Fortschritt bei additiven Verbundwerkstoffen: Trends, Technologien und zukünftige Richtungen

Im Oktober 2020 berichtete CW über 3D-Druck von Verbundwerkstoffen mit Endlosfasern und lieferte eine Übersicht der entwickelten Technologien sowie eine Klassifizierung der verwendeten Prozesse. Letztere wurde von Alexander Matschinski beigetragen, Forschungsassistent und Experte für Additive Fertigung an der TU München und dem Lehrstuhl für Carbon Composites (LCC, München, Deutschland).

CW arbeitet erneut mit dem LCC zusammen, diesmal um die größere Landschaft der additiven Verbundwerkstofffertigung (ACM) zu betrachten, insbesondere Prozesse, die an der Schnittstelle zwischen konventioneller Verbundwerkstofffertigung und additiver Fertigung (AM) entwickelt werden. „Wir sehen immer mehr Technologien, die außerhalb unserer Klassifizierungen für Endlosfaser-3D-Druck liegen, sondern stattdessen automatisierte Verbundwerkstofffertigung mit AM kombinieren und neue Lösungen bieten, die bisher nicht möglich waren“, bemerkt LCC-Forscher Thomas Wettemann.

Das LCC selbst verwischt die Grenzen zwischen traditionellen Prozessen und 3D-Druck, indem es automatisiertes Faserlegen (AFP) und Filamentwickeln (FW) mit extrusionsbasierter ACM kombiniert (siehe „Zukünftige Verbundwerkstofffertigung – AFP und additive Fertigung“). „Wir bewegen uns auch vom traditionellen Extrudieren von Thermoplasten zum 3D-Druck mit Duroplasten, indem wir Technologien, die wir für Harzinjektionsformen [RTM] entwickelt haben, anpassen und mit Ultraschall kombinieren“, sagt Dr. Swen Zaremba, stellvertretender Leiter des LCC. Gleichzeitig arbeitet das LCC an der Entwicklung von Standards für ACM und der Verbesserung seiner Materialien und Prozesse.

Hinweis: Es gibt eine noch breitere ACM-Landschaft, die gehackte fasergefüllte Filamente umfasst, die mittels Fused Deposition Modeling (FDM) extrudiert werden, pulverförmige Fasermaterialien, die mittels Selektiven Lasersinterns (SLS) verarbeitet werden, und hochspezialisierte Bauteile mit magnetisch ausgerichteten Füllstoffen und Digital Light Processing (DLP), letztere entwickelt von Fortify (Boston, Mass., USA). Diese Prozesse produzieren tatsächlich Verbundwerkstoffbauteile und eröffnen neue Märkte und Anwendungen, aber diese Diskussion bleibt im Bereich der Endlosfaserverstärkung.

Was ist ACM?

„Wir führen diese Diskussion meist zuerst, ebenso wie die Motivation für die Entwicklung dieser neuen Technologien“, sagt Zaremba. Wie Wettemann in einer SAMPE-Präsentation im Januar 2019 erklärte, liegt die Motivation in der kosteneffizienten Produktion jenseits der Massenfertigung – einschließlich Losgröße eins –, die auch Ressourcen schont, Abfall minimiert oder eliminiert und umwelt- und klimafreundlich ist. „Es bietet auch einen Weg, die Verbundwerkstoff-Prozesskette vollständig zu digitalisieren“, fügt er hinzu. „Es ist der erste Schritt auf dem Weg jahrzehntelanger Veränderungen.“

Schlüsselkomponenten der LCC-Definition von ACM umfassen:

• Lange Prozessketten reduziert auf einzelne „Verarbeitung in einer Box“
• Globale Konsolidierung/Polymerisation ersetzt durch lokale Materialbehandlung und wiederkehrende Wärmebehandlung
• Werkzeuglose Fertigung

