Anwendungsherausforderungen und Durchbrüche von kohlenstofffaserverstärkten Verbundwerkstoffen im 3D-Druck

Technische Wege zur Kohlefaserverstärkung

Es gibt drei Hauptwege für kohlefaserverstärkte 3D-Druckmaterialien: Endlosfaser-Verbunddraht (CF-CRF), gehackter Faserfülldraht und metallbasiertes Sintern von Kohlefasern. Unter anderem extrudiert die CF-CRF-Technologie Kohlenstofffaserbündel und Nylon- oder PEEK-Matrix synchron, um eine kontinuierliche faserverstärkte Struktur zu bilden, und die mechanischen Eigenschaften können um das Zwei- bis Dreifache verbessert werden. Die Schnittfaserroute kann mit einem handelsüblichen FDM-Drucker mit einer speziellen Düse realisiert werden. Die Kosten sind geringer, aber der Verbesserungsbereich liegt zwischen 30 und 50 Prozent.

Besondere Erscheinungsformen der Anisotropie

Die Festigkeit und der Modul von kohlenstofffaserverstärkten Verbundwerkstoffen in Faserrichtung übertreffen die in Nichtfaserrichtung bei weitem, was in scharfem Kontrast zur Isotropie herkömmlicher Metallwerkstoffe steht. Beim Entwerfen von Teilen ist es notwendig, die Faserrichtung an der Hauptspannungsrichtung auszurichten, was durch die Einstellung des Faseranordnungswinkels in der Slicing-Software erreicht wird. Bei Belastungen aus mehreren Richtungen kann durch abwechselnde Faserschichten ein annähernd isotropes mechanisches Verhalten erreicht werden.

Geräteanpassung und Kostenherausforderungen

Kontinuierlicher Faserdruck erfordert einen speziellen Mehrkanalextruder und einen hochpräzisen Faserführungsmechanismus. Die Gerätekosten sind drei- bis fünfmal so hoch wie bei herkömmlichen FDM-Druckern. Kohlefaser-Schleifmittel wirken extrem abrasiv auf Düsen. Messingdüsen haben eine Lebensdauer von nur wenigen Stunden. Es wird empfohlen, Düsen aus gehärtetem Stahl oder Rubin zu verwenden. Die Kontrolle der Konsistenz der Faseranordnung in der Massenproduktion erfordert immer noch einen Prozessverifizierungszyklus als Garantie.