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3D-Drucker produzieren Faserverbund-Bauteile

3D-Drucker legen Endlosfasern in die Lastpfade
Faserverbunde aus dem 3D-Drucker

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Jetzt gibt es 3D-Drucker, die endlosfaserverstärkte Kunststoffteile fertigen können. Arburg und Desktop Metal bieten dafür sehr unterschiedliche Technologien an. Die Vorteile sind die bekannten: Faserverstärkte Composites sind wesentlich leichter und stabiler.

Der auf der Formnext 2019 präsentierte „Fiber“ ist der erste 3D-Drucker von Desktop Metal, der nicht zu Metallteilen führt. Die Entwickler adaptierten dafür das aus der Composites-Produktion bekannte, makroskopische „Automated Fiber Placement“ (AFP) und kreiierten die zu Drucker-Abmessungen passende „µAFP“-Technologie. Das Gerät setzt dabei zwei Druckköpfe ein: Der FFF-Druckkopf legt das Fundament aus Kurzfaser-verstärktem Kunststoffmaterial, worauf dann der µAFP-Kopf die Endlosfaser-Tapes auflaminiert, Schicht für Schicht. In der Wahl der Faserrichtungen ist er variabel, je nach Zielvorgabe. Beide Druckköpfe wechseln sich ab. Während der µAFP-Kopf die µTapes verlegt, generiert der FFF-Druckkopf die Matrix des 3D-gedruckten Composite-Bauteils.

Ein Blick auf die technischen Daten sorgt für so manche positive Überraschung: Verarbeiten lassen sich sowohl Carbon- als auch Glasfaserverstärkte Kunststoffe aus PA6, PEKK oder PEEK. Die gefertigten Composites sollen Umgebungstemperaturen bis zu 250 °C standhalten können. Die Festigkeiten erreichen die doppelten Werte von Stahl bei einem Fünftel des Gewichts – wie bei konventionellen Composites.

Die produzierten Teile sind alles andere als klein, der Bezeichnung „µAFP“ zum Trotz. Als Bauraum werden Abmessungen von 310 x 240 x 270 mm³ angegeben, die sich beim Einsatz des µAFP-Kopfes geringfügig um einige Millimeter verringern. Produzieren lassen sich bis zu 10 kg schwere Teile.

Als weiteres Plus hebt Desktop Metal die Erschwinglichkeit der Geräte hervor: Als Leasing-Rate gibt der US-Hersteller 6540 Euro jährlich für den Fiber HT auf seiner Homepage an. Die Light-Version Fiber LT, die als Matrix nur PA6 verarbeitet, ist schon für 4160 Euro im Jahr zu haben.

Arburg-„Freeformer“ operiert mit separater Endlosfaser-Düse

Arburg steigt in den 3D-Druck von faserverstärkten Bauteilen auf Basis einer völlig anderen Technologie ein. Grundlage ist das Arburg Kunststoff-Freiformen (AKF), bei dem Standardgranulat über Piezo-Düsen appliziert wird. Dabei lassen sich bis zu drei unterschiedliche Materialien über Austragseinheiten verarbeiten.

Die Herstellung von langfaserverstärkten Bauteilen wird der neue Freeformer 300-4X ermöglichen, der auf der Formnext 2019 als „Ausblick“ zu sehen war. Als Neuheit verfügt er erstmals über eine vierte, rotative Achse für seinen Bauteilträger. Eine zusätzliche Faserzuführeinheit wird ihn in die Lage versetzen, Endlosfasern abzulegen und mit Kunststoff zu ummanteln, um beispielsweise Bauteile lokal zu verstärken.

Langfasern nur dort, wo benötigt

Wie dies praktisch aussieht, war auf der Messe am Beispiel einer Handorthese zu sehen, die ein Freeformer 300-4X produzierte. Sie bestand aus Hart-Weich-Zonen mit lokalen Verstärkungen (Foto). Der Prozessablauf: Endlosfasern aus Carbon wurden über eine Rolle zugeführt und gezielt auf dem Bauteilträger abgelegt, unmittelbar danach mit Kunststoff umbettet und auf die gewünschte Länge zugeschnitten. Als Kunststoffe verarbeitet wurden ABS, TPU und Stützmaterial.

Ein besonderes Plus ist der generelle Vorteil des AKF-Prozesses, dass prinzipiell jegliches spritzgießfähige Standardgranulat als Matrix verarbeitet werden kann – darunter etwa sehr weiche TPU, PLLA oder FDA-zertifizierte Werkstoffe für die Medizintechnik. Anwender können aber auch ihre eigenen Originalmaterialien verwenden und Tropfengröße und Prozessführung auf dem offenen System selbst optimieren. (os)



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