3D Druck Mit Kohlefaser: Wie Man Starke Bauteile 3D-Druckt Februar 27, 2025Februar 26, 2025 Was wäre, wenn Sie Teile herstellen könnten, die stabiler, leichter und schneller zu produzieren sind als je zuvor? Der Kohlefaser-3D-Druck macht dies möglich. Mithilfe dieser Lösung erhalten Sie langlebige und wirklich hervorragende Komponenten. Dank eines großen Kohlefaser-3D-Druckers können Sie hochwertige Komponenten für mehrere Branchen und verschiedene Zwecke herstellen, die Sie über viele Jahre hinweg begleiten und Ihnen dabei helfen werden, Ihre Geschäftsziele effizienter zu erreichen. Lesen Sie weiter und finden Sie heraus, wie Ihr Fertigungsbetrieb von Carbonfaser (CF) profitieren kann, und erfahren Sie mehr über die einzigartigen Eigenschaften von CF-Filamenten. Warum benötigen Sie den 3D-Druck aus Kohlenstofffaser? Ein industrielles Umfeld erfordert oft spezifische mechanische Eigenschaften und eine fein abgestimmte Präzision. Glücklicherweise bietet der Kohlefaser-3D-Druck durch die Kombination der Fähigkeiten eines hochstabilen Materials mit den vielen Vorteilen der additiven Fertigung eine außergewöhnliche Formstabilität in stabilen, steifen Teilen mit einer feinen Oberflächenbeschaffenheit und eine hohe Wärmeformbeständigkeit – ideal für funktionale Hochleistungsanwendungen. Da der 3D-Druck immer stärker in die Endproduktion vorrückt, steigt die Nachfrage nach einer Möglichkeit, sowohl Teile als auch Werkzeuge aus Kohlefaserfilamenten herzustellen. Ob Sie diese Materialien in Formen, Vorrichtungen, Befestigungen, beim Werkzeugbau für Hochleistungsrennwagen, bei Spezialausrüstungen für die Luft- und Raumfahrt oder bei professionellen Radsportausrüstungen verwenden – mit 3D-Druckerfilamenten aus Kohlenstofffaser können Sie die hochfesten Teile herstellen, die Sie benötigen. Natürlich hat der Kohlefaser-3D-Druck als relativ neue Möglichkeit in der Fertigungsindustrie viele Vorteile, aber es lohnt sich auch, sich über die Druckanforderungen im Klaren zu sein, bevor Sie damit loslegen. Was ist der Kohlefaser-3D-Druck? Beim Kohlefaser-3D-Druck handelt es sich um ein fortschrittliches additives Fertigungsverfahren, bei dem mit Carbonfasern verstärkte 3D-Druckfilamente zu 3D-gedruckten Materialien verarbeitet werden, um die Festigkeit, Steifigkeit und Haltbarkeit des Endprodukts deutlich zu erhöhen. Diese Filamente werden typischerweise mit kurzen, geschnittenen Kohlenstofffasern oder kontinuierlichen Kohlenstofffasersträngen durchsetzt, wodurch Verbundwerkstoffe entstehen, die die leichten Eigenschaften der Kohlefasern beibehalten und gleichzeitig eine außergewöhnliche mechanische Leistung bieten. Dank eines industriellen Carbonfaser-3D-Druckers ist es möglich, Komponenten von ähnlicher oder sogar höherer Qualität als herkömmlich hergestellte Teile herzustellen, die kostengünstiger, schneller herzustellen und flexibler für die individuelle Anpassung sind. Dieses Muster wurde mit BigRep Hi-Temp CF gedruckt und wird zur Herstellung von Drohnenbauteilen aus Kohlefaser-Prepreg verwendet. Was sind Kohlefaser-Filamente? Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (engl. carbon fiber-reinforced plastics, kurz CFRP) vereinen die Qualitäten und Leistungseigenschaften von Kohlenstofffasern mit dem Polymermaterial, das sie verstärken. Die Bedruckbarkeit und Benutzerfreundlichkeit eines Standard-Thermoplasts wie PLA, ABS oder PET erhält durch die Einbindung von Kohlefasern überlegene Leistungseigenschaften. Gehackte Fasern werden hauptsächlich für die industrielle Produktion und auch für den 3D-Druck verwendet. Diese Kohlefasern kommen als „Füllmaterial“ in thermoplastischen