Vorteile, verfügbare Technologien und Anwendungen für den 3D Druck von Verbundmaterialien

Die Verarbeitung von Verbundmaterialien im 3D Drucker ist eine junge Technologie, die jedoch ein großes, weitgehend noch ungenutztes Potenzial besitzt. Laut einem Bericht von SmarTech Analysis wird der 3D-Druck mit Verbundmaterialien innerhalb des nächsten Jahrzehnts zu einem Geschäft von fast 10 Milliarden US-Dollar werden - gelinde gesagt eine bedeutende Wachstumschance.

In dem heutigen Artikel werden wir uns mit den Vorteilen des 3D-Verbunddrucks, den auf dem Markt verfügbaren Schlüsseltechnologien und Anwendungen befassen, um herauszufinden, was das Wachstum dieser aufregenden Branche antreibt.

Was ist ein Komposit ?

Kompositmaterialien bzw. Verbundwerkstoffe umfassen typischerweise ein Kernpolymermaterial und ein Verstärkungs-material, wie z. B. geschnittene oder Endlos-Fasern. Das Verbundmaterial bietet im Vergleich zu nicht verstärkten Polymeren eine höhere Festigkeit und Steifigkeit. In einigen Fällen kann es sogar Metalle wie Aluminium ersetzen. 

Diese verbesserten Materialeigenschaften machen Verbundwerkstoffe zu begehrten Materialien für Werkzeuge und Endanwendungen in einer Reihe von Branchen wie Luft- und Raumfahrt, Automobilindustrie, Industriegüter sowie der Öl- und Gasindustrie.

Was sind die Vorteile des 3D-Verbunddrucks ?

Die Möglichkeit, die Kosten der traditionellen Verbundherstellung zu rationalisieren und zu senken, ist einer der Schlüsselfaktoren für das Wachstum des 3D-Verbundmaterialdrucks. Neben dem 3D-Druck gibt es zahlreiche Methoden zur Herstellung von Verbundbauteilen. Die meisten von ihnen weisen jedoch eine Reihe von Nachteilen auf: die Notwendigkeit des manuellen Auflegens der Schichten eines Verbundwerkstoffs und die Verwendung teurer Aushärtungsgeräte und Werkzeuge wie Formen. Dies macht den Prozess der traditionellen Herstellung von Bauteilen aus Verbundwerkstoffen sehr arbeits-, ressourcen- und kapitalintensiv, was bedeutet, dass es schwierig sein kann, ihn auf große Mengen zu skalieren.

Der 3D-Druck hingegen ermöglicht die Automatisierung des Herstellungsprozesses, da der gesamte Prozess von Software gesteuert wird und nur in der Nachbearbeitungsphase ein manuelles Eingreifen erfordert.

Endlos-Fasern vs. unterbrochene Fasern

Beim 3D-Druck ist es möglich, mit zwei verstärkenden Fasertypen zu drucken, unterbrochene Fasern und Endlos-Fasern. Bei unterbrochnenen Fasern werden kleine Stränge mit einer Länge von weniger als einem Millimeter in das Polymer-material integriert. Der prozentuale Anteil der verwendeten Fasern und des Basisthermoplast bestimmen, wie stark das Endteil ist. Bei Endlosfasern werden lange Faserstränge während des Druckvorgangs mit Thermoplasten wie PLA, ABS, Nylon, PETG und PEEK gemischt. Mit Endlos-Faser 3D-gedruckte Teile sind extrem leicht und dennoch so stark wie Metall. In Bezug auf die verwendeten Fasertypen ist Kohlefaser eine der beliebtesten, gefolgt von Glasfaser und Kevlar.

3D-Drucktechnologien für Verbundfaser-Werkstoffe auf dem Markt

Im Jahr 2020 ist der Markt für 3D-Verbundfaserdruck noch jung und nur eine Handvoll Unternehmen bieten 3D-Verbunddrucklösungen an. Die meisten 3D-Drucker, die Verbundwerkstoffe verarbeiten können, basieren auf dem Polymerextrusionsverfahren, das als Fused Filament Fabrication (FFF) bezeichnet wird.

In FFF bewegt sich eine Düse über der Bauplattform, extrudiert einen geschmolzenen Plastikfaden, der als Filament bezeichnet wird, und erzeugt Schicht für Schicht ein Objekt.

Der 3D-Druck von Filamenten, die unterbrochene Fasern enthalten, ist unkompliziert und erfordert nur eine Düse aus gehärtetem Stahl, um abrasiven Fasersträngen zu widerstehen. Wenn es jedoch um kontinuierliches Faserdrucken geht, erfordert das FFF-Verfahren eine zweite Düse, um einen einzelnen, ununterbrochenen Faserstrang separat abzulegen.

