Kohlenstofffaser-3D-Druck 3D-Druck mit Kohlenstofffasern: Ein Leitfaden für Entscheidungsträger

Redakteur: Joscha Riemann

In der Automobilbranche und in der Luftfahrttechnik findet Kohlenstofffaser aufgrund seiner Härte und Leichtigkeit schon lange Verwendung. In diesem ausführlichen Leitfaden erfahren Sie, was der 3D-Druck mit Kohlefaser ist und ob er für Ihr Vorhaben passt oder nicht.

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Bei Entscheidung zur Anaschaffung eines 3D-Kohlefaserdruckers sollten unbedingt die jeweiligen Materialkosten beachtet werden.
Bei Entscheidung zur Anaschaffung eines 3D-Kohlefaserdruckers sollten unbedingt die jeweiligen Materialkosten beachtet werden.
(Bild: Stratasys)

Stark wie Metall, leicht wie Kunststoff und hohe Beständigkeit gegen Hitze, Chemikalien und Korrosion, das verspricht der Kohlestofffaser-3D-Druck. Er macht Fahrradrahmen leichter, Propellerblätter stärker und Industriewerkzeuge haltbarer.

Obwohl Kohlefaser (engl. Carbon Fiber) bereits seit den 1960er Jahren als Herstellungsmaterial verwendet wird, ist es als Material für den 3D-Druck relativ neu. Vermischt mit anderen Materialien, einschließlich einer breiten Palette von Kunststoffen, verbessert Kohlefaser die Eigenschaften dieser Materialien und erweitert ihre Einsatzmöglichkeiten.

Neue 3D-Kohlenstofffaserdrucker verschiedener Hersteller sowie ein ständig wachsendes Angebot an Kohlenstofffasermaterialien stärken das Profil dieser vielseitigen additiven Fertigungsoption.

In diesem Leitfaden helfen wir Ihnen, die Frage zu beantworten, ob der 3D-Druck mit Kohlefaser für ihre Anwendung geeignet ist? Wir geben Ihnen auch die Einblicke, die Sie benötigen, um Entscheidungen beim Kauf von Druckern und Materialien zu treffen.

Die Entscheidung für Kohlefaser

Es gibt hunderte verwendbare Materialien, warum Kohlefaser? In diesem Abschnitt untersuchen wir die Vor- und Nachteile des Materials und die häufigsten industriellen Anwendungen von 3D-gedruckten Kohlefaserteilen.

Vorteile

  • Leichtgewicht im Vergleich zu Metall
  • Teile haben im Vergleich zu Kunststoffen eine höhere Festigkeit und Steifigkeit
  • Außergewöhnliche Dimensionsstabilität (Eigenschaft von Stoffen, unter wechselnden Umgebungsbedingungen maßhaltig zu bleiben)
  • Hervorragend geeignet sowohl für Endanwendungsteile als auch für funktionale Prototypen, die eine metallähnliche Festigkeit erfordern
  • Beständigkeit gegen Korrosion

Nachteile

  • Kohlefaserverbundfilamente sind teurer als die meisten Filamente ohne Kohlefasern
  • Kohlefaser ist teurer als einige Metalle
  • Ein extrem abrasives Material, das Druckerdüsen abnutzen kann
  • Spröder als einige andere Kunststoffe
  • Erhöhtes Risiko, Druckerdüsen zu verstopfen
  • Die Kohlefaserdrucker sind oft teurer als andere Technologien

Anwendungen in der Praxis

Der Rahmen des Emery-E-Bikes von Arevo wurde mit einem kontinuierlichen Kohlefaser-3D-Druckverfahren hergestellt. Damit ist es das erste Fahrrad, das so einen Rahmen hat.
Der Rahmen des Emery-E-Bikes von Arevo wurde mit einem kontinuierlichen Kohlefaser-3D-Druckverfahren hergestellt. Damit ist es das erste Fahrrad, das so einen Rahmen hat.
(Bild: Arevo)

Wie bereits vorgestellt, erhöht Kohlefaser die Festigkeit und Stabilität von 3D-Druckteilen und verringert gleichzeitig ihr Gesamtgewicht. Dies macht sie zu einem idealen Verbundwerkstoff für eine breite Palette von 3D-Druckanwendungen, von funktionalen Prototypen bis hin zu Endanwendungsteilen.

