So wählen Sie die richtigen Verbundmaterialien für Ihre 3D

Wenn Ihre 3D-gedruckten Teile robuster oder langlebiger sein müssen als herkömmliche Kunststoffe, sollten Sie sich mit industrietauglichen Verbundwerkstoffen befassen. Mit diesen fortschrittlichen Materialien können Sie funktionale Teile herstellen, die robust, leicht und langlebig sind. Für alle, die im Ingenieurwesen oder Produktdesign tätig sind, ist die Auswahl des richtigen Verbundwerkstoffs ein entscheidender Schritt. Das gewählte Material beeinflusst die Leistung, Lebensdauer und Kosten des Teils. Dieser Leitfaden bietet einen einfachen Prozess zur Auswahl des bestes Material für die spezifischen Anforderungen Ihres Projekts.

Was sind Verbundwerkstoffe für den industriellen 3D-Druck?

Industrielle Verbundwerkstoffe für den 3D-Druck bestehen aus zwei Hauptbestandteilen: einem Basiskunststoff und einer Verstärkungsfaser. Um den richtigen Werkstoff auszuwählen, ist es wichtig zu verstehen, welche Funktion die einzelnen Bestandteile haben.

Basispolymer und Verstärkungsfaser

Das Basispolymer oder die Matrix ist der Hauptkunststoff, der dem Teil seine Grundform und Eigenschaften wie chemische oder Hitzebeständigkeit verleiht. Gängige Optionen sind alltägliche technische Kunststoffe wie Nylon (PA) oder PETG, sowie Hochleistungspolymere wie PEEK, die extremen Temperaturen und aggressiven Chemikalien standhalten.

Die Verstärkungsfasern verleihen dem Verbundwerkstoff seine hohe Festigkeit. Diese Fasern werden in das Basispolymer eingemischt, um mechanische Eigenschaften wie Steifigkeit und Schlagfestigkeit deutlich zu verbessern. Die drei gängigsten Fasern sind Kohlefaser, Glasfaser und Kevlar®.

Geschnittene Fasern vs. Endlosfasern

Die Art und Weise, wie die Fasern dem Kunststoff hinzugefügt werden, hat einen großen Einfluss auf die Leistung des Endteils.

Gehackte Fasern sind kurze Faserstränge, die vor dem Drucken in das Kunststofffilament eingemischt werden. Beim Drucken verteilen sich diese Fasern im gesamten Material und machen das gesamte Teil stärker und steifer als der Basiskunststoff allein. Viele Standard 3D-Drucker Sie können diese Filamente verwenden, solange sie über eine gehärtete Düse verfügen, die sich durch das abrasive Material nicht abnutzt.

Endlosfasern hingegen sind einzelne, ununterbrochene Stränge, die während des Druckvorgangs von einem Spezialdrucker mit einer zweiten Düse in das Bauteil eingebracht werden. Dieses Verfahren ermöglicht es, die Festigkeit genau dort einzusetzen, wo sie benötigt wird. So entstehen Teile, die so stabil wie bearbeitetes Aluminium, aber deutlich leichter sind. Dies ermöglicht den Ersatz von Metallteilen durch 3D-gedruckte Verbundwerkstoffe.

So wählen Sie ein Material für Ihre 3D-Projekte aus

Das richtige Material ist nicht immer das stärkste – es ist dasjenige, das die Anforderungen Ihres Projekts auf praktische und kostengünstige Weise erfüllt. Ein klarer Prozess hilft Ihnen, die Wahl eines überdimensionierten und unnötig teuren Materials zu vermeiden.

Schritt 1: Anforderungen definieren

Definieren Sie zunächst die Aufgaben des Teils und die Bedingungen, denen es ausgesetzt sein wird. Dazu müssen die mechanischen, thermischen und chemischen Anforderungen bewertet werden.

• Mechanische Anforderungen: Dies ist oft der Hauptgrund für die Verwendung eines Verbundwerkstoffs. Bedenken Sie die Kräfte, denen das Teil standhalten muss. Benötigt es eine hohe Festigkeit und Steifigkeit, um Biegungen standzuhalten, wie beispielsweise eine Halterung oder eine Fertigungsvorrichtung? Oder benötigt es Zähigkeit und Schlagfestigkeit, um Stürze oder Stöße zu überstehen, wie es bei Robotergreifern häufig der Fall ist? Bei beweglichen Teilen sind Ermüdungs- und Verschleißfestigkeit entscheidend.
• Wärmebedarf: Die Betriebstemperatur ist ein entscheidender Faktor. Die Wärmeformbeständigkeitstemperatur (HDT) eines Materials gibt an, wann es unter Belastung weich wird. Dies ist entscheidend für Teile, die in der Nähe von Motoren, in Fahrzeugen oder in heißen Fabrikumgebungen verwendet werden.
• Chemische und ökologische Anforderungen: Berücksichtigen Sie die Umgebung des Teils. Wird es Ölen, Kühlmitteln oder anderen Chemikalien ausgesetzt sein? Teile für den Außenbereich benötigen UV-Stabilität, um zu verhindern, dass sie spröde werden.Präzisionswerkzeuge müssen eine geringe Feuchtigkeitsaufnahme aufweisen, um die Maßgenauigkeit auch bei feuchten Bedingungen aufrechtzuerhalten.

