Wie 3D-Druck die Verbundwerkstoffherstellung revolutioniert

Laut 3D Science Valley's Market Watch haben Verbundwerkstoffe in einer Vielzahl von Anwendungen Fuß gefasst. Sie bieten bewährte Materialien und Methoden für die Herstellung verschiedener wertvoller Komponenten, insbesondere wichtiger Flugzeugkomponenten. Die Anwendung von Verbundwerkstoffen schreitet weiter voran, und heute beschleunigt 3D-Druck diesen Fortschritt. Die Entwicklung der additiven Fertigungstechnologie bietet einen Weg, Teile aus Verbundwerkstoffen ohne Formen herzustellen, und gleichzeitig eröffnet die additive Fertigung neue Optionen für die Fertigungsmethoden der Verbundwerkstoffindustrie.

Flexiblere Verbundwerkstofffertigung

Der Entwicklungstrend von 3D-Druck – additiver Fertigung zielt auf eine mehrdimensionale Vertiefung ab, richtet sich auf Massenproduktionsanwendungen und erstreckt sich auf die Anwendungsseite. Ein Entwicklungsweg zur Industrialisierung ist die Kombination neuer Materialien und neuer Fertigungsprozesse.

„Verbundwerkstoff“ bezeichnet im Allgemeinen ein duroplastisches oder thermoplastisches Polymermatrixmaterial, das mit kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Fasern verstärkt ist, typischerweise Kohlefasern, Glasfasern oder Naturfasern wie Jute, Flachs, Aramid oder Basaltfasern.

In der Flugzeugindustrie beispielsweise hatten Verkehrsflugzeuge 1970 noch null Verbundwerkstoffe, heute besteht der Boeing Dreamliner zu 80 % aus Verbundwerkstoffen. Auch in der Automobilindustrie konnte GE in den 1980er Jahren viele spannungsfreie Stahlteile an Autos, wie Stoßstangen und Luftfiltergehäuse, durch Kunststoffteile ersetzen. Additiv gefertigte Kohlefaserverbundteile können auf die gleiche Weise viele bestehende Teile erfolgreich ersetzen.

Im Vergleich zur Flugzeugindustrie könnte die früheste Chance für den 3D-Druck von Kohlefaserverbundwerkstoffen im Automobilbereich bei Teilen wie Spoilern, Lenkrädern oder Türgriffen liegen, und dann allmählich in Richtung Ersatz großer Strukturbauteile gehen.

Für das Publikum ist der wertvollste Endmarkt für Verbundwerkstoffe heute die Luft- und Raumfahrt. In der Luft- und Raumfahrt werden Verbundwerkstoffe in einer Vielzahl von Teilen und Strukturen eingesetzt, darunter Rumpfhaut, Stringer und Rumpfspanten; Flügelstrukturen, einschließlich Flügelflächen, Holm und Stringer; und Leitwerksstrukturen; sowie diskrete Komponenten wie Fensterumrandungen, Innenkomponenten, einschließlich Gepäckablagen und Innenwände. Wände im Flugzeuginnenraum bestehen ebenfalls häufig aus Verbundwerkstoffen.

Gleichzeitig umfassen andere Endmärkte in Bezug auf das Materialvolumen die Windkraftindustrie, wie Rotorblätter aus Verbundwerkstoffen.

Für die Verbundwerkstofffertigung besteht die Rolle der additiven Fertigung darin, Teile effizienter und schneller herzustellen, was mit bestehenden Verbundwerkstofffertigungsverfahren bei diskreten Teilen oder Kleinserienfertigung möglicherweise nicht möglich wäre. Die additive Fertigung macht dies möglich, und durch den Einsatz von Endlosfasern im Additiv werden Festigkeits- und Steifigkeitselemente eingeführt, was den Anwendungsaspekt des Teils auf die nächste Stufe hebt.

