Lasersintern (SLS) und gemischte Filamente für Fused Deposition Modeling (FDM) . Weniger verbreitet, aber besonders spannend sind Verbundwerkstoffe aus einem Basismaterial in Kombination mit Endlosfasern die mit neuartigen Verfahren während des Druckvorgangs in thermoplastische Matrizen eingefädelt oder eingewebt werden können. Solche Prozesse erfordern typischerweise zwei Düsen:eine zum Auftragen des Thermoplasten und eine zum Verteilen der Endlosfasern. Schließlich gibt es auch eine begrenzte Anzahl von Verbundharzen für die Küpen-Photopolymerisation 3D-Druckverfahren wie Stereolithographie (SLA); Mit dieser Technologie können duroplastische Harzbasismaterialien um ein verstärkendes Faserskelett herum gehärtet werden.

Beliebte Verbundmaterialien für den 3D-Druck

Ob in Pulver-, Filament- oder anderer Form, Verbundwerkstoffe für den 3D-Druck werden normalerweise wegen ihrer hohen Festigkeit entwickelt , hohe Steifigkeit , gute Dimensionsstabilität , und gutes Stärke-Gewichts-Verhältnis Verhältnis. Fasern sind außergewöhnlich leicht und können die Festigkeit eines Thermoplasten drastisch verbessern, ohne dessen Masse zu erhöhen. 3D-gedruckte technische Verbundwerkstoffe können sogar als Ersatz für Metall verwendet werden.

Die Basisthermoplaste für FDM-3D-Druckverbundwerkstoffe reichen von Standardpolymeren wie PLA und ABS am billigeren Ende der Skala bis hin zu Hochleistungspolymeren wie PEEK am Premiumende. Nylon ist das Hauptmaterial, das für Verbund-SLS-Pulver verwendet wird (wie es das Hauptmaterial ist, das im Allgemeinen beim Lasersintern verwendet wird), aber Hochleistungsmaterialien wie PAEK kann ebenfalls verwendet werden.

Bei der Betrachtung von Verbundwerkstoffen insgesamt (einschließlich außerhalb des 3D-Drucks), Glasfaser ist das beliebteste Verstärkungsmaterial – und es ist auch in 3D-Druck-Verbundwerkstoffen weit verbreitet. Innerhalb der additiven Fertigung hingegen Kohlenstofffasern werden viel häufiger verwendet als Glas, da der 3D-Verbunddruck für viele kritische Anwendungen verwendet wird, bei denen die überlegene Festigkeit von Kohlenstoff die zusätzlichen Kosten wert ist. Andere 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)

Verstärkungen

• Kohlefaser
• Fiberglas
• Glasperlen
• Kevlar
• Graphen
• Andere Metalle

Beispiele für Marken-Verbundmaterialien auf dem Markt sind EOS PA 640-GSL , ein mit Glasperlen und Kohlenstofffasern verstärktes PA 12-Nylon-SLS-Pulver;CarbonX PETG+CF von 3DXTech , ein PETG-FDM-Filament, das mit gehackter Kohlefaser verstärkt ist; und Markforgeds Onyx , ein mit Kohlenstofffasern gefülltes Nylon-Basismaterial, das auch mit Endlosfasern verstärkt werden kann, indem Markforgeds proprietäre Verbunddrucktechnologie verwendet wird.

3D-Druckverfahren für Verbundwerkstoffe

Abgesehen von wenigen Ausnahmen sind die wichtigsten 3D-Drucktechnologien für den 3D-Verbunddruck das Fused Deposition Modeling (FDM), das selektive Lasersintern (SLS) und neuartige Technologien für den Endlosfaserdruck.

FDM

FDM ist das am weitesten verbreitete 3D-Druckverfahren für Kunststoffteile, und viele mittelpreisige Maschinen sind in der Lage, Verbundmaterialien wie kohlefaserverstärktes ABS zu verarbeiten. Verbundwerkstoffe für FDM bestehen aus einem thermoplastischen Basismaterial und (meist) geschnittenen, diskontinuierlichen Fasern. Diese Fasern können gedruckte Teile verstärken und versteifen, aber in größeren Mengen können sie auch das Drucken des Filaments erschweren und die Oberflächenqualität negativ beeinflussen.

