Wie wirkt sich der 3D-Druck auf die Verbundwerkstoffherstellung aus?

Laut Market Watch von 3D Science Valley haben Verbundwerkstoffe einen Platz in einer Vielzahl von Anwendungen gefunden. Sie stellen bewährte Materialien und Verfahren für die Herstellung verschiedener wertvoller Komponenten bereit, insbesondere wichtiger Flugzeugkomponenten. Die Anwendung von Verbundwerkstoffen schreitet immer noch voran, und heute der 3D-Druck beschleunigt diesen Fortschritt. Die Entwicklung der additiven Fertigungstechnologie bietet eine Möglichkeit, Teile aus Verbundwerkstoffen ohne die Notwendigkeit von Formen herzustellen, und gleichzeitig bietet die additive Fertigung neue Optionen für die Fertigungsmethoden der Verbundwerkstoffindustrie.

Flexiblere Herstellung von Verbundwerkstoffen

Der Entwicklungstrend der 3D-Druck-Additive Fertigung hin zu einer multidimensionalen Vertiefungsebene, die sich Massenanwendungen gegenübersieht und sich auf die Anwendungsseite ausdehnt. Ein Entwicklungspfad zur Industrialisierung ist die Kombination von neuen Materialien und neuen Herstellungsverfahren.

„Komposit „bezieht sich im Allgemeinen auf ein duroplastisches oder thermoplastisches Polymermatrixmaterial, das mit kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Fasern, typischerweise Kohlenstofffasern, verstärkt ist; Glasfasern; oder Naturfasern wie Jute-, Flachs-, Aramid- oder Basaltfasern.

In der Flugzeugindustrie zum Beispiel hatten Verkehrsflugzeuge 1970 null Verbundwerkstoffe, und heute besteht der Boeing Dreamliner zu 80 Prozent aus Verbundwerkstoffen. Darüber hinaus konnte GE beispielsweise in der Automobilindustrie in den 1980er Jahren viele der spannungsfreien Stahlteile an Autos, wie Stoßfänger und Luftfiltergehäuse, durch Kunststoffteile ersetzen. Additiv gefertigte Kohlefaserverbundbauteile können viele bestehende Bauteile auf die gleiche Weise erfolgreich ersetzen.

Im Vergleich zur Flugzeugindustrie könnte die früheste Gelegenheit für den 3D-Druck von Kohlefaserverbundwerkstoffen im Automobilbereich auf Teile wie Spoiler, Lenkräder oder Türgriffe fallen und sich dann allmählich zum Ersatz großer Strukturkomponenten bewegen.

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 verwendet, einschließlich Rumpfhäuten, Stringern und Spanten; Flügelstrukturen, einschließlich Flügelhäute, Holme und Stringer; und Schwanzstrukturen; und diskretere Komponenten, wie um Fenster herum, Innenkomponenten, einschließlich Gepäckaufbewahrungsfächern und Innentrennwänden. Auch Wände in Flugzeugen bestehen häufig aus Verbundwerkstoffen.

Andere Endmärkte in Bezug auf das Materialvolumen sind gleichzeitig die Windkraftindustrie, wie z. B. Windflügel aus Verbundwerkstoffen.

Für die Verbundwerkstofffertigung besteht die Rolle der additiven Fertigung darin, Teile effizienter und schneller zu machen, was mit der bestehenden Verbundwerkstofffertigung möglicherweise nicht möglich ist, wenn es um diskrete Teile oder die Fertigung in kleinen Stückzahlen geht. Die additive Fertigung macht dies möglich, und durch die Verwendung von Endlosfasern im Additiv werden Festigkeits- und Steifigkeitselemente eingeführt, die den Anwendungsaspekt des Teils auf die nächste Stufe heben.

