Revolution im Verbundbau: Continuous-Fiber-Manufacturing mit MOI Composites

Continuous-Fiber-3D-Druck und -Ablage gewinnen an Dynamik. Mit der wachsenden Zahl von Unternehmen, die diese Technologie nutzen und vorantreiben, wird sie die Verbundstoffindustrie zweifellos nachhaltig prägen.

Drei entscheidende Vorteile

Erstens ermöglicht sie die Fertigung ohne Formen oder Werkzeuge. Zweitens bietet sie multifunktionale Strukturen (z. B. elektrische Leitfähigkeit, Formänderung, Sensorik). Drittens öffnet sie die Tür zu einer Welt hybridisierter Fertigung – etwa Laminieren auf 3D-Druck und Fräsen während des Drucks – sowie einer fast unbegrenzten Landschaft der Materialentwicklung, von Nitinol-Formgedächtnislegierungsfasern bis zu leitfähigen Nanokompositlösungen für Liquid Deposition Modeling (LDM). Letzteres ist eine Welt für sich, auf die ich in einem zukünftigen Blog zurückkommen werde.

Unternehmensgeschichte und Meilensteine

Moi Composites wurde im Februar 2018 von der Materialingenieurin und Professorin Marinella Levi, dem Designingenieur Gabriele Natale und dem Architekten Michele Tonizzo gegründet. 2013 begann Professorin Levi mit 3D-Druck am Politecnico di Milano (Mailand, Italien). Bis 2014 hatte sie das +LAB in der Abteilung für Chemie, Materialien und Chemische Ingenieurwesen „Giulio Natta“ der Universität gegründet. Ihre Vision war es, F&E, Lehre und Materialinnovation zu verbinden, indem sie Ingenieure, Designer, Forscher und Maker in einem multidisziplinären, kollaborativen 3D-Druck-Hub zusammenführte.

2014 Erstes Werkzeug für 3D-Druck von Continuous-Fiber-Duroplast-Composites
2015 Patent WO2017085649A1
2016 Partnerschaften mit Owens Corning und KUKA Robotics, Atropos-Projekt und Drucksystem
2017 JEC Innovation Award, Partnerschaft mit Autodesk, James Dyson Award Finalist, Partnerschaft mit COMAU Automation

„Wir haben Moi Composites gegründet, weil wir kommerzielle Bauteile produzieren und an internationalen Projekten beteiligt sein wollten“, erklärt Michele Tonizzo. „Wir haben festgestellt, dass es reichlich Markt gibt. Wir fertigen biomedizinische Komponenten sowie Bauteile für Marine, Oil & Gas und Luftfahrt, hauptsächlich mit Glasfaser. Die CFM-Technologie ermöglicht die Herstellung einzigartiger Lösungen, die mit traditionellen Methoden unmöglich wären.“

Bandbreite an Harzen und Fasern

Atropos demonstrierte die Fähigkeit, diskontinuierliche und continuous-faserverstärkte Duroplaste nicht nur schichtweise, sondern auch entlang nichtlinearer Kurven zu drucken. Zur Aushärtung der Polymere an Ort und Stelle wurde Ultraviolettlicht (UV) verwendet. „Wir können derzeit mit UV-härtendem Epoxid, Acryl und Vinylester drucken“, sagt Tonizzo. Er merkt an, dass Acryl sich gut für architektonische Teile eigne, da es transparent sei und keine Temperatur für Aushärtung/Nachhärtung benötige. Vinylester werde für Marine-Teile und Epoxid für Oil-&-Gas- und Luftfahrtanwendungen verwendet.

„Für manche Anwendungen ist UV-Härtung nur der erste Schritt, dann nachhärten wir konventionell mit Wärme“, beobachtet Tonizzo. „Wir sind nicht an UV-Härtung gebunden. Wir haben mit nicht-UV-härtenden Polymeren gedruckt und verstehen, dass wir für höherwertige Anwendungen andere Matrixoptionen benötigen.“ Als Referenz: Die Glasübergangstemperatur (Tg) ihres am häufigsten verwendeten Harzes, eines Vinylesters, liegt bei etwa 140 °C.

„Wir arbeiten auch mit Kohlefaser, aber nicht mit UV-härtenden Harzen“, sagt Tonizzo. Er weist darauf hin, dass sowohl Fasertransparenz als auch Farbe die UV-Härtung beeinflussen. „Das Problem bei Kohlefaser ist, dass sie opak und schwarz ist. Das ist die schlechteste Kombination. Wir wollen die beste Lösung für Kohlefaser als Material entwickeln, nicht nur die einfachste Technologie, die funktioniert. Es gibt viele andere Aushärtungsmaterialoptionen, die wir untersuchen.“

Moi Composites hat continuous Glasfaser bis 2400 tex gedruckt und testet Naturfasern. Auch Basaltfaser wurde bereits verarbeitet. „Wir können sehr gut mit UV-Härtung und Basaltfaser drucken, weil sie tatsächlich etwas transparent und eher braun als schwarz ist“, erklärt Tonizzo.