5 Techniken für den 3D-Druck von Verbundwerkstoffen

1. In-situ-Imprägnierung: Die trockenen Fasern werden in eine Düse geführt, während das Matrixmaterial während der Ablage durch Koextrusion über einen oder mehrere Zufuhrkanäle eingespritzt wird. Die Matrix wird eingebracht und erhitzt, und die Fasern werden vor der Ablage in situ imprägniert.

2. Koextrusion mit Towering: Anstelle von trockenen Fasern wird Prepreg/dünnes Prepreg-Band in eine Düse geführt, erhitzt und mit anderen Matrixmaterialien koextrudiert. Typischerweise ist die Matrix in beiden die gleiche wie in der Koextrusion. Anisoprint ist eine Ausnahme, bei der die Prepreg-Matrix duroplastisch ist, während die Koextrusion thermoplastisch ist.

3. Towpreg-Extrusion: Der Tow-Vorrat wird ohne weiteres Material erhitzt und extrudiert.

4. In-situ-Konsolidierung: Dieser Prozess ähnelt einer verkleinerten Version des automatisierten Faserablageverfahrens (AFP) für Thermoplaste, bei dem der eingehende thermoplastische Tow/Prepreg-Band in situ während der Ablage ausgehärtet wird. Während des Zuführprozesses wird der Rohstoff an der Düse durch eine externe Energiequelle erhitzt und dann während des Ablageprozesses durch Druckrollen platziert und ausgehärtet.

5. Inline-Imprägnierung: Ähnlich dem 3D-Filamentwickeln wird die Faser imprägniert, während sie zum Druckkopf geführt wird. Wie bei der Tow-Extrusion erfolgt die Ablage durch eine Düse.

Anwendungsentwicklung von Verbundwerkstoff-3D-Druck

Welche Teile können jetzt aus Verbundwerkstoffen hergestellt werden, oder vielleicht einfacher durch den AM-Prozess (Additive Manufacturing)?

Verschiedene Halterungen und Befestigungselemente werden in der Luft- und Raumfahrtindustrie umfangreich eingesetzt – insbesondere in einigen Luftfahrtstrukturen. Beispielsweise eine Reihe von Spanten und Stringern innerhalb der Rumpfhaut. Nach dem aktuellen Fertigungsregime ist ein mechanisches Befestigungselement erforderlich, um den Rahmen und die Struktur mit der Rumpfhaut zu verbinden. Dies wird derzeit mit einer Vielzahl komplexer Halterungen und Befestigungselemente sowie anderer Hardware durchgeführt, die mit traditioneller Verbundwerkstofffertigung (Pressformen) hergestellt werden, und man kann sehen, dass dies in Zukunft je nach Volumen- und Materialanforderungen effizienter durch additive Fertigung erledigt werden kann.

Natürlich haben 3D-gedruckte Verbundwerkstoffe nicht nur in großen Anwendungsszenarien wie Flugzeugen, sondern auch in kleinen Szenarien imaginativen Anwendungsspielraum.

AM – Additive Manufacturing macht Verbundwerkstoffe zunehmend praktikabel für kleinere, komplexere und in geringen Stückzahlen gefertigte Teile. Der Verbundwerkstoffhersteller Hexcel nutzt beispielsweise den firmeneigenen „HexAM“-Verbundwerkstoff-Additivfertigungsprozess, um Drohnenkomponenten (UAV) im 3D-Druck herzustellen.

Wenn es jedoch um Kleinserien, etwas komplexere Teile geht, könnte ein vorstellbareres Teil ein Ersatz für heutige zerspante Metallteile sein. Der Ersatz von Metallteilen durch Verbundwerkstoffe ist seit etwa 50 Jahren der Weg der Verbundwerkstoffindustrie. Die Herausforderungen, denen sich additiv gefertigte Verbundwerkstoffe beim Ersatz von Metallprodukten stellen müssen, müssen jedoch angegangen werden.

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