In einem früheren Blog-Beitrag haben wir die wichtigsten Unterschiede zwischen den gängigsten Thermoplasten für den 3D-Druck aufgezeigt. Während ihre niedrige Schmelztemperatur und die allgemeine Einfachheit des Drucks für schnelle und einfache Teile sorgen, lassen Thermoplaste etwas zu wünschen übrig, wenn es um mechanische Eigenschaften wie Festigkeit, Steifigkeit und Wärmebeständigkeit geht. Glücklicherweise hat Markforged mit Hilfe einer Technologie, die der Fused Filament Fabrication (dem beliebtesten Druckverfahren für Thermoplaste) ähnelt, einen Weg gefunden, Verbundwerkstoffe in 3D zu drucken, die die Eigenschaften von Thermoplasten in fast jeder Hinsicht übertreffen.

Verbundwerkstoffe sind Materialien, die aus zwei oder mehr Stoffen bestehen, die in Kombination andere Eigenschaften als die ursprünglichen Komponenten aufweisen. Sie setzen sich aus zwei Hauptelementen zusammen: einer Matrix und einer Verstärkung. Bei typischen Faserverbundwerkstoffen wird die Verstärkung (z. B. Kohlenstoff- oder Glasfasern) in die gewünschte Form gebracht und dann mit einer Matrix, häufig einem Epoxid- oder Thermoplast, überzogen, um die Struktur zu erhalten. Die Vorteile von Verbundwerkstoffen liegen in den synergetischen Eigenschaften, die sich aus der Kombination der Materialien ergeben und die es ihnen ermöglichen, Thermoplaste bei geringer Dichte weit zu übertreffen. Tatsächlich sind viele Kohlefaserverbundwerkstoffe bei einem Zehntel des Gewichts stärker als Stahl.

Bei einem traditionellen Verbundwerkstoffaufbau wird ein Fasergeflecht positioniert und dann durch eine Matrix gesichert.

Es gibt zahlreiche Arten von Matrizen und Verstärkungen, aus denen viele verschiedene Verbundwerkstoffe bestehen. In diesem Beitrag werden wir uns speziell mit den 3D-gedruckten Verbundwerkstoffen von Markforged, ihren Eigenschaften und idealen Anwendungen befassen.

Wie alle anderen Verbundwerkstoffteile auch, bestehen die 3D-gedruckten Verbundwerkstoffe von Markforged aus zwei Komponenten: einer Matrix und einer Verstärkung. Unsere Matrix heißt Onyx, ein thermoplastischer Kunststoff auf Nylonbasis, und die Verstärkung ist eine unserer vier Endlosfasern. Zu diesen Verstärkungsfasern gehören Kohlenstofffasern, Glasfasern, hochfeste Hochtemperatur-Glasfasern und Kevlar®.

Verbundwerkstoffteile werden Schicht für Schicht in einem Verfahren namens Continuous Filament Fabrication (CFF) gedruckt. Oben ist ein Teil in zwei Hälften geschnitten, um die Faserverstärkung im Inneren zu zeigen.

Glasfaser ist unser Einstiegsmodell unter den Verstärkungsfasern. Wie der Name schon sagt, besteht sie aus Glasfasern, die zu einem Faden zusammengebunden sind. Glasfaser ist eine gute Einsteiger-Verstärkungsfaser, da sie sehr leistungsfähig und gleichzeitig preiswert ist. In der Biegung ist Glasfaser viermal stärker und elfmal steifer als ABS. Dies bietet eine effektive Möglichkeit für den Einstieg in den 3D-Druck von Industriewerkzeugen, Vorrichtungen und Werkstückträgern, die eine höhere Festigkeit erfordern, als sie ein Thermoplast bieten könnte.

