3D-Druck mit Kohlefaser: Verfahren, Materialien und Vorteile

Was sind Kohlefasermaterialien im 3D-Druck?

Kohlefasermaterialien im 3D-Druck sind Filamente oder Pulver, die Kohlefasern in ein Standard-Kunststoff-Grundmaterial integrieren und so dessen Eigenschaften und Leistung verbessern. 3D-druckbare Kohlefasern zeichnen sich durch ein außergewöhnliches Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht aus und werden häufig in Hochleistungsanwendungen eingesetzt.

Zusammensetzung von Kohlenstofffaserfilamenten

Die im 3D-Druck verwendeten Kohlenstofffasern sind typischerweise kurze Stränge, sogenannte gehackte Fasern, die klein genug sind, um durch die Düse des Druckers zu passen. Sie werden mit Thermoplasten wie PLA, ABS, PETG, Nylon oder Polycarbonat gemischt.

3D-druckbare Kohlefaser-Kunststoffpulver

Neben Kohlefaserfilamenten gibt es auch 3D-druckbare Kohlefaser-Kunststoffpulver, die insbesondere im Selektiven Lasersinterverfahren (SLS) zum Einsatz kommen. Diese Pulver bestehen typischerweise aus einem mit Kohlefasern verstärkten Nylon-Grundmaterial.

Bildquelle: Prusament PA11 (Nylon) Carbonfaser Schwarz

Arten von Kohlefasermaterialien für den 3D-Druck

1. Kohlefaserfilamente

Dies sind die am häufigsten in Fused Deposition Modeling (FDM) 3D-Druckern verwendeten Kohlefasermaterialien. Die Filamente sind eine Mischung aus Kohlefasern und Standardkunststoffen wie PLA, ABS, PETG, Nylon oder Polycarbonat. Die Kohlefasern bestehen typischerweise aus kurzen, geschnittenen Strängen, die mit dem Kunststoff zu einem Verbundfilament vermischt werden.

2. Endlos-Carbonfaserfilamente

Im Gegensatz zu geschnittenen Kohlefaserfilamenten wird bei Endloskohlefaserfilamenten ein durchgehender Kohlefaserstrang in ein thermoplastisches Basismaterial eingebettet. Für diesen Filamenttyp sind spezielle 3D-Drucker mit Doppelextrudern erforderlich: einer für den Thermoplast und einer für die Kohlefaser. Teile aus Endloskohlefaser sind außergewöhnlich robust und werden häufig in professionellen und industriellen Anwendungen eingesetzt.

3. Kohlefaserverstärkte Pulver

Für das selektive Lasersintern (SLS) stehen Kohlefasermaterialien in Form von verstärkten Pulvern, typischerweise auf Nylonbasis, zur Verfügung. Diese Pulver enthalten kurze Kohlefasern, die den gedruckten Teilen erhöhte Festigkeit und Steifigkeit verleihen. Die SLS-Technologie ermöglicht komplexe Geometrien und feine Details.

Bildquelle: Dynamik

3D-Druckverfahren für Kohlefasern

Fused Deposition Modeling (FDM)

FDM ist das am weitesten verbreitete 3D-Druckverfahren für Kohlefasermaterialien. Dabei wird kohlefaserverstärktes Filament geschmolzen und Schicht für Schicht durch eine gehärtete Stahldüse extrudiert, um das Bauteil aufzubauen. FDM wird aufgrund seiner Einfachheit, Kosteneffizienz und Kompatibilität mit einer Vielzahl von Kohlefaser-Verbundfilamenten bevorzugt. Es eignet sich ideal für Prototypen, kundenspezifische Werkzeuge und Endverbrauchsteile in Branchen wie der Automobil- und Luft- und Raumfahrt.

Kontinuierliche Filamentherstellung (CFF)

CFF ist eine Variante von FDM, bei der zusätzlich zu einem thermoplastischen Basisfilament auch Endlos-Carbonfasern verwendet werden. Dieses Verfahren erfordert ein Doppeldüsensystem: eine für den Thermoplast und eine für die Endlos-Carbonfasern. CFF erzeugt Teile mit höherer Festigkeit und Steifigkeit als herkömmliches FDM und eignet sich daher für Anwendungen mit hoher Belastung und Funktionskomponenten.

Selektives Lasersintern (SLS)

Beim SLS-Verfahren werden kohlenstofffaserverstärkte Nylonpulver mit einem Laser Schicht für Schicht zu einem festen Bauteil gesintert. Dieses Verfahren ermöglicht die Herstellung komplexer Geometrien mit hoher Präzision und hervorragenden mechanischen Eigenschaften. SLS wird häufig für die Klein- bis Mittelserienfertigung von Funktionsteilen eingesetzt, die hohe Festigkeit und Haltbarkeit erfordern.

Stereolithographie (SLA)

Obwohl SLA beim Kohlefaserdruck weniger verbreitet ist, kann es auch mit kohlefasergefüllten Harzen verwendet werden. Bei diesem Verfahren wird flüssiges Harz schichtweise mit einem UV-Laser ausgehärtet. SLA ist bekannt für die Herstellung von Teilen mit glatter Oberfläche und hohem Detailreichtum. Die mechanischen Eigenschaften von mit SLA hergestellten Kohlefaserteilen sind jedoch möglicherweise nicht so stark wie die von FDM- oder CFF-Teilen.