Prototypen & Funktionsprototypen aus Kohlefaser

Bevor Sie ein Bauteil in die Produktion geben, testen Sie mit einem Prototypen Funktionsweise, Haptik oder Stabilität. Wenn Ihr endgültiges Produkt Festigkeit und Funktionalität benötigt, ist ein Kohlefaser-Prototyp ideal. In vielen Fällen können Endbenutzer den Kohlefaser-Prototypen installieren (zum Beispiel Türscharniere, Roboterarme oder Motorteile) und einen Proof-of-Concept unter realen Bedingungen durchführen. Zu den Vorteilen gegenüber der Herstellung eines Prototyps, insbesondere eines Metallprototypen, gehören die Iterationsgeschwindigkeit und die geringeren Kosten. Die Feinabstimmung Ihres Prototyps über mehrere 3D-Drucke ist letztendlich weitaus weniger kostspielig und zeitaufwändig als die Herstellung von Werkzeugen und ermöglicht es Ihnen, schneller zu innovieren und Ihr Produkt vor der Konkurrenz auf den Markt zu bringen.

Für diesen Prototypen kommt ein mit Kohlefaser verstärkter Werkstoff auf Polyamidbasis, das laut CRP Technology seine maximale mechanische Festigkeit beibehält. Außerdem soll es wasserdicht sein mit ausgezeichneten Dichtungseigenschaften gegenüber Flüssigkeiten wie Wasser, Öl oder Benzin und gegenüber Gas.

Endbauteile und Produkte aus 3D-gedruckten Kohlefasern

Mit dem Emery E-Bike hat Arevo ein Fahrrad konstruiert, welches über einen 3D-gedruckten Rahmen aus Kohlefaser verfügt. Nach Unternehmensangaben konnten die Erwartungen hinsichtlich Festigkeit und Kosten übertroffen werden. Das Bike soll etwa 3000 US-Dollar kosten. Im Vergleich zu herkömmlichen E-Bikes soll das Emery deutlich leichter sein und trotz Kohlefaser sehr stabil sein. Bisher haben Fahrradrahmen aus Kohlefaser häufig Probleme mit der Festigkeit und Stabilität. Arevo möchte diese Probleme mit ihrem 3D-Druckverfahren lösen. So sieht das Emery aus:

In einer Anwendungen des 3D-Drucks mit Kohlefaser zeigt diese Fallstudie von Fargo Additive Manufacturing Equipment 3D, wie ein jamaikanischer Ingenieur erschwingliche Prothesenfüße für Amputierte druckt.

Welcher Kohlefaserdrucker ist der richtige für Sie?

Es gibt eine wachsende Auswahl an 3D-Kohlefaserdruckern auf dem Markt. Dieser hält sowohl für kleine als auch für große Unternehmen, mit Preisen zwischen etwa 5.000 und Hunderttausenden von Euro, etwas bereit. Aber was ist der Unterschied zwischen einem professionellen Drucker und einem nicht-professionellen Drucker, der auch mit Kohlefaser drucken kann?

Für die Zwecke dieses Artikels sind die Kohlefaserdrucker nicht nach dem Preis, sondern nach der Technologie eingeteilt.

Wenn es um Kohlefaserdrucker geht, gibt es zwei verschiedene gängige Arten sowie einzigartige aufstrebende Technologien.