Kohlefaser ist die stärkste und steifste der von Markforged angebotenen Verstärkungsfasern. Mit einem Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht, das fast doppelt so hoch ist wie das von 6061er Aluminium, können 3D-gedruckte Kohlefaserteile die aus Metall gefertigten Teile übertreffen. Kohlefaser verformt sich auch bei Belastung nur minimal, was ihr einen Vorteil gegenüber Aluminium verschafft, das sich bei Belastung plastisch verformt.

Da die Festigkeit von Kohlenstofffasern mit der von Metall konkurriert, verwenden unsere Kunden sie oft zum Drucken von Teilen, die sie normalerweise bearbeiten würden. Dazu gehören weiche Backen, Teile für den Endgebrauch und Produktionsformwerkzeuge.

Kevlar ist eine spezielle Verstärkungsfaser mit einzigartigen Eigenschaften. Sie ist extrem haltbar; mit Kevlar verstärkte Teile können Schläge einstecken, ohne zu versagen. Sie ist auch die leichteste der Markforged-Verstärkungsfasern, mit einer um 15-20 % geringeren Dichte als die anderen. Eine der bemerkenswertesten Eigenschaften von Kevlar ist seine Fähigkeit, sich plastisch zu verformen, ohne an Festigkeit zu verlieren. Kevlar-verstärkte Teile geben bei maximaler Belastung etwas nach, was zu einem allmählichen Versagen führt. Kohlefaser beispielsweise, die zwar steifer, aber viel spröder ist, versagt vollständig und ohne Vorwarnung, wenn sie bis zum Maximum belastet wird. Kevlar hingegen verformt sich so lange, bis die Fasern nacheinander versagen, was zu einem viel besser vorhersehbaren Versagen führt.

Aufgrund seiner geringen Dichte und überlegenen Haltbarkeit ist Kevlar ein hervorragender Kandidat für Anwendungen mit viel Bewegung und wiederholtem Kontakt mit anderen Teilen. Unsere Kunden verwenden es für den 3D-Druck von Endeffektoren, Crashtest-Dummys, mechanischen Anschlägen und anderen Anwendungen mit variablen Belastungen.

HSHT-Glasfaser ist eine weitere spezielle Verstärkung. Wie der Name schon sagt, handelt es sich um eine hitzebeständige, hochfeste Version von Glasfasern. Es behält seine Steifigkeit bei Temperaturen von bis zu 300 Grad Fahrenheit. HSHT weist außerdem eine unglaubliche Schlagfestigkeit auf: Sie ist 30-mal höher als die von ABS und über 100-mal höher als die von PLA. Darüber hinaus ist HSHT-Glasfaser unsere elastischste Faser; sie verbiegt sich, wenn sie belastet wird, und kehrt dann in ihre ursprüngliche Form zurück, wenn die Last entfernt wird. Dies ist eine vorteilhafte Eigenschaft für Teile, die eine wiederholte Durchbiegung ohne dauerhafte Verformung erfordern.

Aufgrund der oben genannten Eigenschaften ist HSHT in der Lage, der plastischen Verformung beim wiederholten Einspannen und bei Wärmeschocks in bestimmten Herstellungsverfahren zu widerstehen. Unsere Kunden verwenden HSHT für den 3D-Druck von Schweißvorrichtungen, Thermoformen, Duroplastformen, Spritzgussformeinsätzen, Blasformen und Teilen für andere Anwendungen mit hoher Belastung und hohen Temperaturen.

Eine Spannungs-Dehnungs-Kurve, die die Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften der Verstärkungsfasern von Markforged zeigt.

Der 3D-Druck von Verbundwerkstoffen bietet Designern und Ingenieuren die Möglichkeit, eine Vielzahl von Materialeigenschaften für Anwendungen im gesamten Fertigungszyklus zu nutzen. Die speziellen Eigenschaften der vier Fasern, die wir in diesem Beitrag behandelt haben, eröffnen Möglichkeiten für die Anwendung der additiven Fertigung in Bereichen, in denen es sie bisher nicht gab.

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