5 Techniken für den 3D-Druck von Verbundwerkstoffen

1. In-situ-Imprägnierung: Die trockenen Fasern werden einer Düse zugeführt, während das Matrixmaterial während der Abscheidung durch Coextrusion durch ein oder mehrere Einströmmittel eingespritzt wird. Die Matrix wird eingeführt und erhitzt und die Fasern werden vor der Abscheidung in situ imprägniert.

2. Co-Extrusion mit Turm: Anstelle trockener Fasern wird Prepreg/dünnes Prepreg-Band in eine Düse eingeführt, erhitzt und mit anderen Matrixmaterialien coextrudiert. Typischerweise ist die Matrix in den beiden die gleiche wie die in der Coextrusion. Anisoprint ist eine Ausnahme, bei der die Prepreg-Matrix duroplastischer ist, während die Coextrusion thermoplastisch ist.

3. Towpreg-Extrusion: Das zugeführte Tow-Material wird erhitzt und ohne weiteres Material extrudiert.

4. Konsolidierung vor Ort: Dieser Prozess ähnelt einer verkleinerten Version der automatisierten Faserplatzierung (AFP) für Thermoplaste, bei der das ankommende thermoplastische Tow/Prepreg-Band in-situ ausgehärtet wird, während es abgelegt wird. Während des Beschickungsprozesses wird das Rohmaterial durch eine externe Energiequelle an der Düse erhitzt und dann während des Abscheidungsprozesses durch Andruckrollen platziert und ausgehärtet.

5. Inline-Imprägnierung: Ähnlich wie beim 3D-Filamentwickeln wird die Faser imprägniert, wenn sie dem Druckkopf zugeführt wird. Wie bei der Tow-Extrusion erfolgt die Abscheidung durch eine Düse.

Anwendungsentwicklung des zusammengesetzten 3D-Drucks

Welche Teile können jetzt in Verbundwerkstoffen hergestellt werden, oder wird es aufgrund des AM-Additive Manufacturing-Prozesses möglicherweise einfacher?

Verschiedene Halterungen und Befestigungselemente werden in großem Umfang in der Luft- und Raumfahrtindustrie verwendet – insbesondere in einigen Luftfahrtstrukturen. Zum Beispiel eine Reihe von Spanten und Stringern innerhalb der Rumpfhaut. Unter den gegenwärtigen Herstellungsbedingungen ist ein mechanisches Befestigungselement erforderlich, um den Rahmen und die Struktur mit der Rumpfhaut zu verbinden. Dies geschieht derzeit mit einer Vielzahl komplexer Halterungen und Befestigungselemente sowie anderer Hardware, die mit traditioneller Verbundwerkstoffherstellung (Formpressen) hergestellt werden, und kann je nach Volumen- und Materialanforderungen dieser Arbeit in Zukunft durch additive Fertigung effizienter erfolgen.

Natürlich nicht nur in großen Anwendungsszenarien wie Flugzeugen, sondern 3D-Druck-Verbundwerkstoffe haben auch in kleinen Szenarien einen fantasievollen Anwendungsbereich.

AM-Additive Manufacturing macht Verbundwerkstoffe immer praktischer für kleinere, komplexere und in Kleinserie gefertigte Teile. Der Hersteller von Verbundwerkstoffen Hexcel verwendet beispielsweise auch den „HexAM“-Verbundwerkstoff-Fertigungsprozess des Unternehmens, um Komponenten für unbemannte Luftfahrzeuge (UAV) in 3D zu drucken.

Aber wenn es um etwas komplexe Teile in kleinen Stückzahlen geht, könnte ein vorstellbareres Teil ein Ersatz für die heutigen maschinell bearbeiteten Metallteile sein. Der Ersatz von Metallteilen durch Verbundwerkstoffe ist seit etwa 50 Jahren die Arbeitsweise der Verbundwerkstoffindustrie. Allerdings müssen die Herausforderungen angegangen werden, denen sich additiv gefertigte Verbundwerkstoffe gegenübersehen, um Metallprodukte zu ersetzen.

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