Markforged: Pionier des 3D-Drucks mit Verbundfaser-Materialien

Das 3D-Druckverfahren für Endlosfasern wurde erstmals 2014 von Markforged eingeführt, als das Unternehmen den Mark One 3D-Drucker auf den Markt brachte. Inzwischen ist die zweite Generation als Mark Two 3D-Drucker verfügbar.

Während der Mark One durch eine neue Generation von 3D-Druckern ersetzt wurde, bleibt die Technologie dieselbe: Der Drucker ist mit zwei Düsen ausgestattet, von denen eine zum Ablegen von Kunststofffilamenten und die andere zum gleichzeitigen Ablegen von Kohlefasersträngen dient. Jetzt, im Jahr 2020, bietet Markforged eine Reihe von Desktop- und industriellen 3D-Verbunddruckern an mit Hauptanwendungen für das funktionale Prototyping und die Herstellung von Endanwendungsteilen und Werkzeugen.

Die Micro Automated Fiber Placement-Technologie von Desktop Metal

Desktop Metal ist ein weiteres Unternehmen, das die FFF-Technologie für den Druck von Verbundwerkstoffen innoviert hat. In einem Schritt, der für ein Unternehmen, das sich zuvor ausschließlich auf den 3D-Metalldruck konzentrierte, ziemlich überraschend war, brachte Desktop Metal im November 2019 den Fiber 3D-Drucker auf den Markt.

Ein neues Polymer-Desktop-System kombiniert eine traditionelle AFP-Technologie (Automated Fibre Placement) mit FFF für 3D-Druckteile, die durch Endlosfasern verbessert werden. Die AFP-Technologie ist ein automatisierter Herstellungs-prozess für Verbundwerkstoffe. Dabei werden Faserverstärkungen auf typischerweise komplexen Werkzeugformen erhitzt und verdichtet, um Endlosfaserverbundwerkstoffe herzustellen. Desktop Metal hat diesen Prozess auf ein Desktop-Format verkleinert und seine neue Technologie Micro Automated Fibre Placement (μAFP) genannt. Das μAFP funktioniert wie die Technologie von Markforged, verwendet jedoch keine Faserspulen, sondern Rollen aus Faser-bändern. Es kann Kohlefaser in Nylon, PEEK und PEKK einbetten und Nylon kann auch in Glasfaser integriert werden.

Bei der Herstellung kleiner Verbundteile verlassen sich die Hersteller nach wie vor hauptsächlich auf das Auflegen von Hand. Solche arbeitsintensiven Prozesse erfordern Techniker, teure Werkzeuge und viel Zeit, was die Gesamtkosten für die Herstellung eines Teils erhöht. Durch die Kombination von μAFP mit FFF in seinen neuen Fasersystemen möchte Desktop Metal kleinere Verbundteile einfacher und kostengünstiger herstellen. Mit der Faser können Vorrichtungen und Vorrichtungen, verschiedene Endanwendungsteile sowie alle Komponenten hergestellt werden, bei denen das Gewicht im Vordergrund steht, z. B. Rennausrüstung.

Anisoprints Composite Fibre Coextrusion-Technologie

In ähnlicher Weise hat Anisoprint, ein russisches/luxemburgisches Start-Up, ein extrusionsbasiertes Verfahren entwickelt, das das Unternehmen Composite Fibre Coextrusion (CFC) nennt.

Im Gegensatz zu den Technologien von Markforged und Desktop Metal ermöglicht die CFC-Technologie die Verstärkung von Kunststoff mit Endlosverbundfasern direkt während des Druckprozesses und nicht im Vordruck. Mit diesem Ansatz können Benutzer jeden gewünschten Kunststoff (PETG, ABS, PC, PLA, Nylon usw.) verwenden und die Fülldichte des Verbundwerkstoffs ändern.

Das erste Gerät von Anisoprint war ein Composer 3D-Drucker im Desktop-Format. Vor kurzem hat das Unternehmen auch den Anisoprint ProM IS 500 vorgestellt, eine Industriemaschine zum Drucken von Hochtemperatur-Thermoplasten mit kontinuierlicher Faserverstärkung. Der Anisoprint ProM IS 500 verfügt über bis zu vier austauschbare Druckköpfe zum Drucken von Verbundwerkstoffen und reinem Kunststoff. Mit diesen ist es möglich, verschiedene Zonen des Teils mit verschiedenen Verbundwerkstoffen (z. B. Kohlenstoff / Basalt) zu verstärken, abhängig vom Ziel des Benutzers.

