Schritt-für-Schritt-Anleitung: Hochleistungs-Carbonfaser-Komponenten fertigen

Composite-Materialien wie carbonfaserverstärkte Kunststoffe sind hochgradig vielseitige und effiziente Materialien, die Innovationen in diversen Märkten – von Luftfahrt bis Healthcare – antreiben. Sie übertreffen traditionelle Materialien wie Stahl, Aluminium, Holz oder Kunststoff und ermöglichen die Fertigung leistungsstarker Leichtbauprodukte.

In diesem Leitfaden lernen Sie die Grundlagen der Carbonfaser-Teilefertigung – verschiedene Carbonfaser-Layup-, Laminier- und Formverfahren – und wie Sie 3D-Druck nutzen können, um Carbonfaser-Formen herzustellen, um Kosten zu senken und Zeit zu sparen. Direkt 3D-gedruckte Composites gibt es ebenfalls – wie Formlabs Nylon 11 CF Pulver, ein carbonfasergefülltes Material, perfekt für Anwendungen, die sowohl überlegene Steifigkeit als auch Festigkeit benötigen. Gedruckt auf dem Formlabs Fuse 1+ 30W Drucker produziert Nylon 11 CF Pulver leichte, rigide Teile, die strukturell und thermisch stabil bleiben und wiederholten Aufprall standhalten.

Nylon 11 CF Pulver Musterteil

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Ein Composite-Material ist eine Kombination von zwei oder mehr Bestandteilen mit Eigenschaften, die sich von den einzelnen Komponenten unterscheiden. Engineering-Eigenschaften werden typischerweise verbessert – z. B. hinzugefügte Festigkeit, Effizienz, Haltbarkeit. Composites bestehen aus Verstärkung (Faser oder Partikel), zusammengehalten von einer Matrix (Polymer, Metall, Keramik).

Faser-verstärkte Polymere (FRP) dominieren den Markt und haben das Wachstum neuer Anwendungen in diversen Branchen befeuert. Darunter ist Carbonfaser ein weit verbreitetes Composite – besonders für Flugzeuge, Rennwagen, Fahrräder – da es mehr als dreimal stärker und steifer als Aluminium ist, aber 40 % leichter. Es besteht aus verstärkter Carbonfaser, verbunden mit Epoxidharz.

Fasern können unidirektional gewebt und strategisch ausgerichtet werden, um Festigkeit relativ zu einem Vektor zu erzeugen. Kreuzgewebte Fasern erzeugen Festigkeit in mehreren Vektoren und sind verantwortlich für den charakteristischen Stepp-Look von Composite-Teilen. Es ist üblich, Teile mit einer Kombination beider herzustellen. Es gibt diverse Fasertypen, darunter:

Harze halten diese Fasern zusammen und erzeugen ein rigides Composite. Während hunderte Harztypen eingesetzt werden können, hier die beliebtesten:

Die Fertigung faserverstärkter Polymere wie Carbonfaser-Teile ist ein fachkundiger und arbeitsintensiver Prozess – genutzt in Einzel- und Serienfertigung. Zykluszeit reicht von einer Stunde bis 150 Stunden, abhängig von Größe und Komplexität. Typisch in FRP-Fertigung: kontinuierliche gerade Fasern werden in der Matrix zu einzelnen Lagen (Plies) verbunden, die Schicht für Schicht auf das finale Teil laminiert werden.

Composite-Eigenschaften werden von Materialien ebenso induziert wie vom Laminierprozess: Die Art, wie Fasern eingebracht werden, beeinflusst die Performance des Teils stark. Thermoset-Harze werden zusammen mit der Verstärkung in einem Werkzeug oder einer Form geformt und ausgehärtet, um ein robustes Produkt zu bilden. Es gibt verschiedene Laminiertechniken, die in drei Haupttypen unterschieden werden:

Beim Nass-Layup (Wet Lay-up) wird die Faser in die Form geschnitten und gelegt, dann wird Harz via Pinsel, Rolle oder Sprühpistole aufgetragen. Diese Methode erfordert das meiste Können für hochwertige Teile, ist aber der kostengünstigste Workflow mit den geringsten Einstiegsanforderungen für DIY-Carbonfaser-Teile. Wenn Sie neu in der Carbonfaser-Teilefertigung sind und noch nicht ausgestattet, empfehlen wir den Start mit Nass-Layup-Handlaminierung.