Schritt 2: Priorisieren Sie Ihre Bedürfnisse

Sobald Sie eine Liste mit Anforderungen erstellt haben, entscheiden Sie, welche unbedingt erforderlich und welche wünschenswert sind. Dies ist wichtig, da Sie fast immer Kompromisse eingehen müssen. Beispielsweise bietet Kohlefaser eine hohe Steifigkeit, ist aber spröder als Kevlar®. Hochtemperaturkunststoffe wie PEEK sind zwar leistungsfähig, kosten aber deutlich mehr als Nylon. Durch die Einstufung Ihrer Anforderungen können Sie sich auf das Wichtigste konzentrieren und eine ausgewogene, kostengünstige Lösung finden.

Ein Vergleich von Verstärkungsfasern

Nachdem Sie die Anforderungen Ihrer Anwendung klar definiert und priorisiert haben, können Sie nun beurteilen, welche Verstärkungsfaser die richtige ist. Jede Faser bietet unterschiedliche Vorteile.

Kohlefaser

Kohlefaser ist das beste Material für Dinge, die stabil, steif und gleichzeitig leicht sein müssen. Daher eignet sie sich ideal für die Herstellung leichterer Teile in der Luft- und Raumfahrt und Robotik oder für die Herstellung von Industriewerkzeugen, die schwerere Teile aus Aluminium ersetzen können. Aufgrund ihrer hohen Steifheit ist Kohlefaser jedoch auch sehr zerbrechlich und daher nicht für den Einsatz in Situationen geeignet, in denen sie starken Stößen ausgesetzt sein könnte. Kohlefaser ist die teuerste und teuerste Verstärkungsmethode.

Fiberglas

Fiberglas ist ein robustes, langlebiges Material, das vielseitig einsetzbar ist. Es ist zudem sehr günstig. Da es keinen Strom leitet, wird es häufig für Prototypen, Elektronikgehäuse und allgemeine Vorrichtungen verwendet, die robuster sein müssen als Kunststoff allein. Kohlefaser ist stärker, aber leichter und steifer als Kohlefaser.

Kevlar® (Aramidfaser)

Kevlar®, das aus Aramidfasern hergestellt wird, ist das langlebigste Material, da es sehr robust ist und sich nicht so schnell abnutzt. Es eignet sich hervorragend für Teile, die lange halten und nicht beschädigt werden dürfen, wie z. B. weiche Klemmbacken zum Halten empfindlicher Teile oder Montageteile, die stark beansprucht werden. Es kann schwierig zu schleifen oder zu verarbeiten sein, und seine Druckfestigkeit ist nicht so hoch wie die von Glasfaser oder Kohlefaser.

Über die Materialauswahl hinaus: Praktische Erfolgsfaktoren

Auswahl des richtigen Materials ist nur ein Teil der Gleichung. Die Fähigkeiten Ihres Druckers, das Design Ihres Teils und Ihr Budget sind für den Erfolg genauso wichtig.

Anforderungen an 3D-Drucker

Nicht alle 3D-Drucker können diese Materialien verarbeiten. Wie bereits erwähnt, sind die gehackten Fasern abrasiv und erfordern eine Düse aus gehärtetem Stahl um Schäden zu vermeiden. Hochtemperaturkunststoffe wie PEEK benötigen für einen erfolgreichen Druck einen Drucker mit beheizter Baukammer. Und wenn Sie die überlegene Festigkeit der besprochenen Endlosfasern wünschen, müssen Sie einen Drucker verwenden, der speziell mit dieser Technologie ausgestattet ist.

Design für die additive Fertigung (DfAM)

Um das Beste aus einem Verbundwerkstoff herauszuholen, müssen Sie das Teil speziell dafür entwickeln. Sie können nicht einfach ein für Metall konzipiertes Design drucken und erwarten, dass es einwandfrei funktioniert. Um die zuvor ermittelten Festigkeitsanforderungen zu erfüllen, muss das Design optimiert werden. Bei Endlosfasern bedeutet dies, die Fasern entlang der Bahnen mit der höchsten Belastung auszurichten. Mithilfe von Topologieoptimierungssoftware können Sie Designs erstellen, bei denen Material nur dort eingesetzt wird, wo es benötigt wird, und so das Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht maximieren.

Budget und Produktionsvolumen

Schließlich sollten Sie die Gesamtkosten berücksichtigen. Dazu gehört nicht nur der Preis der Materialspule, sondern auch die Druckzeit und die Abnutzung des Druckers. Prüfen Sie immer, ob ein weniger teurer Verbundwerkstoff alle Ihre „Must-have“-Anforderungen erfüllen kann, bevor Sie sich für eine teurere, leistungsstärkere Option entscheiden.

Kommen Sie mit Ihren 3D-Projekten und einem klaren Plan voran!

Der Weg zu einem großartigen Verbundteil ist ein Prozess mit durchdachten Schritten. Am Anfang steht ein klares Verständnis der Anforderungen Ihres Projekts. Indem Sie zunächst Ihre Anforderungen definieren, können Sie die Vorteile von Materialien wie Kohlefaser, Glasfaser und Kevlar® effektiv vergleichen. Berücksichtigen Sie außerdem Drucker, Designstrategie und Budget, um aus einer Vermutung eine fundierte technische Entscheidung zu machen. Dieser praxisorientierte Ansatz stellt sicher, dass das von Ihnen erstellte Teil zuverlässig, effektiv und für Ihr Projekt sinnvoll ist.