Aluminium-Bauteile durch 3D gedruckte Carbonfaser ersetzen

In letzter Zeit hat eine große Aluminiumknappheit bei den Industrie-Zulieferern zu heftigen Preissteigerungen geführt. Seit Januar 2021 sind die Aluminiumpreise um über 50 % gestiegen, und Experten gehen davon aus, dass der Anstieg auch in den nächsten zwei Jahren anhalten wird.

Laut der Jyske Bank ist die weltweite Aluminiumknappheit auf einen erhöhten Materialverbrauch zurückzuführen, der auf drei Faktoren basiert: erhöhte Ausgaben für Konsumgüter aufgrund von Konjunkturpaketen, erhöhte Investitionen in nachhaltige Technologien, die auf die Verwendung von Aluminium angewiesen sind (z. B. Windturbinen, Elektroautos) und die chinesische Produktion und den Verbrauch von Aluminium.

Angesichts dieser Aluminiumknappheit bietet die Markforged Carbonfaser eine geeignete Alternative. Viele unserer Kunden verwenden es, um Teile aus bearbeitetem Aluminium zu ersetzen. Carbonfaser hat das höchste Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht unter unseren Endlosfasern. Sie ist sechsmal stärker und achtzehnmal steifer als Onyx und wird häufig für Bauteile verwendet, die gefrästes Aluminium ersetzen.

Wenn sie in ein Verbundstoff-Basismaterial wie Onyx eingelegt wird, können daraus Teile entstehen, die genauso stark sind wie 6061-T6-Aluminium. Als Material ist es extrem steif und fest und kann von Markforged 3D-Druckern automatisch in einer Vielzahl von Geometrien eingelegt werden, um optimierte Teile herzustellen.

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Was ist eine Carbonfaser?

Carbonfasern bestehen aus Kohlenstoffatomen, die in langen, kristallinen Fasern mit einem Durchmesser von nur 5-10 Mikrometern angeordnet sind. In der modernen Fertigung werden mehrere tausend Carbonfasern zu Strängen gebündelt und mit anderen Materialien zu einem Verbundwerkstoff verbunden. In Verbindung mit einer thermoplastischen oder duroplastischen Harzmatrix können Carbonfasern verschiedene Formen annehmen, die in technischen Anwendungen eingesetzt werden.

Die spezifischen Materialeigenschaften von Carbonfasern machen sie ideal für eine Vielzahl von Anwendungen, darunter

  • Hohe Steifigkeit und Zugfestigkeit (so stark wie Aluminium)

  • Weitaus geringere relative Dichte als Stahl und Aluminium

  • Widerstandsfähigkeit gegen Hitze und Chemikalien

Was macht Carbonfaser zu einem idealen Ersatz für Aluminium?

Mit Hilfe der kontinuierlichen Faserverstärkung (CFR) kann Carbonfaser eine ähnliche Festigkeit wie Aluminium erreichen und dabei maschinell bearbeitete Bauteile ersetzen. Dies ist auf die höhere Steifigkeit, Schlagfestigkeit, Hitzebeständigkeit und Haltbarkeit zurückzuführen.

CFR bietet dem Anwender die Möglichkeit, Endlosfasern flexibel in seine Teile einzubauen – er kann steuern, wie viel Carbonfaser in die Teile eingebracht wird und wo genau in den Teilen die Carbonfasern platziert werden.

Eigenschaften von Carbonfasern

Im Vergleich zu 6061 Aluminium weist 3D gedruckte Carbonfaser ein um 50 % höheres Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht bei Biegung und ein um 300 % höheres Verhältnis bei Zugbelastung auf. Die Verstärkung durch Carbon-Endlosfaser wurde zur Herstellung von passgenauen Vorrichtungen und Spezialwerkzeugen für einige der größten und renommiertesten Unternehmen der Welt verwendet, bis hin zu Einzelteilen für den Endgebrauch in High-End-Motorsportanwendungen.

Darüber hinaus hat die Carbon-Endlosfaserverstärkung eine Biegefestigkeit von 540 MPa, verglichen mit 6061-T6 Aluminium (<480 MPa).

Wie funktioniert der Carbonfaser 3D-Druck?

Markforged 3D-Drucker beginnen mit der äußeren Form der Geometrie und der Füllung des Bauteils aus Onyx, einem thermoplastischen Kunststoff, der mit zerkleinerten Carbon-Kurzfasern gefüllt ist. Dieser Prozessschritt wird als Fused Filament Fabrication (FFF) bezeichnet.

Mit einer zweiten Düse wird dann eine Endlosfaserverstärkung (Continuous Fiber Reinforcement, CFR) eingelegt, mit der der Umfang, bestimmte Merkmale oder ganze Schichten des Teils selektiv verstärkt werden können. Mit CFR können Teile strategisch auf unterschiedliche Weise verstärkt werden, um verschiedenen spezifischen Belastungsbedingungen gerecht zu werden.

Lernen Sie mehr über den 3D-Druck mit Endlosfasern!

Für welche Anwendungen eignet sich welche Endlosfaser? Wie konstruiere ich richtig für den Filament-3D-Druck? Was sagen Anwender dazu und wo finde ich weitere Infos? – Genau hier sind Sie richtig! Wir haben einige Informationsmöglichkeiten aufgelistet, über die Sie direkt zu den passenden Antworten kommen.

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