„ACM konzentriert früher lange Prozessketten in mehr oder weniger einen einzelnen Punkt, eine Art Fertigung in einer Box“, sagt Zaremba. Daher fügt Matschinski hinzu: „Sie verarbeiten die Materialien und geben dem Bauteil seine Form inside that box und ohne Formwerkzeug.“ Beide stimmen zu, dass die „Box“ eine sehr große ACM-Zelle sein kann, zum Beispiel die SCRAM-Zelle, die 2020 von Electroimpact (Mukilteo, Wash., USA) vorgestellt wurde. „ACM kann auch außerhalb einer einzelnen Box eingesetzt werden“, sagt Zaremba, „zum Beispiel unsere Arbeit, um lokale Verstärkung und kleinere Merkmale zu größeren AFP-Bauteilen hinzuzufügen.“

Wettemann merkt jedoch an: „Wir sehen jetzt Beispiele für die gesamte Verbundwerkstoff-Prozesskette, die in einer automatisierten Linie oder Zelle enthalten ist, aber das ist nicht das, was wir als ACM definieren würden.“ Die SCRAM-Zelle hingegen hat die Fähigkeit, Material zu verarbeiten und Form zu geben, ohne Werkzeuge, indem sie einen In-situ-Konsolidierungs (ISC) thermoplastischen AFP-Kopf mit einem Fused Filament Fabrication [FFF, ein anderer Begriff für FDM] 3D-Druckkopf kombiniert. „Für uns war diese In-situ-Konsolidierung mittels AFP tatsächlich der Beginn von ACM am LCC, weil man das ausgehärtete/konsolidierte Verbundwerkstoffmaterial erzeugt, während man Platzierung oder Laminierung durchführt“, sagt Zaremba.

Dies bringt uns zum zweiten Schlüsselpunkt in der LCC-Definition von ACM. „Früher hatte man immer einen globalen Konsolidierungsschritt und idealerweise die gleiche Materialbehandlung und -historie über das Bauteil, da es in einem Autoklav, Ofen, beheiztem Werkzeug oder Presse geformt wurde“, erklärt Zaremba. „Mit ACM führen wir diese Wärmebehandlung und Konsolidierung auf lokaler Basis durch, während wir das Bauteil aufbauen.“

Wettemann weist darauf hin, dass ISC einen Einstiegspunkt von der automatisierten Verbundwerkstofffertigung in die Welt der AM bot, „aber dies stellt auch echte Herausforderungen für Materialien und Verarbeitung dar, weil diese lokale Materialbehandlung auch eine wiederkehrende Wärmebehandlung ist. Beachten Sie, dass wir am Anfang nur Spritzgussmaterialien für den 3D-Druck adaptierten. Dann erkannten wir, dass dies nicht wirklich für FFF-Druck optimiert ist. So begannen Unternehmen, Materialien für ihre Drucksysteme zu modifizieren, um mit dem wiederkehrenden Erhitzen und Abkühlen der Harze, der erforderlichen Geschwindigkeit und der Notwendigkeit, Schichten zusammen haften zu lassen sowie Verzug zu vermeiden, umzugehen. Letzteres ist auch der Grund, warum immer mehr Unternehmen bestrebt sind, Endlosfasern einzubeziehen.“

Die Integration von Endlosfasern schafft jedoch auch Probleme. „Das ist ein Grund, warum wir zu ACM hingezogen wurden“, sagt Zaremba. „3D-Druckprozesse versprachen viele Ergebnisse, aber die Ergebnisse lieferten nicht die Qualität, die wir für strukturelle oder Luft- und Raumfahrtanwendungen erwarten. Wir konnten eine Lücke zwischen fortschrittlichen Verbundwerkstoffen mit Endlosfasern und dem, was AM-Technologien liefern können, sehen. Das LCC zielt darauf ab, diese Welten zusammenzubringen und das versprochene Potenzial zu realisieren, aber auch Technologien zu kombinieren, um neue Lösungen zu erreichen.“

Verschmelzung zweier Welten

Das LCC sieht viele solcher neuen Lösungen, zum Beispiel den Additive Molding Prozess, der von Arris Composites (Berkeley, Kalifornien, USA) entwickelt wurde, und die Fusion Bonding Zelle für 3D-Druck, die von 9T Labs (Zürich, Schweiz) entwickelt wurde, beide sind Hochvolumenprozesse. „Keiner dieser Prozesse gibt die endgültige Bauteilform innerhalb des additiven Prozesses, sondern verwendet eine Art Form und einen zweiten Schritt in dieser Form“, sagt Matschinski. „Also entspricht dies nicht unserer Definition von ACM. Dennoch präsentieren beide interessante Lösungen, die traditionelle Verbundwerkstofffertigung und AM-Technologien kombinieren.“

„9T Labs nutzt definitiv 3D-Drucker“, bemerkt Wettemann, „aber um ein Preform zu erstellen, das dann in einem digitalisierten Formprozess zu leichten thermoplastischen Verbundwerkstoffkomponenten verarbeitet wird, die völlig neu sind und Märkte ansprechen, die zuvor keine Verbundwerkstofftechnologie nutzen konnten.“ Hier bezieht er sich auf das Ziel von 9T Labs, Metalle in Bauteilen zu ersetzen, wo Spritzguss nicht genug Leistung liefern kann. „Am LCC haben wir auch erforscht, wie man Endlosfasern in den Spritzguss einführen kann, aber es ist ziemlich schwierig, eine präzise Positionierung von Endlosfasern im Spritzprozess zu erreichen.“ Im Gegensatz dazu bietet die Technologie von 9T Labs eine scheinbar einfach zu implementierende Fertigungsmethode für Hochleistungsbauteile.

Arris Composites verfolgt einen anderen Ansatz, erreicht aber ein etwas ähnliches Ziel, allerdings mit dem Ziel, Bauteilvolumen um eine Größenordnung höher zu erreichen. „Wir ermöglichen nicht nur die Hochvolumenproduktion von Endlosfaserbauteilen, sondern fügen auch Multifunktionalität hinzu, die dynamische Bauteilkonsolidierung freischaltet“, sagt Riley Reese, Mitbegründer und CTO von Arris Composites. „Zum Beispiel haben wir eine 17-Komponenten-Baugruppe in ein einzelnes Bauteil verwandelt, während wir die Festigkeit erhöht und Eigenschaften wie Funktransparenz hinzugefügt haben. Wir sind kosteneffizient im Vergleich zu Pressformen – zum Beispiel SMC [Sheet Molding Compound] – aber mit der Leistung von Endlosfasern.“

Direkte vs. indirekte ACM

Zurück zur LCC-Definition von ACM erkennt die dritte Schlüsselkomponente die Debatte zwischen Fertigung mit und ohne Formwerkzeug an. „Direkte Ansätze sind dort, wo die endgültige Form aus dem Druck kommt – ich habe nie ein Werkzeug“, sagt Wettemann. „Der Vorteil ist, vollständig frei von Werkzeugherstellung zu sein. Solange wir Formen haben, sprechen wir von indirekten Prozessen oder von konventionellerer Verbundwerkstofffertigung, die dann durch AM-Technologien unterstützt wird.“

Wettemann merkt an, dass solche Hybridansätze helfen, Faktoren wie Konsolidierung und Werkzeugbau anzugehen, die die Kosten und Zeit der traditionellen Verbundwerkstofffertigung erhöhen. „Wir sahen Entwicklungen vom Digital Manufacturing and Design Centre an der Singapore University of Technology und von Mikrosam [Prilep, Mazedonien] von 2015 bis 2017, wo automatisierte Roboter entwickelt wurden, um fortschrittliche Verbundwerkstoffbauteile in einem AFP-ähnlichen Prozess aber ohne Werkzeug herzustellen“, erklärt er. „Also geht dies in Richtung ACM, da beide Ansätze in der digitalen Fertigung im freien Raum ohne Werkzeug erfolgreich waren, aber weitere Entwicklung ist noch nötig. Die Reduzierung des Werkzeugbedarfs ist entscheidend, weil dies auch neue Möglichkeiten für die Fertigung von Verbundwerkstoffkomponenten und die Art der herstellbaren Komponenten bietet.“ Zum Beispiel sind die sehr organischen Lastpfade, die durch Topologieoptimierung und generative Design-Software ausgegeben werden, tatsächlich auf die Effizienz biologischer Strukturen wie Knochen und Bäume ausgerichtet, aber sie sind mit Endlosfasern sehr schwierig herzustellen.

Zukünftige Entwicklungen am LCC

„In der direkten Bauteilfertigung sehen wir das Gleiche, was Sie in Ihrer Landschaft zeigen, dass die Grenzen verschwimmen und wir uns einem viel stärker hybriden Fertigungsansatz nähern“, sagt LCC-Forscher Patrick Consul (siehe „3D-Druck von CFRP-Formen für RTM Flaperon, Exoskelette und mehr“). Anfang dieses Jahres absolvierte sein Team erste Versuche eines hybriden Ansatzes, der Materialextrusion und gerichtete Energieablagerung [DED] mit einem laserbasierten Prototypmaschine kombiniert, um auf vorkonsolidierten Laminaten und sehr großen 3D-Drucken ohne beheizte Kammer zu drucken. „Wir arbeiten auch daran, ACM mit Fräsen und AFP zu kombinieren, was wirklich gute Passformen sind, weil sie alle auf komplexen Werkzeugpfaden basieren“, sagt er. „Der Übergang zwischen ihnen wird ziemlich einfach und man braucht nicht viel zusätzliche Schulung.“ Damit wird die Prozesskette verkürzt, digitalisiert und vereinfacht.

Das LCC treibt den hybriden Ansatz auch voran, indem es Technologien kombiniert, die für RTM und 3D-Druck entwickelt wurden. „Das Ergebnis ist ähnlich wie Aushärten on the fly, aber wir wollten weg von UV-härtenden Harzen, weil sie etwas zu teuer sind, wenn man größere Bauteile bauen will“, erklärt Zaremba. „Stattdessen nutzen wir eine neuartige Ultraschall-Mischtechnik, die wir für RTM entwickelt haben und jetzt für den Einsatz in einem typischen Extruder mit kostengünstigen, schnell härtenden Epoxiden adaptieren, die für die Automobilindustrie entwickelt wurden.“

Matschinski erklärt diese Technologie weiter: „Wir nutzen die Ultraschallschwingung, um das Epoxidharz fast augenblicklich zu mischen und zu härten, während wir das imprägnierte Faser während des Druckens ablegen.“ Wie unterscheidet sich dies von den Ultraschallanwendungen, die vom DLR-Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik in Braunschweig, Deutschland, verwendet werden (siehe „Kostenreduzierung bei Endlosfaser-3D-Druckmaterialien“)? Matschinski erklärt: „DLR nutzt die Ultraschallschwingung zur Verbesserung der Infiltration einer thermoplastischen Matrix in die gespreizten Fasern, um Endlosfaser-verstärkte 3D-Drucker-Filamente zu erstellen, die dann mit konventioneller Materialextrusion gedruckt werden. Wir nutzen Ultraschall zum Aushärten eines Endlosfaser-verstärkten Duroplast-Filaments.“

„Organisationen wie Arris Composites, 9T Labs und unsere Teams hier am LCC sind interessant, weil sie Wurzeln und Mitarbeiter sowohl aus der Verbundwerkstoffwelt als auch aus der AM-Welt haben“, sagt Wettemann. „Sie kommen zusammen, um neue Technologien zu schaffen, die jetzt helfen können, uns weg von einer zukünftigen Wirtschaft zu bewegen, die potenziell ressourcen- und wachstumsbegrenzt ist und mit der Klimakrise kämpft. Sie bieten einen Weg zu benötigten Lösungen.“