Wenn das System Ende 2020 offiziell eingeführt wird, ist dies ein weiterer Fortschritt, sowohl für den 3D-Verbunddruck als auch für die fortschrittliche Polymerherstellung.

3D-Druck mit Verbundwerkstoffen und die Robotik

Neben dem FFF-3D-Druck haben einige Unternehmen einen Ansatz entwickelt, der 3D-Verbunddruck mit Robotik kombiniert. Eine solche Kombination bietet eine größere Flexibilität in Bezug auf die Geometrie, da sich der Roboter-arm entlang mehrerer Achsen bewegen kann und so die Möglichkeit bietet größere Teile zu drucken.

Arevo ist ein solches Unternehmen, das eine laserbasierte Methode für den 3D-Druck mit Kohlefaser entwickelt hat. Das Verfahren beinhaltet die Abscheidung von Schichten aus vorimprägniertem kontinuierlichem Kohlefaserfilament, das gleichzeitig mit einem Laser erwärmt wird, bevor eine Walze es auf die Baufläche komprimiert. Das Verfahren ähnelt dem Direct Energy Deposition-Verfahren, das typischerweise bei Metall angewendet wird.

Bei Arevo wird der Druckkopf auf einem mehrachsigen Roboterarm montiert, so dass 3D-Druck in jeder Ausrichtung möglich ist, die am besten zum Design des Teils passt.

„Wenn Sie sich den 3D-Druck ansehen, basiert der größte Teil des 3D-Drucks auf Ebenen, und die Ebenen werden in der X- und Y-Ebene abgelegt. Wenn Sie sich die Eigenschaften von Teilen ansehen, die mit diesem Verfahren hergestellt wurden, leiden sie tendenziell in Z-Richtung “, sagt Wiener Mondesir, CTO bei Arevo. Dank der Verwendung eines Roboterarms hat Arevo „das Problem der Festigkeit in Z-Richtung beseitigt, das andere schichtbasierte Technologien plagt, weil sie in der Lage sind, Material in Z-Richtung abzulegen“.

Darüber hinaus bieten Roboter eine "theoretisch unbegrenzte Baugröße, da wir unsere Roboter in Portalbauweise aufbauen können, um Teile für die Luft- und Raumfahrt herzustellen. Gleichzeitig kann derselbe Roboter ein Fahrrad bauen.“ Arevo hat den letzteren Punkt durch die Entwicklung des weltweit ersten 3D-gedruckten Fahrradrahmens aus Verbundwerkstoff demonstriert. Mehr zu dieser Anwendung weiter unten.

Continuous Composites

Ein weiteres Unternehmen, das 3D-Verbunddruck und Industrieroboter kombiniert, ist Continuous Composites mit Sitz in den USA.

Die als CF3D (Continuous Fiber 3D Printing) bezeichnete Methode führt eine Rolle trockener Kohlefaser in einen Druckkopf ein, der auf einem siebenachsigen Industrieroboter montiert ist. Im Inneren des Druckkopfs wird die Faser mit einem schnell aushärtenden Photopolymerharz imprägniert und dann durch den "End Effektor" extrahiert und sofort mit einer leistungsstarken Energiequelle ausgehärtet. Wie bei Arevo ermöglicht der siebenachsige Roboter-Arm, dass die Faser in allen Richtungen orientiert werden kann um ein Teil zu erzeugen, das in allen Richtungen eine hohe Festigkeit aufweist. Interessanterweise ermöglicht das Aushärten des Harzes simultan mit der Extrusion das Drucken des CF3D-Prozesses in der Luft, ohne Support-Material.

Fortify: Kombination von 3D-Verbunddruck mit digitaler Lichtverarbeitung

Wie oben dargestellt, sind Teile, die mit unterbrochener Kohlefaser in 3D gedruckt wurden, schwächer als solche, die mit kontinuierlicher Kohlefaser hergestellt wurden. Das in Boston ansässige Start-Up Fortify hat jedoch seine DCM-Technologie (Digital Composite Manufacturing) entwickelt, die beweist, dass dies nicht immer der Fall ist.

DCM ist eine neuartige Version der digitalen Lichtverarbeitung (DLP), bei der ein Projektor verwendet wird, um ein lichtempfindliches Harz in flüssigem Zustand zu härten. Im Fall von DCM wird das verflüssigte Harz mit Verstärkungs-additiven wie unterbrochenen Kohlenstofffasern gemischt, die während des Druckvorgangs unter Verwendung eines Magnetfelds ausgerichtet werden.

