Kevlar vs. Carbon Fiber: Wichtige Unterschiede & Materialperformance

Sowohl Kevlar® als auch Carbon Fiber haben interessante Geschichten, die Materialexploration und Innovation zeigen. Bei Markforged lieben wir es, Materialien und ihre Kombinationen zu erforschen, neues Potenzial freizusetzen und die Entwicklung von Innovationen in der additiven Fertigungsindustrie anzuführen. Wir sind der Leader im 3D-Druck kontinuierlicher Faserstränge mit unserem patentierten CFF-Prozess (Continuous Filament Fabrication), der kontinuierliche Faserstränge in ein FFF-Onyx-Teil einlegt, um Kunststoffteile effektiv mit Metallfestigkeit zu verstärken. Dies erhöht die Haltbarkeit und Lebensdauer eines Teils massiv und optimiert das Festigkeitsprofil, indem Fasern dort hinzugefügt werden, wo Festigkeit am meisten gebraucht wird.

Kevlar

Was denken Sie, wenn Sie Kevlar hören? Die meisten denken an kugelsichere Westen. Vielleicht nicht an DuPont™, aber dieses Material wurde 1964 von der polnisch-amerikanischen Chemikerin Stephanie Kwolek bei DuPont™ entwickelt.

Wussten Sie, dass Kevlar in vielen Branchen Anwendung findet? Alltägliche Beispiele:

• Autoreifen und Fahrradreifen
• Gewichtsplatten
• Segel und Seile
• Handschuhe, Socken, Gepäck
• Arbeitsschuhe
• Bremsbeläge
• Schutzausrüstung
• Dichtungsmittel

Kevlar ist eine synthetische Faser aus der Aramid-Fasergruppe, die hitzebeständig ist. Kevlar und Nomex gehören zu dieser Gruppe. Synthetische Fasern werden durch chemische Synthese hergestellt, im Gegensatz zu Naturfasern aus lebenden Organismen. Sie entstehen durch Extrudieren faserbildender Materialien durch Spinndüsen.

Kevlar hat einen Hochmodul-Typ, primär genutzt in Glasfaserkabeln, Textilverarbeitung, Seilen, Kabeln, Kunststoffverstärkung und Composite-Anwendungen für Luftfahrt, Automotive, Verteidigung, Energie, Konsumgüter, Elektronik, Medizintechnik und Schwerindustrie. Das Naval Facilities Engineering Command erforschte Kevlar-Seilfähigkeiten für Meeresbau und -engineering, was zu innovativen Designs und Anwendungen führte, bereitgestellt durch Kevlars unglaubliche Zugfestigkeit und Auftrieb. Kevlar-Faser hat eine Zugfestigkeit vergleichbar mit Carbon Fiber, einen Modul zwischen Glas- und Carbonfasern und geringere Dichte als beide.

Kevlar-Aramid wird für Hochleistungs-Composite-Anwendungen genutzt, wo Leichtgewicht, hohe Festigkeit und Steifigkeit, Schadensresistenz, Ermüdungs- und Spannungsrissbeständigkeit wichtig sind. Markforged stellt fest, dass die Verstärkung von Onyx, Onyx FR und sogar Nylon White mit Kevlar Ingenieuren und Teile-Designern ermöglicht, extrem vielseitige Teile zu schaffen. Kevlar kann signifikante Änderungen in Tieftemperaturumgebungen bis -196 °C (320 °F) durchlaufen ohne Versprödung oder Degradation, und Elektronenstrahlung schadet Kevlar nicht. Allerdings ist Kevlar empfindlich gegen UV-Licht.

Designer können Teile entwickeln, die sicher, stark, steif, leicht und tolerant gegenüber Umwelt, Anwendung und Belastung sind, indem sie mit Continuous Fibers drucken. Durch CFF-Prozess-Design können Designer Kevlars Zugfestigkeit (Dehnen/Ziehen) nutzen, die über achtmal höher ist als die von Stahldraht.

CFF-Verstärkung ermöglicht jedem Designer, Composite-Teile mit Metallfestigkeit zu bauen, die Haltbarkeit (Lebensdauer) zu erhöhen und die Festigkeit dort zu optimieren, wo sie am meisten gebraucht wird. Kevlar hat auch einen sehr langen plastischen Verformungsbereich und versagt Strang für Strang – es biegt oder kippt statt zu brechen. Es hat einen viel vorhersehbareren und verzeihenderen Versagensmodus im Vergleich zu anderen Fasern wie Carbon Fiber.

Einzigartige Eigenschaften von Kevlar-Fasern:

• Sehr geringe Dehnung
• Hohe Zugfestigkeit
• Sehr hohes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis
• Exzellente Ermüdungsbeständigkeit
• Gute Performance über großen Temperaturbereich
• Schmilzt nicht; zersetzt bei 427–482 °C (800–900 °F)
• Niedriges Kriechen
• Kein Schwinden
• Gute chemische Stabilität
• Hoch abrasionsbeständig
• Schwache Festigkeit in Transversalrichtung (schwach in Druckfestigkeit)
• Am wenigsten katastrophaler Versagensmodus aller Markforged-Filamente

Schlagfestigkeit

Kevlar ist 8× schlagfester als ABS, während es 15–20 % leichter ist als unsere anderen Verstärkungsfasern.

Biegefestigkeit

Im 3-Punkt-Biegetest ist 3D-gedrucktes Kevlar 3× stärker als ABS und 6× stärker als Nylon.