SLS

SLS ist ein weiteres Kunststoff-3D-Druckverfahren, das sich für die Herstellung von Verbundteilen eignet. Aufgrund der Kosten und Komplexität von SLS-Systemen wird diese Technologie hauptsächlich von industriellen Anwendern verwendet. Materialien sind eine Mischung aus thermoplastischen Pulvern (häufig Nylon) und Verstärkungselementen wie geschnittenen Fasern oder Glasperlen. Beachten Sie, dass zusammengesetzte SLS-Pulver nicht universell sind; Hardwarehersteller wie EOS stellen Maschinen für den Verbunddruck her.

Neuartige Endlosfaserverfahren

Einer der modernsten Bereiche 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 alle Hardware für die additive Fertigung von Verbundwerkstoffen entwickelt, mit der Endlosfasern während des Druckens in thermoplastische Teile integriert werden können, typischerweise durch Zuführen von Endlosfasern in jede einzelne Schicht mit einer separaten Düse.

Schnittfaser vs. Endlosfaserverbundwerkstoffe

Verbundwerkstoffe für den 3D-Druck mit Verstärkungsfasern können in zwei verschiedene Kategorien unterteilt werden:Schnittfaserverbundwerkstoffe und Endlosfaserverbundwerkstoffe. Obwohl also zwei verschiedene Verbundwerkstoffe genau die gleichen Bestandteile enthalten können, können sie je nachdem, ob sie geschnittene oder kontinuierliche Fasern enthalten, eine sehr unterschiedliche Leistung erbringen.

• Gehackte Fasern sind winzige Stränge aus Verstärkungsmaterial wie Karbon oder Kevlar. Typischerweise weniger als einen Millimeter messend In der Länge können diese Stränge leicht in eine thermoplastische Matrix (PLA, ABS usw.) eingemischt werden, was dem gewöhnlichen Kunststoff eine erhöhte Festigkeit und Steifheit verleiht. Schnittfasern sind unglaublich nützlich, weil sie sehr vielseitig sind :Sie können mit einer Vielzahl von Thermoplasten gemischt werden, und die resultierenden Verbundstoffe können auf gewöhnlichen 3D-Druckern gedruckt werden. Wenn jedoch geschnittene Fasern in ein Basismaterial gemischt werden, nimmt jede einzelne Faser eine zufällige Ausrichtung an , wodurch das Material weniger stark ist als ein Material mit Endlosfasern.
• Endlosfasern , andererseits sind länger, unidirektional Stränge aus Verstärkungsmaterial, die, wenn sie in eine thermoplastische Matrix integriert werden, im Vergleich zu geschnittenen Fasern eine weit überlegene Festigkeit bieten. Dies liegt daran, dass eine Litze Lasten über ihre gesamte Länge aufnehmen und verteilen kann, sodass eine längere durchgehende Länge eine größere Tragfähigkeit hat als ein winziger abgehackter Strang. Erst in den letzten fünf Jahren hat sich der 3D-Druck von Endlosfaserverbundwerkstoffen durchgesetzt, wobei mehrere Hersteller ihre eigenen Technologien entwickelt haben. Unnötig zu erwähnen, dass der Druck von Endlosfaserverbundwerkstoffen teurer ist als der Druck von geschnittenen Faserverbundwerkstoffen, da dedizierte Hardware erforderlich ist.

Anwendungen von Verbundwerkstoffen

Verbundwerkstoffe haben viele Verwendungsmöglichkeiten in vielen Branchen, und die Anwendungen umfassen Prototypen , Teile für den Endverbrauch , und Werkzeuge .

Zu den Sektoren, die additive Fertigung und 3D-Druck-Verbundwerkstoffe verwenden, gehören Luft- und Raumfahrt, Automobil, Elektronik, Konsumgüter, Medizin undindustriell . Die meisten dieser Branchen verwenden den 3D-Druck von Verbundwerkstoffen, um kleinformatige Teile mit hoher Steifigkeit herzustellen (obwohl einige großformatige Extrusionshardware in der Lage ist, Verbundwerkstoffe zu drucken).

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

In Bezug auf bestimmte Technologien bietet der Endlosfaser-3D-Druck den größten Anwendungsbereich (im Vergleich zu FDM oder SLS), obwohl er noch in den Kinderschuhen steckt und nicht so weit verbreitet ist wie die Schnittfaser-3D-Drucktechniken.