„Wir haben eine Technik entwickelt, mit der wir Fasern in einem flüssigen Medium magnetisch ausrichten können. Bei den Teilen, die wir drucken, handelt es sich im Wesentlichen um Verbundwerkstoffe mit der höchsten Auflösung, die bisher hergestellt wurden. Mit der Magnetbaugruppe können wir in jedem Voxel mehrere Eigenschaften wie Festigkeit, Steifheit und Wärmeleitfähigkeit in drei Dimensionen steuern “, erklärt Dr. Joshua Martin, CEO von Fortify, in einem Interview. Ein Bereich, auf den sich Fortify derzeit konzentriert, ist die Entwicklung von Werkzeugen mit seiner Verbundwerkstoff-Technologie.

"Wir drängen stark in den [Spritzguss-] Markt, weil unsere Werkzeuge wesentlich mehr Schüsse und Zyklen verarbeiten können als wettbewerbsfähige Lösungen."

Im vergangenen Jahr hat Fortify 10 Millionen US-Dollar für eine Serie-A-Finanzierung gesammelt und Partnerschaften mit zwei Chemiekonzernen, Royal DSM und Henkel, geschlossen. Angesichts dieser Meilensteine ​​ist Fortify in einer guten Position, um seine Technologie zur Kommerzialisierung voranzutreiben, die für das nächste Jahr geplant ist. 

Impossible Objects

Impossible Objects ist ein weiteres Unternehmen, das den Bereich des 3D-Verbunddrucks innoviert. Anstatt Extrusion oder Robotik zu verwenden, hat das Unternehmen einen völlig einzigartigen Ansatz entwickelt.

Bei dem als Composite-Based Additive Manufacturing (CBAM) bezeichneten Verfahren werden Folien aus faserverstärkendem Material wie Kohlefaser unter einen Tintenstrahldruckkopf geführt, der eine flüssige Lösung im entsprechenden Querschnitt des Layers auf die Folie aufbringt.

Danach wird eine Schicht Polymerpulver auf die Folie aufgebracht. Das Pulver haftet an den Stellen, an denen sich die Flüssigkeit abgelagert hat. Das überschüssige Pulver wird abgeblasen oder abgesaugt. Dies wird Schicht für Schicht wiederholt, bis das Objekt als Stapel von Blättern vollständig ist. Dieser Stapel wird dann komprimiert und in einen Ofen gegeben, der das thermoplastische Pulver schmilzt, was zu einem faserverstärkten thermoplastischen Verbundstoff führt. Aufgrund des Tintenstrahldrucks ist das CBAM-Verfahren viel schneller als Extrusionsverfahren, und es besteht auch die Möglichkeit, große Teile zu drucken. Der neueste 3D-Drucker von Impossible Object, der 2019 eingeführte CBAM-2, kann 3D-Druckteile mit Blättern von etwa 30 cm x 30 cm (12 Zoll x 12 Zoll) drucken. Das CBAM-2 kann derzeit mit PEEK- und Nylon 12-Thermoplasten und langen Fasern aus Carbon oder Glasfaser arbeiten. Weitere Materialien, einschließlich Nylon 6 und Elastomere, sind in Entwicklung.

Anwendungen für 3D-Druck mit Verbundwerkstoffen

Anwendungen für den 3D-Verbunddruck reichen vom Prototyping über die Werkzeugherstellung bis hin zur Herstellung von Endbauteilen. In der Luft- und Raumfahrtindustrie kann die Herstellung von Werkzeugen ein langer und teurer Prozess sein. Um diese Herausforderungen zu beseitigen, wandte sich der amerikanische Luft- und Raumfahrthersteller Bell Helicopters an Thermwood, um große Formen für Hubschrauberblätter herzustellen.

Thermwood ist ein in den USA ansässiger Hersteller, der die LSAM-Technologie (Large Scale Additive Manufacturing) entwickelt hat, mit der große Verbundwerkzeuge gedruckt werden können. Eines der einzigartigen Merkmale des LSAM 3D-Druckers von Thermwood ist sein hybrider Ansatz zur Herstellung von Teilen, bei dem additive und subtraktive Technologien kombiniert werden. Um auf Bell zurück zu kommen, das Unternehmen benötigte ein sehr großes Verbundwerkzeug mit guter Oberflächengüte, engen Toleranzen und der Fähigkeit der Verarbeitung im Autoklaven standzuhalten - eine Technik, mit der Verbundteile verstärkt werden können, die erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur ausgesetzt sind.

LSAM war aus zwei Hauptgründen ideal für eine solche Anwendung. Erstens konnte das 6 m lange Werkzeug aus einem kohlenstoffverstärkten Hochleistungs-PESU-Material hergestellt werden, das hohen Drücken und Temperaturen standhält. Zweitens, da LSAM eine Hybridtechnologie ist, kann ein Teil ohne die Notwendigkeit einer Bearbeitung auf einer zweiten Maschine in 3D gedruckt und fertiggestellt werden, was den Produktionsprozess weiter beschleunigte.