Kohlefaser-3D-Drucker

1. Pulse XE

Der Pulse XE ist eine kostengünstige Option für alle, die mit Kohlefasermaterialien drucken möchten. Er ist für den Druck des NylonX-Filaments von Matterhackers konzipiert, einer Mischung aus Nylon und Kohlefasern. Der Drucker verfügt über einen Bondtech BMG-Extruder und ein E3D V6 Hotend und bietet Upgrades wie eine Düse aus gehärtetem Stahl oder eine Düse mit Rubinspitze für verbesserte Leistung.

Bildquelle: MatterHackers

2. Raise3D E2

Der Raise3D E2 ist ein geschlossener 3D-Drucker mit IDEX-Technologie und Spiegel- und Duplikationsmodi für effizienten Dual-Extrusionsdruck. Er ermöglicht großformatigen 3D-Druck und hochwertiges Prototyping und ist somit eine vielseitige Wahl für professionelle Umgebungen.

Bildquelle: Raise 3D

3. MakerBot METHOD X Carbon Fiber Edition

Dieser Drucker wurde speziell für den 3D-Druck mit Kohlefaser entwickelt und bietet ein robustes Bauvolumen und hochwertige Drucke. Er ist eine hervorragende Wahl für alle, die Wert auf Präzision und Zuverlässigkeit bei ihren Kohlefaserteilen legen.

Bildquelle: MakerBot

4. Qidi Tech X-Plus

Für alle mit kleinem Budget ist der Qidi Tech X-Plus eine ausgezeichnete Option. Er ist bekannt für seine Zuverlässigkeit und die Fähigkeit, eine Vielzahl von Materialien zu drucken, darunter auch Kohlefaserverbundwerkstoffe.

Bildquelle: Qidi

5. Ultimaker S5

Der Ultimaker S5 ist ein Premium-3D-Drucker mit Dual-Extrusionsfunktion und großem Bauvolumen. Er eignet sich für den Druck mit hochfesten Materialien wie Kohlefaser und ist ideal für industrielle Anwendungen.

Bildquelle: Ultimaker

6. Raise3D Pro3

Der Raise3D Pro3 ist für seine Zuverlässigkeit bekannt und eine weitere ausgezeichnete Wahl für den Druck mit Kohlefasermaterialien. Er bietet ein großes Bauvolumen und hochwertige Drucke, die für den professionellen und industriellen Einsatz geeignet sind.

Bildquelle: Raise3D

Vorteile des 3D-Drucks mit Kohlefaser

1. Verbesserte mechanische Eigenschaften

3D-gedruckte Kohlefaserteile weisen überlegene mechanische Eigenschaften auf, darunter erhöhte Steifigkeit und Haltbarkeit. Sie eignen sich für Hochleistungsteile, die erheblichen Belastungen standhalten müssen.

2. Hervorragende Dimensionsstabilität

Kohlefasermaterialien schrumpfen beim Abkühlen nicht, was zu Teilen mit hervorragender Dimensionsstabilität führt. Sie eignen sich hervorragend für Anwendungen, die präzise Toleranzen und Passungen erfordern.

3. Hitzebeständigkeit

Kohlefaser hält hohen Temperaturen stand, ohne zu schmelzen, und eignet sich daher für Komponenten, die während ihrer Lebensdauer Hitze ausgesetzt sind.

4. Niedrigere Produktionskosten

Bei der Produktion kleiner Stückzahlen ist der 3D-Druck mit Kohlefaser oft kostengünstiger als herkömmliche Fertigungsmethoden. Teure Formen entfallen und die mit der Herstellung verbundenen Arbeitskosten sinken.

5. Schnellere Bearbeitungszeiten

Die Möglichkeit, ohne Werkzeug direkt vom Entwurf zur Produktion zu gelangen, ermöglicht schnelles Prototyping und schnellere Produktionszyklen.

3D-gedruckte Kohlefaseranwendungen

• Luft- und Raumfahrt: 3D-gedruckte Kohlefasern werden in der Luft- und Raumfahrtindustrie häufig zur Herstellung leichter und robuster Komponenten wie Drohnen, Satellitenkomponenten und Flugzeugteilen verwendet.

• Automobilindustrie: 3D-gedruckte Kohlefaser wird zur Herstellung von Leichtbauteilen, funktionalen Prototypen und kundenspezifischen Teilen für Hochleistungs- und Luxusfahrzeuge verwendet.

• Sportgeräte: Aufgrund ihrer Festigkeit und ihres geringen Gewichts eignen sich Kohlefasern ideal für Sportgeräte wie Fahrräder, Schutzausrüstung sowie Schläger und Vereine.

• Medizinische Geräte: Im medizinischen Bereich werden 3D-gedruckte Kohlefasern für Prothesen, orthopädische Implantate und chirurgische Instrumente verwendet.

• Konsumgüter: 3D-gedruckte Kohlefasern finden auch ihren Weg in Konsumgüter wie Gadgets, Dekorationsstücke und Wearables.

Bildquelle: Carbon 3D