Verbundwerkstoffe verstehen

In einem früheren Blogbeitrag haben wir die wichtigsten Unterschiede zwischen den beliebtesten 3D-Druck-Thermoplasten herausgearbeitet. Während ihre niedrige Schmelztemperatur und die generell einfache Bedruckung schnelle und einfache Teile ermöglichen, lassen Thermoplaste in Bezug auf mechanische Eigenschaften wie Festigkeit, Steifigkeit und Hitzebeständigkeit zu wünschen übrig. Glücklicherweise hat Markforged mithilfe einer Technologie ähnlich der Fused Filament Fabrication (dem beliebtesten thermoplastischen Druckverfahren) einen Weg zum 3D-Druck von Verbundwerkstoffen entwickelt, der die Eigenschaften von Thermoplasten in fast jeder Hinsicht übertrifft.

Lesen Sie unseren Designleitfaden für Verbundwerkstoffe

Was sind Verbundwerkstoffe?

Verbundwerkstoffe sind Materialien, die aus zwei oder mehr Stoffen hergestellt werden, die in ihrer Kombination Eigenschaften haben, die sich von den Originalkomponenten unterscheiden. Sie bestehen aus zwei Hauptelementen:einer Matrix und einer Bewehrung. Bei typischen Faserverbundwerkstoffen wird die Verstärkung (zum Beispiel Kohlefaser oder Glasfaser) in die gewünschte Form gebracht und dann mit einer Matrix, oft einem Epoxid oder einem Thermoplast, bedeckt, um ihre Struktur zu erhalten. Verbundwerkstoffe sind aufgrund der synergistischen Eigenschaften, die sich aus der Kombination von Materialien ergeben, von Vorteil, sodass sie Thermoplaste weit übertreffen und gleichzeitig eine niedrige Dichte beibehalten. Tatsächlich sind viele Kohlefaser-Layups mit einem Zehntel des Gewichts stärker als Stahl.

Es gibt zahlreiche Arten von Matrizen und Verstärkungen, aus denen viele verschiedene Verbundmaterialien bestehen; In diesem Beitrag werden wir uns speziell mit den 3D-gedruckten Verbundwerkstoffen von Markforged, ihren Eigenschaften und idealen Anwendungen befassen.

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3D-gedruckte Verbundwerkstoffe

Wie alle anderen Verbundteile bestehen die 3D-gedruckten Verbundwerkstoffe von Markforged aus zwei Komponenten:einer Matrix und einer Verstärkung. Unsere Matrix heißt Onyx, ein thermoplastischer Kunststoff auf Nylonbasis, und die Verstärkung ist eine unserer vier Endlosfasern. Zu diesen Verstärkungsfasern gehören Kohlefaser, Glasfaser, hochfeste Hochtemperatur-Glasfaser und Kevlar®.

Glasfaser

Fiberglas ist unsere Einstiegs-Verstärkungsfaser. Wie der Name schon sagt, besteht es aus Glasfasern, die zu einem Filament zusammengebunden sind. Glasfaser ist eine gute Verstärkungsfaser für Anfänger, da sie leistungsstark ist und gleichzeitig kostengünstig bleibt. Bei Biegung ist Fiberglas viermal stärker und elfmal steifer als ABS. Dies bietet eine effektive Möglichkeit, mit dem 3D-Druck von industriellen Werkzeugen, Vorrichtungen und Werkstücken zu beginnen, die mehr Festigkeit erfordern, als ein Thermoplast bieten könnte.

Kohlefaser

Kohlefaser ist die stärkste und steifste Verstärkungsfaser von Markforged. Mit einem Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht, das fast doppelt so hoch ist wie das von 6061er Aluminium, können 3D-gedruckte Kohlefaserteile die aus Metall gefertigten Teile übertreffen. Kohlefaser verformt sich bei Belastung auch nur minimal, wodurch sie eine Kante gegenüber Aluminium hat, das sich bei Belastung plastisch verformt.

Da die Stärke von Kohlefaser mit der von Metall konkurriert, verwenden unsere Kunden sie häufig zum Drucken von Teilen, die sie normalerweise maschinell bearbeiten würden. Dazu gehören weiche Backen, Endverwendungsteile und Produktionsformwerkzeuge.

Kevlar

Kevlar ist eine speziellere Verstärkungsfaser mit einzigartigen Eigenschaften. Es ist extrem langlebig; Kevlar-verstärkte Teile können einen Schlag aushalten, ohne zu versagen. Es ist auch die leichteste Verstärkungsfaser von Markforged mit einer um 15-20% geringeren Dichte als die anderen. Eine der bemerkenswertesten Eigenschaften von Kevlar ist seine Fähigkeit, sich plastisch zu verformen, ohne an Festigkeit zu verlieren. Kevlar-verstärkte Teile geben bei maximaler Belastung etwas nach, was zu einem allmählicheren Ausfallmodus führt. So versagt beispielsweise Kohlefaser, die steifer, aber deutlich spröder ist, bei maximaler Belastung komplett und ohne Vorwarnung. Kevlar hingegen verformt sich, bis die Fasern einzeln zu versagen beginnen, was zu einem viel vorhersehbareren Versagen führt.

Aufgrund seiner geringen Dichte und überlegenen Haltbarkeit ist Kevlar ein großartiger Kandidat für Anwendungen mit viel Bewegung und wiederholtem Kontakt mit anderen Teilen. Unsere Kunden verwenden es zum 3D-Drucken von Endeffektoren, Crashtest-Dummys, mechanischen Anschlägen und anderen Anwendungen mit variablen Lasten.

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Hochfestes Hochtemperatur-Fiberglas

HSHT-Glasfaser ist eine weitere spezielle Verstärkung. Wie der Name schon sagt, handelt es sich um eine hitzebeständige, hochfeste Version von Fiberglas. Es behält seine Steifigkeit bei Temperaturen bis zu 300 Grad Fahrenheit. HSHT weist auch eine unglaubliche Schlagzähigkeit auf:30-mal höher als bei ABS und über 100-mal höher als bei PLA. Darüber hinaus ist HSHT-Glasfaser unsere elastischste Faser; es verbiegt sich, wenn es belastet wird, und kehrt dann in seine ursprüngliche Form zurück, wenn die Last entfernt wird. Dies ist eine vorteilhafte Eigenschaft für Teile, die eine wiederholte Biegung ohne bleibende Verformung erfordern.

Die obigen Eigenschaften verleihen HSHT, einer plastischen Verformung während des wiederholten Einspannens und des thermischen Schocks bestimmter Herstellungsverfahren zu widerstehen. Unsere Kunden verwenden HSHT zum 3D-Drucken von Schweißvorrichtungen, Thermoformen, Duroplastformen, Spritzgusseinsätzen, Blasformen und Teilen für andere hochschlagfeste Hochtemperaturanwendungen.

Komposit-3D-Druck

Der 3D-Verbunddruck gibt Designern und Ingenieuren die Möglichkeit, eine Vielzahl von Materialeigenschaften für Anwendungen während des gesamten Herstellungszyklus zu nutzen. Die speziellen Eigenschaften der vier Fasern, die wir in diesem Beitrag behandelt haben, eröffnen Möglichkeiten, die additive Fertigung dort anzuwenden, wo sie noch nie zuvor bestand.

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