Die erste und am weitesten verbreitete Art sind die FDM-Drucker (Fused Deposition Modeling), die kohlefaserverstärkte Fäden (neben anderen Arten von Fäden) verwenden können, um Schicht um Schicht des Materials aufzutragen. Die Wärme, die verwendet wird, um das Filament biegsam zu machen, richtet auch die eingebetteten Kohlenstofffasern in Druckrichtung aus, was dem endgültigen Druck seine Festigkeit und Steifigkeit verleiht. Eine breite Palette von FDM-Druckern kann heiß genug werden, um mit Kohlefaserfilament zu drucken, benötigt aber wegen der abrasiven Qualität des Materials eine spezielle Düse.

Die zweite Methode des Kohlefaserdrucks verwendet zwei Extrusionsdüsen; eine legt eine Schicht aus Endloskohlefaser (keine geschnittenen Fasern) auf, während die andere eine Schicht aus einem anderen Material aufbringt. Bei dieser Methode, bei der Endloskohlefaserstränge verwendet werden, werden Teile hergestellt, die stärker sind als bei der Verwendung von geschnittenen Fasern und eine gleichmäßigere Lastverteilung bieten. Diese Methode eignet sich auch ideal für Teile, die nicht durchgehend Kohlefaser benötigen, sondern stattdessen in bestimmten Bereichen - beispielsweise nur an der Außenwand - verstärkt werden müssen.

Andere Kohlefaser-3D-Drucktechnologien beinhalten das Laminieren von Kohlefaserplatten, das Aushärten von mit Photopolymerharz beschichteter Kohlefaser und die Verwendung eines Lasers zum Verschmelzen von thermoplastischen Basismaterialien, die mit der Kohlefaser verbunden sind.

Der Fokus dieses Artikels liegt auf Endloskohlefasermaschinen, harzbeschichtete Kohlefasermaschinen und solchen, die Kohlefaserplatten verwenden, da dies die am häufigsten in industriellen Anwendungen verwendeten Technologien sind. Einige Ausreißer der Kohlefasertechnologie sind am Ende dieses Artikels aufgeführt.

Anstatt einen eigenen Drucker zu kaufen, können Sie Ihre Teile natürlich auch bei einem 3D-Druckserviceunternehmen bestellen oder einen Vertrag mit einem Hersteller von Kohlefaserdruckern abschließen, die ebenfalls auf Abruf drucken.

Einkaufsführer 3D-Kohelfaserdrucker

Einkaufsführer Kohelfaserdrucker
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Kohlenstofffaser-Materialien

Bei Entscheidung zur Anaschaffung eines 3D-Kohlefaserdruckers sollten unbedingt die jeweiligen Materialkosten beachtet werden.
Bei Entscheidung zur Anaschaffung eines 3D-Kohlefaserdruckers sollten unbedingt die jeweiligen Materialkosten beachtet werden.
(Bild: Stratasys)

Fast alle der in diesem Artikel vorgestellten industriellen Kohlefaserdrucker verwenden proprietäre Materialien, die nur über den Druckerhersteller erhältlich sind. In den meisten Fällen können Sie mit Ihrem Kohlefaserdrucker nur die vom Hersteller zugelassenen Materialien verwenden, aber es gibt trotzdem noch Auswahlmöglichkeiten.

Zum Beispiel kann der Markforged Mark Two neben Endloskohlefaser auch mit seinem proprietären Onyx drucken, das aus Nylon gemischt mit geschnittener Kohlefaser sowie Glasfaser und Kevlar hergestellt wird. Der Anisoprint kann je nach Bedarf mit Endloskohlefaser oder Basaltfaser drucken. Die Desktop Metal Fiber Edition hat möglicherweise die größte Auswahl an Materialien von Carbon-PEEK bis hin zu mehreren Carbon-Nylon-Optionen.

Die Materialkosten sollten Sie bei der Kaufentscheidung daher in jedem Fall berücksichtigen.

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Dieser Text basiert auf der Freien Übersetzung des Beitrags 'Carbon-Fiber-3D-Printing a Guide for Decision Makers' von All3DP.com und wurde lizenziert nach Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0).

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