Auch elektrisch leitfähige Fasern können in der CFM-Technologie eingesetzt werden. Sie können bedarfsgerecht in die zu druckende Struktur eingebracht werden. Eines der auf der +LAB-Website gelisteten Projekte zeigt Nitinol-Fasern, eine Formgedächtnislegierung. „Man könnte damit formverändernde Strukturen herstellen“, sagt Tonizzo. „Zum Beispiel, um Spannungen auf andere Fasern abzubauen, wie bei vorgespanntem Beton.“

3D-Druck als Teil hybrider Fertigung

Atropos nutzt einen KUKA-Roboterarm mit einem Bauraum von 0,5 × 0,5 × 0,5 m Höhe. „Wir drucken jetzt auf einem Comau-Roboter mit 1,0 × 0,5 × 0,8 m Bauraum, das ist das System der zweiten Generation“, sagt Tonizzo. „Wir haben auch größere Roboter mit Rundtischen und Bauraumvolumen von 1,5 × 1,5 × 1 m Höhe genutzt und gezeigt, dass unsere Technologie leicht skalierbar ist.“

Moi entwickelt zudem einen Druckkopf der dritten Generation als All-in-One-Lösung mit System zur Faserdruckausübung, Sensoren, Schneidemechanismen und Fräswerkzeug. Tonizzo sagt, dies werde die Lücke zwischen 3D-Druck und Automated Fiber Placement (AFP) schließen. „3D-Druck erreicht nicht die Performance von AFP, aber CFM bietet mehr Flexibilität. Wir können bereits mit Fasern von 0,25 mm Dicke drucken und haben die Fähigkeit, Kurven zu erzeugen und continuous Fasern in der idealen Position zu platzieren.“

„3D-Druck sollte für das genutzt werden, was er am besten kann“, sagt Tonizzo, „was die Optimierung von Workflows einschließt. Zum Beispiel kann man einen internen Kern mit Hinterschneidungen und intelligenten Faserrichtungen 3D-drucken. Dann nutzt man übliches Handlaminieren darauf und härtet im Autoklaven oder nur mit Vakuumbeutel aus.“ Er beschreibt ein Bauteil, das konventionell mit einer Form nicht herstellbar war. „Wir druckten den internen Kern und wickelten ihn dann in Laminat und autoklavierten ihn bei 110 °C und 2 bar Druck für mehrere Stunden. Das Bauteil kam hervorragend heraus.“ Dieses Teil unterliegt einer Geheimhaltungsvereinbarung, aber Moi hat die SuPeRIOR-Prothese ähnlich hergestellt, ausgehärtet nicht im Autoklaven, sondern nur mit Vakuumbeutel (VBO). „Alle Internas nutzen eine einzige continuous Glasfaser“, erklärt er, „aber das äußere Laminat ist Handlege-Carbonfasergewebe und Epoxidharz.“ Das Gesamtdesign reduziert Durchbiegung und erhöht Individualisierung bei signifikanter Kosten- und Zeitersparnis.

Voxelbasierte Optimierungssoftware

Tonizzo erklärt, dass der Bauteildesignprozess den voxelbasierten Algorithmus von Autodesk mit Mois Algorithmen für Spannungs- und Pfadoptimierung kombiniert. Dies erzeugt den optimierten Faserpfad für die Struktur. Die Software wählt auch den am besten herstellbaren Pfad. „Das ist ein iterativer Prozess“, sagt Tonizzo. „Das Design ist nicht vollautomatisiert wie generatives Design. Es braucht immer noch Ingenieure, die Entscheidungen treffen. Aber ich denke, so sollte es sein – Designer und Software kombiniert, nicht nur KI allein.“

Multi-Material-Zukunft und starkes Marktpotenzial

Auf einem der Bilder des Atropos-gedruckten Propellerblatts ist eine Nahaufnahme zu sehen, die ein fast gewebtes Muster zeigt. „Das ist nicht tatsächlich gewebt, aber es wird bald möglich sein“, sagt Tonizzo. Er verweist auf das Sine-Wave-Projekt auf der +LAB-Website. „Die gezeigten Demonstratoren sind 3D-gedruckt in Kunststoff mit Kurzfasern und dem LDM-Prozess, während wir Forscher bei +LAB waren. Die Algorithmen, die wir damals nutzten, sind dieselben, die wir jetzt mit continuous Faser weiterentwickeln.“

Offensichtlich ist von der +LAB-Website her, dass Materialinnovationen und Möglichkeiten für diese Art des Drucks fast grenzenlos sind. Die Frage ist, was die größte Chance und das Potenzial für nachgefragte Lösungen bietet. Gleichzeitig unterstützen Materiallieferanten die Weiterentwicklung. Zum Beispiel ist Owens Corning daran interessiert, Glasfaser mit weiteren Matrizen wie Keramik und Beton zu demonstrieren. Offensichtlich ist dies sehr interessant für Bauanwendungen und könnte angesichts aktueller Trends zu digitaler Fertigung, energieeffizientem Bau, vorgefertigten Offsite-Modulen und verbesserter Nachhaltigkeit durch natürliche und recycelte Materialien, die alle Leichtbau betonen, signifikantes Potenzial haben. „Die Giulio-Natta-Abteilung am Politecnico di Milano ist in einem EU-Projekt für das Drucken von Geopolymeren, die sich wie Beton verhalten“, fügt Tonizzo hinzu. „Sie härten selbst mit der Zeit aus, haben aber während des Drucks eine Konsistenz wie Ton für besseren Fluß. Wir werden definitiv in diesem Bereich weiterarbeiten, ebenso wie mit neuen Polymeren und Fasern.“

Werden Sie Maschinen verkaufen? „Ja, aber in der Zukunft“, sagt Tonizzo. „Für jetzt produzieren wir Bauteile und bringen die Technologie in die Anlage des Kunden, nutzen unser Know-how, den Druckkopf und die Software, um Bauteillösungen on-demand zu realisieren.“ Er fügt hinzu, dass Moi Composites nach der Arbeit des vergangenen Jahres zur Technologieverbesserung mit CFM-Early-Adoptern und der Demonstration des Business Cases für viele verschiedene Bauteile in verschiedenen Märkten nun Investoren sucht, um CFM-Maschinen und -Prozesse für kommerzielle Marktchancen weiter zu skalieren.