Diese Vorteile ermöglichten es Thermwood, das Werkzeug in nur wenigen Tagen herzustellen, im Gegensatz zu den Monaten, die herkömmliche Verfahren benötigen würden. Diese Errungenschaft weist auf die neuen Möglichkeiten hin, die der großflächige 3D-Verbunddruck für große und technisch komplexe Luft- und Raumfahrtkomponenten eröffnet.

Wärtsilä 3D druckt zusammengesetztes Hebewerkzeug

Wärtsilä, ein auf Schiffs- und Energiemärkte spezialisiertes Unternehmen, verwendete einen X7-3D-Verbunddrucker von Markforged zur Herstellung eines Hebewerkzeugs. Das Werkzeug ist eine kundenspezifische Hardware, mit der das Team immens schwere Motorteile wie Kolben bewegen kann.

Das Unternehmen bearbeitete solche Werkzeuge aus massivem Stahl, fand das Verfahren jedoch zu teuer und entschied sich für den 3D-Druck eines mit Kohlefaser verstärkten Polymer-Hebewerkzeugs. Das resultierende Werkzeug war 75 Prozent leichter und konnte 960 kg heben. Wärtsilä geht davon aus, dass allein durch die Umstellung auf 3D-Verbunddruck 100.000 Euro an Werkzeugkosten eingespart wurden.

Dieses Beispiel zeigt auch die Möglichkeit Metallbauteile durch leichtere, aber gleich starke Verbundwerkstoffe zu ersetzen.

Fahrradrahmen aus Verbundwerkstoff

Fahrradrahmen sind eine der erfolgreichsten Anwendungen des 3D-Verbunddrucks in der Herstellung von Endteilen. Fahrradrahmen aus Kohlefaser werden immer beliebter, da sich die Materialeigenschaften gut für die Rahmen-konstruktion eignen. Das Material ist stark, langlebig und leicht, was es zu einer begehrten Alternative zu Fahrrad-rahmen aus Metall macht.

Arevo verwendet Robotikmaterialien und -software, damit Produktdesigner und -hersteller mithilfe des 3D-Drucks starke, leichte Verbundbauteile erstellen können.

Kohlefaserrahmen weisen jedoch zwei Hauptnachteile auf: Das Material ist extrem teuer und der Herstellungsprozess ist arbeitsintensiv. Arevo bewältigt diese Herausforderungen mit seinem Roboter-3D-Druckverfahren. Der Ansatz des Unternehmens schafft einen Rahmen, der in allen drei Dimensionen gleichmäßig stark ist. Diese Funktion unterscheidet die Arevo-Technologie vom herkömmlichen Filament-3D-Druck, bei dem 3D-gedruckte Teile beim ersten Drucken anisotrop sind, was bedeutet, dass sie nicht in alle Richtungen gleich stark sind. Dank dieser Technologie kann Arevo nach eigenen Angaben Kohlefaser-Fahrräder zu wettbewerbsfähigen Kosten von 300 US-Dollar herstellen, verglichen mit ähnlichen traditionell hergestellten Fahrrädern mit einer durchschnittlichen Preisspanne zwischen 1000 und 2000 US-Dollar. Das Start-up arbeitet bereits mit einigen Fahrradherstellern zusammen, darunter Franco Bicycles und Pilot. Mit der zunehmenden Verbreitung des 3D-Drucks von Composite-Fahrrädern erweitert die Technologie von Arevo den Bereich der Fahrradherstellung um eine neue Dimension.

Composite 3D-Druck: Grenzen der Composite-Herstellung überschreiten

Obwohl es sich um eine junge Technologie handelt, gewinnt der 3D-Verbunddruck in der Fertigungsindustrie zunehmend an Bedeutung. Es bietet einen schnelleren und automatisierteren Ansatz für die Herstellung von Verbund-teilen, die seit langem von Hand gefertigt werden.

Der 3D-Druck mit Verbundwerkstoffen hilft dabei, die Materialauswahl für bestimmte Anwendungen zu überdenken, so dass Hersteller Metall durch haltbaren, billigeren Kunststoff ersetzen können. Schließlich hilft es, den Prozess der Herstellung von Verbundbauteilen kostengünstiger zu gestalten.

Zusammengenommen deuten diese Vorteile darauf hin, dass der 3D-Komposit-Druck wachsen und reifen wird und eine Standardmethode der Hersteller zu werden.