Windkraftwerke aus dem 3D-Drucker sind keine Science-Fiction. Der dänische Hersteller Vestas Wind Systems A/S setzt auf dieses Fertigungsverfahren und baut damit Komponenten seiner Windräder. Moderne Drucker wie der Markforged FX20 * erzeugen Kohlenstofffaser-basierte Verbundwerkstoffe – und so setzt Vestas die Endlosfaserverstärkung ein, um strapazierfähige Teile in noch größeren Stückzahlen zu drucken.
Möglich wird das durch die Kombination von modernen, hochfesten Thermoplasten mit Carbonfasern, die das Bauteil verstärken. Der 3D-Druck mit Endlosfaser-Verstärkung wird als Carbon Fiber Reinforcement (CFR) bezeichnet. Die auf das Verfahren spezialisierten Drucker besitzen zusätzlich zu einem Druckkopf für Fused Filament Fabrication (FFF) einen zweiten für das Einlagern der Endlosfaser.
Verbund aus Thermoplast und Kohlefaser
Die damit erzeugten Verbundwerkstoffe bestehen aus zwei Komponenten: dem thermoplastischen Filament als Basismaterial und der Endlosfaser. Das Material für den FFF-Druckkopf ist nicht sehr fest und nur wenig thermostabil. Deshalb lagern viele Hersteller Mikrokohlefasern in die Kunststoffe ein – winzige Abschnitte von Kohlenstofffasern, die das Grundmaterial nur marginal verstärken.
Im Gegensatz hierzu gibt der zusätzliche CFR-Druckkopf ein Faserbündel aus, das mit einem Thermoplast beschichtet ist. Seine beheizte Düse verschmilzt die Endlosfaser mit der zuletzt gedruckten Filamentschicht. Dabei bestimmt der Drucker flexibel die Menge und Ausrichtung der Fasern pro Schicht und zugleich die Anzahl der Schichten mit Fasern.
Sie werden auf drei unterschiedliche Weisen in das Bauteil integriert. Bei der Sandwich-Technik erscheinen Endlosfasern nur auf der Ober- und Unterseite eines Werkstücks, wo Biegekräfte am stärksten wirken. Bei der Schalenverstärkung erhält jede Schicht des Werkstücks Endlosfasern und in Streifentechnik erscheinen sie nur in Schlüsselbereichen des Werkstücks als stabilisierende Bandstrukturen.
Festigkeiten wie Aluminium
Kombinierte FFF/CFR-Drucker wie der FX20 nutzen eine große Auswahl an Basismaterialien und Fasern. Herkömmliches Nylon lässt sich gut lackieren oder einfärben. Onyx ist ein Mikrokohlefaser-gefülltes Nylon. Es bietet als Einzelmaterial im 3D-Druck eine hohe Festigkeit, Widerstandsfähigkeit und chemische Beständigkeit. Mit Endlosfasern verstärkt, lassen sich Teile mit der Festigkeit von Aluminium herstellen.
Von diesem Basismaterial gibt es weitere Varianten: Onyx FR und Onyx FR-A sind flammhemmend, letztere ist für die Luftfahrt zertifiziert. Onyx ESD ist ein neu entwickeltes Polymer für das Fertigen elektronischer Bauteile – es bietet hohen Schutz vor elektromagnetischer Aufladung (ESD). Dabei ist es sogar stärker und steifer als Onyx.
Diese Materialien sind auch für den kombinierten Druck mit Endlosfasern gedacht. Doch eine bessere Alternative ist eine an den neuen Markforged CFR-Drucker FX20 angepasste Neuentwicklung: Das flammhemmende, hochleistungsfähige thermoplastische Filament Ultem 9085. Es ergibt zusammen mit Endlos-Carbonfasern hochfeste, hitzebeständige und leistungsfähige Bauteile. Das Material erfüllt Anforderungen anspruchsvoller Branchen wie Luft- und Raumfahrt, Verteidigung, Automotive, Öl und Gas.
Endlosfasern für den 3D-Druck: Kohle, Glas, Aramid
Ultrahochfeste Endlosfasern erzeugen in einem Basisverbundmaterial wie Onyx oder Ultem-9085 Teile, deren Festigkeit mit 6061-T6-Aluminium vergleichbar ist. Carbon Fiber und die schwer entflammbare Variante Carbon Fiber FR bewältigen viele Einsatzszenarien. Für anspruchsvolle Anwendungen eignet sich Aramid Fiber (Kevlar). Das Material ist für hohe Energieabsorption und extreme Belastbarkeit bekannt. Es sorgt für schlagfeste Teile, die fast nie brechen.
Eine kostengünstige Alternative zu diesen Fasern ist einfache Glasfaser. Dagegen ist hochfeste Hochtemperatur-Glasfaser (HSHT-Glasfaser) besonders geeignet für Teile in Hochtemperaturumgebungen wie Gussformen, Autoklaven. HSHT besitzt eine mit stabilen Aluminiumlegierungen vergleichbare Festigkeit und widersteht zusätzlich starker Hitze.
Der ideale Drucker für diese Filamente und Fasern ist der FX20. Die moderne Produktionsplattform kann exklusiv das verbesserte Ultem 9085 mit Endlos-Carbonfasern drucken. Das Gerät besitzt eine beheizte Baukammer mit 200 °C Höchsttemperatur und druckt Teile mit einer Größe bis zu 525 x 400 x 400 mm3. Dabei arbeitet der FX20 bis zu achtmal schneller als andere Druckermodelle.
Hochfeste 3D-Druck-Teile im Industrieeinsatz
Durch Verbindung mit der KI-gestützten Cloud-Plattform Digital Forge bietet der Drucker eine umfassende Fertigungslösung. Unternehmen fertigen damit hochfeste Bauteile, die herkömmlich produzierte ersetzen können. Dies gilt nicht nur für Prototypen, sondern auch für Einzelstücke und Kleinserien. Dadurch ist er ideal für Branchen abseits der Massenfertigung – etwa für Hersteller von Windenergiesystemen wie Vestas.
„Wir können damit teure, mehrstufige und zeitaufwändige konventionelle Fertigungsmethoden umgehen“, sagt Jeremy Haight, Principal Engineer bei Vestas. „Mit CFR-Druck können wir größere und stärkere Teile in kurzer Zeit entwerfen und sie auf Knopfdruck fertigen. Besonders wichtig ist uns dabei die Garantie auf Haltbarkeit durch Verbundwerkstoffe.“
* Europäischer Partner von Markforged:
Mark3D GmbH
In der Werr 11
35719 Angelburg
Tel.: +49 7361 63396-00
www.mark3d.de