Kunststoffen für den Spritzguss oder als Kohlefaserfilamente für 3D-Drucker vor. Sie können wie jedes andere thermoplastische Material verarbeitet werden. Jedoch haben sie zusätzliche Anforderungen, die später erläutert werden. Beim FFF-3D-Druck (Fused Filament Fabrication, extrusionsbasiert) werden gehackte Kohlenstofffasern verwendet. Diese kleinen Fasern werden dann als Verstärkungsmaterial in einen Standard-Thermoplast eingemischt. Eigenschaften von Carbonfaser-Filamenten Die Vorteile bei der Verwendung eines 3D-Kohlefaserdruckers liegen in den Leistungseigenschaften seiner Filamente: Hohe Festigkeit Die vielleicht am meisten angepriesene Eigenschaft von 3D-Druckerfilamenten aus Kohlenstofffasern ist die hohe Festigkeit, die für die Leistung und Attraktivität als 3D-Druckmaterial von entscheidender Bedeutung ist. Kohlefaser bietet ein Festigkeit-Gewicht-Verhältnis, das eine hohe Leistung bei geringer Dichte ermöglicht. Formstabilität Die hohe Festigkeit und Steifigkeit von Kohlenstofffasern reduziert die Tendenz von Teilen, zu schrumpfen und zu verziehen, und trägt zu ihrer hervorragenden Formstabilität bei der Verwendung bei. Dies ist bei Teilen wichtig, die präzise Abmessungen und enge Toleranzen erfordern. Geringes Gewicht Das geringe Gewicht eines Kohlefaser-3D-Druckerfilaments geht mit seiner Stärke einher. Das geringe Gewicht ist ein wesentlicher Vorteil des 3D-Drucks im Allgemeinen, und die Verwendung von Kohlefasermaterialien ermöglicht eine Gewichtsreduzierung ohne Einbußen bei der Leistungsfestigkeit. Hohe Wärmeformbeständigkeit Im Vergleich zu Standard-3D-Druckmaterialien wie PLA, ABS und PETG können Kohlefaserfilamente deutlich höheren Temperaturen standhalten. Kohlefaser-Verbundwerkstoffe – wie beispielsweise PA12 CF von BigRep – erhöhen die Wärmeformbeständigkeit des Grundmaterials und sorgen so für eine bessere Leistung bei erhöhten Temperaturen. Weniger Nachbearbeitung erforderlich CF-Filamente machen Schichtlinien weniger auffällig. Dies verbessert die Oberflächenqualität und Haptik und reduziert den Bedarf an Nachbearbeitungsschritten wie Schleifen. Steifigkeit 3D-gedruckte Kohlefaserteile behalten unter hoher Belastung ihre Form bei. Im Gegensatz zu anderen Materialien, bei denen Festigkeit und Haltbarkeit zugunsten der Steifigkeit in Kauf genommen werden müssen, sorgt die Steifigkeit, die mit Kohlenstofffasern möglich ist, für strukturelle Integrität. Wie Kohlefaserfilamente im 3D-Druck funktionieren Carbonfaserfilamente werden durch die Kombination von Kohlefasern mit einem Basispolymer wie PLA, PETG oder Nylon hergestellt, wodurch ein Verbundmaterial entsteht, das für die additive Fertigung geeignet ist. Beim 3D-Druckprozess werden diese Filamente Schicht für Schicht extrudiert, wobei die eingebetteten Carbonfasern die mechanischen Eigenschaften des gedruckten Teils verbessern. Abhängig von der Art der verwendeten Kohlenstofffaser (geschnittene Fasern zur allgemeinen Verstärkung oder kontinuierliche Fasern für maximale Festigkeit), bieten diese Filamente eine verbesserte Festigkeit, ein geringeres Gewicht und eine außergewöhnliche Verformungsbeständigkeit. Anforderungen für die Arbeit mit Kohlefaser-Druckerfilamenten Kohlefaserfilamente sind abrasiver (also schleifend) als viele andere Materialien und haben besondere Wärmeanforderungen. Wie es bei Materialien in technischer Qualität üblich ist, kann man sie nicht einfach gegen Standard-3D-Druckerfilamente austauschen und erwarten, dass sie mit den gleichen Eigenschaften drucken. 1. Beheiztes Druckbett Zusammen mit der geschlossenen 3D-Druckumgebung präsentiert sich das beheizte Druckbett. