Ultra-Hochfaser 3D-gedruckte Composites: 60 % Fasergehalt & <1 % Poren

„Unser Hauptziel ist die Produktion struktureller Continuous-Fiber-Composites für die Industrie“, sagt 9T Labs (Zürich, Schweiz) Co-Gründer Giovanni Cavolina. „Spricht man mit Leuten, die CFK-Teile fertigen, glauben die meisten nicht, dass es möglich ist, super-niedrigen Porengehalt oder gute Interlaminare Scherfestigkeit (ILSS) zwischen Schichten mit Continuous-Fiber-3D-Druck zu erreichen.“ 9T Labs hat jedoch einen patentierten Nachprozess entwickelt, der Poren eliminiert. „Wir können jetzt Continuous-Fiber-Composites 3D-drucken mit hervorragender Haftung zwischen Schichten und Porengehalt unter 1 Prozent, was mit konventionell gefertigten Composites konkurriert.“

Beginn an der ETH Zürich

9T Labs startete mit einem Forschungsprojekt im Laboratory of Composite Materials and Adaptive Structures (CMAS) an der ETH Zürich. Cavolina und 9T Labs Co-Gründer Martin Eichenhofer und Chester Houwink hatten einen Composite-Druckkopf entwickelt, „den wir auf einen Roboterarm montierten und Gitterkerne für ultraleichte Sandwichstrukturen für Luftfahrtanwendungen fertigten“, erklärt Cavolina.

CarbonKit war ein limitiertes Release-Produkt, das Standard-FDM-Drucker für Continuous Carbonfaser nutzbar machte, aber noch nicht die richtige Lösung für kosteneffiziente, industrielle CFK-Strukturteile war. QUELLE: 9T Labs.

CarbonKit

So wurde 9T Labs Anfang 2018 gegründet, um das Konzept des 3D-Drucks monolithischer CFK-Laminate zu beweisen, die potenzielle Kundenanforderungen erfüllen könnten. „Unser nächster Schritt war der CarbonKit“, sagt Cavolina. Dieses Produkt ist in CWs März-2019-Artikel „Moving continuous fiber 3D printing into production“ vorgestellt. Der CarbonKit verwandelt Ultimaker- oder Prusa-3D-Drucker in ein System, das mit Continuous Carbonfaser drucken kann. „Es ermöglicht, bestehende Drucker in Kombination mit unserem Druckkopf, Filamenten und Software einzusetzen, um Continuous Fasern lastfallgerecht zu platzieren, mit 50 % Carbonfaser-Volumengehalt – nicht 30 %, was bisher der Standard im CFK-3D-Druck war“, fügt er hinzu.

Cavolina erklärt, dass obwohl das Interesse an diesem Produkt groß war, „wir nur 25 Kunden belieferten. Wir hielten dieses Produkt limitiert, weil wir erkannten, dass mit nur einem einstufigen FDM-Prozess [Fused Deposition Modeling] keine strukturellen Endverwendungs-Teile für industrielle Luftfahrtanwendungen möglich sind, die auch kosteneffizient mit aktuellen Technologien konkurrieren.“

Durch den CarbonKit baute 9T Labs jedoch wertvolle Kundenbeziehungen auf. „Wir konnten lernen, was Unternehmen erwarteten und brauchten, obwohl diese Teile mit dem CarbonKit tatsächlich nicht produzierbar waren“, erklärt er. „In-situ-Konsolidierung ist zwar mit FDM möglich, würde aber weitaus komplexere, kostprohibitive Maschinen erfordern. Also entwickelten wir einen 2-Stufen-Prozess mit Nachdruck-Konsolidierung.“

Mit Red Series hat 9T Labs 3D-gedruckte CFK-Strukturen mit >50 % Faseranteil und <1 % Poren zu erschwinglichen Kosten vs. aktuellen Composite-Fertigungsmethoden erreicht. QUELLE: 9T Labs.

Red Series, 2-Stufen-Prozess

Das bringt uns zu 9T Labs heute. „Wir kommerzialisieren die Red Series, die aus zwei Einheiten besteht: einer klassischen FDM-Druckeinheit mit patentiertem Druckkopf und einer angrenzenden Fusion Unit für Nachbearbeitung“, erklärt Cavolina. „Wir erreichen keine vollständige In-situ-Konsolidierung während des Drucks, sondern drucken und konsolidieren dann in einem zweiten Prozess. Im Grunde drucken wir ein Preform, das in der Fusion Unit unter hoher Temperatur und Druck nachkonsolidiert wird, um mehr als 50 % Faser-Volumengehalt mit weniger als 1 % Poren zu erreichen. Dieser 2-Stufen-Prozess erreicht Luftfahrtqualität zu erschwinglichen Kosten.“

Die Red Series nutzt derzeit thermoplastische Materialien. „Wir drucken Carbonfaser mit PEI, PEKK, PA (Nylon) und haben Erfahrung mit PP“, sagt Cavolina. Ist die Red Series ein Open-Material-System? „Der einzige Weg, kosteneffizient zu sein, ist, bestehende Materialien mit einem neuen Fertigungsprozess zu nutzen“, erklärt er. „Wenn man sein eigenes Material von Grund auf neu entwickelt, schließt man die Möglichkeit aus, in Serienfertigung zu gehen. Aus Lieferkettensicherheits- und Zuverlässigkeitsgründen werden Serienfertiger nicht auf ein kleines Unternehmen für ihre Materialien setzen. Also lassen wir unsere Kunden ihre bestehende Materialversorgung nutzen, indem wir sicherstellen, dass die Materialien in unserem System funktionieren.“ Er erklärt, dass 9T Labs die Materialien testet, um sicherzustellen, dass der Feedstock bestimmte Anforderungen erfüllt und die besten Druckparameter bestimmt.

Was ist mit Open Software? „Unsere Drucksoftware ist mit einer strukturellen Simulationssoftware kombiniert“, sagt Cavolina. „Es ist großartig als Ingenieur, Fasern dort zu platzieren, wo sie gebraucht werden, aber wie kann man sicher sein, dass dies tatsächlich der richtige Ort ist? Unsere Software gibt die Freiheit zu designen und dann mit einer strukturellen Simulation zu kreuzvalidieren. Die andere Richtung ist, einen faserorientierten Layup in einer strukturellen Simulation zu definieren und ihn dann in einen Druckpfad in unserer Software zu konvertieren. Wir nutzen einen bestehenden, bewährten Partner für die FEA, die im Hintergrund läuft. Man kann auch direkt ein Teil in CAD designen und die Datei in unser Programm hochladen. Dort entscheidet man, wo Carbonfaser und wo reines Polymer ausreicht.“

Dieser CFK-Bracket und Kipphebel für Nicht-Luftfahrtanwendungen erfüllen tatsächlich Luftfahrt-Laminatanforderungen und weisen mehr als 40 Lagen auf – jede Lage mit anderer Faserorientierung, um Anisotropie auszunutzen und strukturelle Teile zu optimieren, die zuvor nicht möglich waren. QUELLE: 9T Labs.

Anwendungen

9T Labs verfolgt Luftfahrt (zunächst Interiors), Biomedizin und Industrieautomation (z. B. Verpackungsmaschinen) sowie Freizeit/Luxus (z. B. Motorsport, Sportschuhe, Brillen). Letzterer Markt, so Cavolina, „ist dort, wo man strukturelle Composites braucht, aber die Anforderungen nicht so streng sind wie in der Luftfahrt.“ Er verweist auf den oben gezeigten Kipphebel. „Das ist ein Bracket für eine nicht-luftfahrtstruktur, das eine strukturelle Applikation darstellt, die man mit unserer Technologie optimiert produzieren kann“, erklärt er. „Es stammt von einem Aluminiumteil, das topologieoptimiert wurde, um Gewicht zu sparen, indem Carbonfasern lastfallgerecht orientiert werden. Man spart Kosten, weil man die Menge an Carbonfaser gegenüber anderen Composite-Prozessen reduzieren kann. Man kann es nicht mit anderen Methoden fertigen, weil es nicht möglich ist, jede Faser so hochauflösend zu orientieren, wie man es braucht.“

Vier verschiedene Continuous-Carbonfaser-Layups werden im CFK-Bracket, gedruckt mit 9T Labs Red Series, über die Dicke abwechselnd geschichtet. QUELLE: 9T Labs.

Cavolina merkt an, dass dieser Kipphebel mehr als 40 Lagen aus Faser und Polymer umfasst, „und wir können in jeder Lage eine andere Faserorientierung haben. Wir testeten vier verschiedene Layups, nicht beschränkt auf quasi-isotrop. Diese Freiheit erlaubt uns, die Anisotropie von Composites weiter auszunutzen, um das Endverwendungs-Bauteil zu optimieren. Das wäre mit aktuellen Fertigungsmethoden nicht möglich.“

Er weist auch darauf hin, dass 3D-Druck von CFK ein automatisierter Prozess im Vergleich zu Handlaminieren ist. „Unsere Technologie reduziert manuelle Arbeit drastisch durch automatisiertes Laminieren“, sagt Cavolina. „Mit unserer Technologie druckt man nur, konsolidiert und ist fertig.“

Die Red Series druckt kleinere, komplexe, monolithische CFK-Preforms, die dann in einem zweiten Schritt für skalierbare industrielle Serienproduktion konsolidiert werden. QUELLE: 9T Labs.

Red Series Druckgröße, Geschwindigkeit und Voll-Launch

Die Red Series zielt auf kleinere, monolithische Teile für Serienfertigung innerhalb eines Druckbereichs von 350 mm × 300 mm. „Hier sehen wir aktuell den höchsten Mehrwert für unsere Kunden“, erklärt Cavolina.

Was ist mit Druckgeschwindigkeit? „Wir sprechen sehr konkret davon, in den nächsten 1–2 Jahren 4.000 bis 8.000 Teile pro Jahr für verschiedene Kunden zu produzieren, erreicht mit den Red Series Twin-Units“, sagt Cavolina. „Weil wir Produktion komplexer, detaillierter Preforms von der Konsolidierung entkoppelt haben, ist es nun möglich, Produktionsvolumen schnell hochzufahren.“

„Wir haben viel Zeit in die Analyse der Kostenstruktur unseres Prozesses investiert, einschließlich Equipment-, Arbeits- und Materialkosten“, antwortet er. „Wir haben eine erschwingliche Equipment-Kostenstruktur und haben den Preforming-Prozess automatisiert. Wir nutzen die erschwinglichsten und effizientesten Materialien und reduzieren dann den Materialbedarf durch lastfallgerechte Faserorientierung und strukturelle Optimierung. Wir arbeiten eng mit Partnern in struktureller und Prozesssimulation zusammen und sehen, dass dies weiter wachsen wird als großer Teil des Produktionsziels, Digital-Twin-Technologie zu nutzen für Plug-and-Play mit 4.0-Produktionslinien und -Zellen.“

Die Red Series wird 2020 starten. „Aktuell evaluieren wir sie durch unsere Kollaborationsprogramme mit Produktionspartnern. Wir zertifizieren Teile und Prozesse mit ihnen, sodass sie die ersten Slots für Red Series Maschinen reserviert haben und diese zur Herstellung ihrer Endprodukte nutzen werden.“