Biegesteifigkeit

3D-gedrucktes Kevlar ist 12× steifer als ABS und 30× steifer als Nylon.

Kevlar besitzt exzellente Haltbarkeit, optimal für Teile mit wiederholten und plötzlichen Belastungen. So steif wie Fiberglas und viel duktiler, einsetzbar für vielfältige AM-Anwendungen:

• Sportschuhe
• Robotik und Halterungen
• Endeffektoren/Greifer
• Smartphone-Hüllen, Consumer Electronics
• Hydraulisch/pneumatisch angetriebene Teile
• Schutzausrüstung, Helme; Combat, Motorrad
• Bremshebel, Klemmen, Halterungen
• Vorrichtungen, Werkzeuge, Spannbacken, Soft Jaws
• Zahnräder, Schraubenschlüssel, Drohnen
• Sportartikel & Zubehör, Karabiner
• Endverbrauchsteile, Konsumprodukte, etc.

Dixon Valve Greifer werden mit Onyx gedruckt und mit Kevlar verstärkt. Das Material muss stark genug sein, um Klemmkraft zu übertragen, dauerhaft bei wiederholten Lastzyklen und nicht-marring für die Ventile.

Composites im 3D-Druck nutzen die Druckfestigkeit der Kunststoffmatrix – die Stützstruktur, die den Großteil des Teilvolumens ausmacht – und die Zugfestigkeit eingebetteter Fasern. Diese zwei Materialien sind gegenseitig abhängig: ohne Faser ist das Kunststoffteil nur so stark wie die Adhäsion innerhalb und zwischen extrudierten Kunststoffsträngen. Ohne Matrix hat die Faser keine Struktur und hält ihre Form nicht. Die Matrix schafft Raum, damit die Faser einen Hebelarm hat, um gegen die Last zu stabilisieren. Kombiniert synergisieren sie zu einem Composite mit größerer Festigkeit in Druck und Zug als jedes einzeln. Dies gilt für all unsere Fasern: Kevlar, Carbon Fiber, Fiberglas, HSHT Fiberglas.

Nun erkunden wir Carbon Fiber genauer.

Carbon Fiber

Carbon-Fiber-Filament besteht aus Kohlenstoffatomen in kristalliner Struktur. Aufgrund extrem hoher Steifigkeit und Festigkeit weit verbreitet in Luftfahrt und Automotive. Es hat eines der höchsten Festigkeits-Gewichts-Verhältnisse – höher als Stahl und Titan.

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Festigkeits-Gewichts-Verhältnis

Verglichen mit 6061 Aluminium hat 3D-gedrucktes Carbon Fiber ein 50 % höheres Festigkeits-Gewichts-Verhältnis in Biegung und 300 % höheres in Zug.

Biegefestigkeit

Im 3-Punkt-Biegetest ist unser 3D-gedrucktes Carbon Fiber 8× stärker als ABS und 20 % stärker als die Streckgrenze von Aluminium.

Biegesteifigkeit

3D-gedrucktes Carbon-Fiber-Filament ist 25× steifer als ABS und 2× steifer als die übrigen Markforged-Verstärkungsfasern.

Carbon-Fiber-Materialeigenschaften:

• Markforged 3D-gedrucktes Carbon Fiber entspricht der Streckfestigkeit von 6061 Aluminium
• Es versagt bei der Spannung, bei der Aluminium anfängt, plastisch zu verformen
• Carbon Fiber kehrt nach Lastentfernung in Originalform zurück, Aluminium verformt sich plastisch
• Hohe Steifigkeit und hohes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis
• Elektrisch leitfähig
• Korrosions- und hitzebeständig
• Steif bis zum Bruch (Versagen abrupt und nicht vorhersehbar)
• Ideale Belastung ist konstant – bekannte Kraft dauerhaft tragen

Carbon Fibers unglaubliche Eigenschaften erlauben Metallersatz in Anwendungen, wo Gewichtsersparnis wichtig ist. Jede Industrie kann nun CFF mit Carbon Fiber nutzen und unglaublich starke Teile drucken. Generative Design bietet Vorteile in Kombination mit Markforged CFF, um Designer multiple optimierte Lösungen erkunden und das beste Design aus Design- und Festigkeitsperspektive wählen zu lassen.

Carbon Fiber einsetzbar für vielfältige Anwendungen: Luftfahrt, Automotive, Architektur & Bau, Konsumgüter, Medizintechnik, Energie, Verteidigung, Elektronik, Industriemaschinen – tailored für AM, Liste endlos, hier ein paar:

• Robotik und Roboterarme
• Endeffektoren, Greifer, Soft Jaws
• Inspektionsvorrichtungen, Schweißvorrichtungen, CMM-Vorrichtungen
• Umformwerkzeuge
• Fahrräder und Komponenten
• High-End-Motorsport-Anwendungen

Sehen Sie sich den Haddington Dynamics Use Case an: 3D-gedruckter Roboterarm mit Continuous Carbon Fiber, steif und leicht genug für 50 Mikron Präzision. Mit Carbon-Fiber-3D-Drucker reduzierte das Unternehmen Teileanzahl von 800 auf unter 70.

Kontaktieren Sie uns für weitere Hilfe oder Beratung, welche Verstärkungsfaser für Ihre Anwendung am geeignetsten ist. Kevlar- oder Carbon-Fiber-Musterteil heute anfordern.