Video ansehen: Wie der Nass-Carbonfaser-Layup-Prozess funktioniert.

Bei der Prepreg-Laminierung ist das Harz vorab in der Faser imprägniert. Pre-imprägnierte Lagen werden kalt gelagert, um die Aushärtung zu hemmen. Lagen werden dann unter Hitze und Druck in einem Autoklaven in der Form ausgehärtet. Dies ist ein präziserer und wiederholbarer Prozess, da die Harzmenge kontrolliert ist – aber auch die teuerste Technik, meist für Hochleistungsanwendungen genutzt.

Beim RTM-Formen (Resin Transfer Molding) wird trockene Faser in ein zweiteiliges Werkzeug eingelegt. Das Werkzeug wird geschlossen, bevor Harz unter hohem Druck in die Kavität gepresst wird. Meist automatisiert und für größere Serienfertigung genutzt.

Da die Qualität der Form direkt die Qualität des finalen Teils beeinflusst, ist Werkzeugbau ein kritischer Aspekt der FRP-Fertigung. Die meisten Formen werden aus Wachs, Schaum, Holz, Kunststoff oder Metall via CNC-Bearbeitung oder Handarbeit hergestellt. Während manuelle Techniken hoch arbeitsintensiv sind, folgt CNC-Bearbeitung immer noch einem komplexen, zeitaufwendigen Workflow – besonders bei komplexen Geometrien – und Outsourcing kommt typischerweise mit hohen Kosten und langen Lieferzeiten. Beide Optionen erfordern Fachkräfte und bieten wenig Flexibilität bei Design-Iterationen und Formanpassungen.

Additive Fertigung bietet eine Lösung für schnelle Formen- und Musterherstellung bei niedrigen Kosten für Carbonfaser-Teile. Der Einsatz polymerer Werkzeuge in Fertigungsprozessen wächst stetig. Der Ersatz von Metallwerkzeugen durch im Haus gedruckte Kunststoffteile ist ein mächtiges, kosteneffizientes Mittel, um Produktionszeit zu verkürzen und Designflexibilität zu erweitern. Ingenieure arbeiten bereits mit Polymer-Resin-3D-gedruckten Teilen für Fertigungsvorrichtungen und Fixaturen zur Unterstützung von Methoden wie Filament-Winding oder automatisierter Faserablage. Ebenso werden Kurzzeit-gedruckte Formen und Matrizen im Spritzguss, Thermoformen oder Blechumformen für Low-Volume-Chargen eingesetzt.

In-House-Desktop-3D-Druck erfordert begrenzte Ausrüstung und reduziert Workflow-Komplexität. Professionelle Desktop-Resin-Drucker wie Form 4 sind erschwinglich, einfach zu implementieren und schnell skalierbar mit der Nachfrage. Große Werkzeuge und Formen sind auch mit Großformat-3D-Druckern wie Form 4L möglich.

Stereolithografie (SLA) 3D-Drucktechnologie erzeugt Teile mit sehr glatter Oberflächenqualität – essenziell für Carbonfaser-Layup-Formen. Erlaubt komplexe Geometrien mit hoher Präzision. Zudem hat die Formlabs Resin Library Engineering-Materialien mit mechanischen und thermischen Eigenschaften, die gut mit Formen- und Musterbau harmonieren.

3D-gedruckte Formen für Carbonfaser-Teilefertigung können Kosten senken und Lieferzeiten verkürzen.

Für Kleinserien können Ingenieure die Form direkt zu niedrigen Kosten und innerhalb weniger Stunden drucken – ohne sie von Hand zu schnitzen oder mit CNC-Ausrüstung umzugehen: CAM-Software, Maschinen-Setup, Werkstückspannung, Werkzeuge, Spanabfuhr. Arbeitsaufwand und Lieferzeit für Formenbau werden drastisch reduziert – ermöglichen schnelle Design-Iteration und Teile-Individualisierung. Komplizierte Formformen mit feinen Details werden erreichbar, die mit traditionellen Methoden schwer herstellbar wären.

Form-Architektur und Design-Richtlinien

Beim Design Ihrer Form bedenken Sie, was erfolgreich druckbar ist – und was erfolgreich formbar ist. Verschiedene Form-Architekturen erzeugen unterschiedliche Geometrietypen:

• Einseitige Form im Vakuumbeutel-Verfahren: Für Teile, die eine Class-A-Seite benötigen (glänzendes Finish). Kann positiv oder negativ sein, je nachdem, welche Seite Class A sein soll. Eine Seite ist Formoberfläche, die andere Vakuumbeuteloberfläche.
• Zweiteilige Form im Pressformverfahren: Für Teile, wo beide Seiten Class A sein müssen. Beide Seiten sind Formoberflächen.
• Blasenform (Bladder Mold) im Druckformverfahren: Für komplexe Geometrien, wo Vakuumbeutel- oder Pressform nicht einsetzbar sind, da Teil nicht entformbar. Eine Seite Formoberfläche, andere Blasenoberfläche.
• Formmuster zur Erstellung einer Negativform: Wenn mehrere Formen gewünscht sind, um Produktion zu steigern. Mehrere Formen können aus einem Muster erstellt werden.

Entformungsschräge (Draft Angle) hinzufügen: Zwei bis drei Grad positiver Entformungsschräge erleichtern den Entformungsschritt und erhöhen die Lebensdauer der Form – besonders bei steifen Formen. Durch Verwendung eines biegsamen 3D-Druckmaterials wie Tough 1500 Resin können Sie Teile ohne Entformungsschräge und mit herausfordernden Geometrien erstellen, die aus einer steifen Form nicht entformbar wären. Minimalen Radius passend zur Materialdicke setzen: hilft Fasern, an Ecken auszurichten, Lufteinschlüsse zu vermeiden, wiederholbare Qualitäts-teile zu erzeugen. Steile und nah beieinander liegende Ecken vermeiden – fließende Geometrien sind leichter zu handhaben als kantige, eckige.

Minimalen Radius passend zur Materialdicke setzen: Hilft Fasern, an Ecken auszurichten, Lufteinschlüsse zu vermeiden, wiederholbare Qualitäts-teile zu erzeugen. Steile und nah beieinander liegende Ecken vermeiden – fließende Geometrien sind leichter zu handhaben als kantige, eckige.

Zentrierstifte und Einpressungen (Locating Pins and Indents) einbauen für Formen, die präzise Ausrichtung benötigen. Ein großer Vorteil von 3D-Druck: Er erlaubt Komplexität in Ausrichtungsgeometrie und hilft bei Designs, die sensibel auf Positionierung reagieren.

Übermaß (Surface Overrun) einplanen: Überschüssiges Material von der erweiterten Fläche wird abgeschnitten, um eine präzise Trimmlinie zu ziehen. 3D-Druck erlaubt Overrun-Druck ohne Fertigen von Grat.

Trimmlinien (Trim Lines) hinzufügen: 3D-Druck erlaubt präzise Pflege-Features wie Bohrführungen, Ritzlinien für Handtrimmung, Fräsführungen.

Weitere Best Practices:

• Mit kleinstmöglicher Schichthöhe drucken für optimale Auflösung und Entformung.
• Supports auf Formflächen vermeiden für bessere Oberflächenqualität.
• Trennmittel nutzen: erforderlich für Entformungsprozess.
• Lufteinschlüsse vermeiden: nach Rühren und Mischen zwei Minuten warten, damit Luft aus Harz entweicht. Nach erster Harzschicht per Pinsel wiederholen. Bleiben kleine Luftblasen, können diese nachbearbeitet (poliert) und versiegelt werden.

Die Formula Student ist ein jährlicher Engineering-Design-Wettbewerb, bei dem Studententeams weltweit Formel-artige Rennwagen bauen und fahren. Das Formula Student Team TU Berlin (FaSTTUBe) ist eine der größten Gruppen – 80 bis 90 Studenten entwickeln seit 2005 jährlich neue Rennwagen.

Das Formula Student Team an der TU Berlin (FaSTTUBe) baut drei Fahrzeuge für den jährlichen Formula Student Wettbewerb.

Mit Zugriff auf nahezu die volle Palette an Fertigungstechnologien nutzt das FaSTTUBe-Team 3D-Druck für drei Zwecke:

1. Prototypen: Sie drucken Prototypen für diverse Teile – z. B. Halterungen der Antirollstange oder Stakeholder der HV-Batterie.
2. 3D-gedruckte Carbonfaser-Formen: Das Team druckte ein Dutzend Formen, um Carbonfaser-Teile zu fertigen, die sonst nicht herstellbar gewesen wären.
3. Endverbrauchsteile: Ca. 30 Teile an den finalen Fahrzeugen sind direkt 3D-gedruckt – von Knopfhaltern, Schaltwippen am Lenkrad bis zu Schläuchen und Sensorverbindern der Kühlsysteme.

In dieser Case Study schauen wir uns die Details der Molding-Anwendung an, die sie nutzten, um Lenkradgehäuse und -griffe in Carbonfaser zu fertigen.

Gewichtsreduzierung ist essenziell im Rennwagenbau. Um Teile zu leichten, hätten sie hohle Lenkradgriffe drucken können – aber nicht stark genug für den Griff des Fahrers. Carbonfaser ist ein großartiges Material, um Gewicht zu senken bei Erhalt oder Erhöhung der Festigkeit. Um das Teil dieses Jahr in Carbonfaser fertigen zu können, entwickelte Felix Hilken, Leiter Aerodynamik und Carbon-Fertigung, einen Workflow mit 3D-gedruckten Formen für Nass-Layup-Laminierung.

Benötigte Ausrüstung:

• Formlabs SLA 3D-Drucker mit Tough 1500 Resin
• Carbonfaser: drei Lagen 200 g, 3K, 0,3 mm, Twill-Gewebe
• Trennmittel: Wachs und Polyvinylalkohol
• Hochfestes Epoxidharz
• Pinsel und Schere
• Vakuumbeutel, Vakuumpumpe, Atemvlies
• Schleifpapier

Der Griff wurde in zwei Hälften gefertigt, um Entformung zu ermöglichen. Für jede Hälfte designte Felix eine zweiteilige Form mit Features, die ohne 3D-Druck schwer herstellbar wären – insbesondere:

• Feine Features: enge interne Radien, geschwungene Flächen, variable Radien
• Runde enge Kanten, die aus einer Aluminiumform nicht entformbar wären
• Einpressungen für Bohrpositionen, da das Teil positionsensitiv ist

Das Team druckte die Formen auf dem Form Series Drucker mit Tough 1500 Resin bei 50 Mikron Schichthöhe. Drucke wurden 2×10 Min. in IPA gewaschen und 60 Min. bei 70 °C nachgehärtet. Tough 1500 Resin wurde gewählt, weil es Dehnung und Modul balanciert: Teile in diesem Material können sich signifikant biegen und schnell in Originalform zurückfedern – gewünschte mechanische Eigenschaft, um Formbruch bei Entformung zu vermeiden.

Trennmittel auftragen für Entformung. Kritischer erster Schritt: Sind Flächen nicht bedeckt, trennt sich das Teil nicht von der Form.

1. Mit Wachs bedecken (optional, aber empfohlen)
2. Mit Polyvinylalkohol (PVA) bedecken

Harz mit Härter mischen. Mischverhältnis muss präzise eingehalten werden – schon wenige Prozent Abweichung führen zu zu weichem oder nur teilausgehärtetem Teil. Herstelleranweisungen genau befolgen und Sicherheitsdatenblatt vor Nutzung lesen. Beim von Felix genutzten Harz startet Polymerisation zwei Stunden nach Mischen – zwei Stunden für Layup-Operation.

Harz mit Pinsel auf positiver Formseite auftragen.

Carbonfaser-Lage auf positiver Formseite auflegen. Alle Konturen befolgen. Team nutzte 3K-Faser für Balance aus Gewebedicke und Preis – speziell designed, komplexe Konturen zu folgen, ohne Stützfäden.

Harz auf Carbon-Lage auftragen und Layup-Prozess wiederholen. Harz bindet Lagen zusammen, bildet Matrixkomponente im Teil, verhindert Faser-Neujustierung. Felix nutzte drei Carbonfaser-Lagen.

Letzte Harzschicht auf negativer Formseite auftragen und beide Formhälften zusammenpressen – vermeidet Luftblasenbildung und -durchdringung durch Fasern.

Überschüssiges Material mit Schere abschneiden.

48 Stunden im Vakuumbeutel aushärten. Während Polymerisation zieht Vakuumbeutel Luft raus und presst Lagen an Form bei Umgebungstemperatur – entfernt überschüssiges Harz. Sichert gewünschtes volumetrisches Harz-Faser-Verhältnis für richtige Teilsteifigkeit.

Finish: Alle Kanten abschleifen. Zur Formreinigung nach Prozess: Felix tauchte Form ca. 30 Min. in Wasser, um PVA aufzulösen, nutzte dann feines 1500er Schleifpapier für Harzreste.

Durch Carbonfaser reduzierte das Team das Gewicht des Lenkradgehäuses von 120 g auf 21 g – und konnte Designs umsetzen, die traditionell extrem schwer herstellbar wären. „Das Tolle am 3D-Druck: Eine komplexe Form ist genauso einfach herzustellen wie eine einfache – gleicher Arbeits- und Geräteaufwand“, sagt Felix.

Ohne 3D-Druck hätte das Team das CNC-Fräsen einer Aluminiumform auslagern müssen – teuer, lange Lieferzeit, spezialisierte Werkzeuge. „Ich würde die Form CNC-fräsen, bräuchte Spezialwerkzeuge, warten auf Maschinenslot. Aber ich könnte diese Geometrie gar nicht machen – besonders die kleinen Ecken. Ich müsste ein Design ohne Schrauben nutzen, damit das Teil nicht positionsensitiv wäre.“

Nach seiner Schätzung kann eine mit Formlabs Tough 1500 Resin gedruckte Form ca. zehn Teile fertigen. Da manueller Prozess, hängt es von Sorgfalt des Operators ab: Form kann bei Trennung brechen. Mehrere 3D-gedruckte Formen können Produktion steigern. Eine weitere Lösung zur Lebensdauerverlängerung: Form mit generischem Metallwerkzeug unterstützen. 3D-gedruckter Einsatz trägt Geometrie, metallisches Backup-Werkzeug hält Form. Ließe sich mit simpler manueller Fräsmaschine fertigen.

DeltaWing Manufacturing fertigt Composite-Teile für Panoz – Designer und Hersteller exklusiver, amerikanischer Luxus-Sportwagen. Für Carbonfaser-Komponenten nutzte DeltaWing früher: Muster fräsen, Layup oder Guss der Form darauf, Form finishen, dann Prepreg-Prozess für Carbonfaser-Teil-Laminierung.

In den vergangenen Jahren nutzten sie In-House-3D-gedruckte Teile als Zwischenschritt. Panoz brauchte sechs Einheiten eines Carbonfaser-Fender-Luftkanals für einen Custom-Rennwagen. Um Arbeitsaufwand und Lieferzeit ihrer traditionellen Formenbautechnik zu reduzieren, wählten DeltaWing-Ingenieure, die Form direkt 3D-zudrucken und in ihren Prepreg-Prozess zu implementieren.

Benötigte Ausrüstung:

• Formlabs SLA 3D-Drucker mit High Temp Resin
• Carbonfaser: 4K, bidimensionales Muster
• Trennmittel: Polyvinylalkohol
• Kapton (Polyimid) Band
• Hochfestes Epoxidharz
• Pinsel und Schere
• Vakuumbeutel, Vakuumpumpe

Der Kanal wurde in zwei getrennten Stücken auf zwei verschiedenen Formen gefertigt – um finale Teiletrennung von der Form zu erleichtern – und anschließend verklebt. Jede Form wurde auch in zwei Stücken gedruckt und zusammengesetzt, um in das Bauvolumen des Form Series Druckers zu passen – mit größerem Bauvolumen des Form 4L wäre das nicht nötig. Teile waren für additive Fertigung designed, folgten Form-Design-Empfehlungen.

DeltaWing druckte Formen in High Temp Resin auf Form Series Drucker bei 100 Mikron Schichthöhe. Dieses Resin wurde gewählt, da es HDT von 238 °C @ 0,45 MPa hat – höchste unter Formlabs-Resins und eine der höchsten am Markt.

High Temp Resin hält hohen Aushärtetemperaturen stand, zeigt gute Steifigkeit für Formhaltung während Operation und hohe Detailgenauigkeit, die ins finale Teil übertragen wird. Formlabs empfiehlt: High Temp Resin Drucke 10 Min. IPA waschen, 120 Min. bei 80 °C nachhärten, dann 3 Std. bei 160 °C für höhere HDT.

DeltaWing wendete ihren üblichen Prepreg-Prozess auf gedruckten Formen an – Prepreg 4K bidimensionales Musterfaser. Jede Form wurde mit Kapton-Band bedeckt, um Oberfläche bei jedem Formzyklus zu erneuern. Faser wurde auf Formen gelegt, Teile in Vakuumbeutel und im Autoklave ausgehärtet, dann entformt und getrimmt. Gedruckte Formen tolerierten langsame Aushärtung bei 38 °C (100 °F) für 10 Std. oder alternativ schnelle Aushärtung bei 126 °C (260 °F) für 1 Std. ohne Schaden. Beide Hälften des Carbon-Kanals wurden final verklebt.

Team testete sechs Iterationen für eine Form ohne signifikante Degradation. Schätzung: 10–15 Iterationen pro Form möglich. Da Autoklaven Hitze und Druck im Prepreg-Prozess anwenden, hält gedruckte Form nur wenige Iterationen. Daher nicht empfohlen für Hochvolumen-Produktion, aber großartig für Kurzzeit-Chargen und massenindividualisierte Teile. Ermöglicht breite Anwendungen: Hochleistungssportgeräte, individualisiertes Tooling für Luftfahrt, personalisierte Prothesen, einzigartig für Patienten im Healthcare.

Es gibt starke Nachfrage nach Workflows, die Festigkeit, Haltbarkeit, Robustheit traditioneller Carbonfaser-Teile mit Agilität, geometrischen Möglichkeiten, Wiederholbarkeit von 3D-Druck kombinieren. Nicht überraschend, dass viele 3D-Druckfirmen Carbonfaser-3D-Druck anbieten – zwei aktuell verfügbare Prozesse: Druck mit gehackten Fasern oder kontinuierlichen Fasern.

Mit gehackten Carbonfasern ermöglicht Nylon 11 CF Pulver für den Fuse 1+ 30W Selektives-Laser-Sintern (SLS) Industrie-3D-Drucker Herstellern, starke, leichte, hitzebeständige Teile zu erstellen – ohne traditionelle Overlay- oder Bearbeitungsmethoden.

Formlabs Nylon 11 CF Pulver ist stark, leicht, hitzebeständig – ideal für Automotive, Aerospace, Manufacturing.

Faser-verstärkte Polymerfertigung ist spannend, aber komplex und arbeitsintensiv. 3D-gedruckte Formen und Muster für Carbonfaser-Teile ermöglichen Unternehmen, Workflow-Komplexität zu reduzieren, Flexibilität und Designmöglichkeiten zu erweitern, Kosten und Lieferzeiten zu senken.

Für direkt 3D-gedruckte Teile, die viele Vorteile von Carbonfaser bieten – mit zusätzlichen Vorteilen geometrischer Flexibilität und simplerem, effizienterem Prozess – gibt es Materialien wie Formlabs Nylon 11 CF Pulver für Fuse Series SLS 3D-Drucker.

Kontaktieren Sie unser Team, um Ihre Anwendung zu besprechen und den besten Ansatz für Ihren 3D-Druck-Einsatz bei Carbonfaser-Teilen zu finden.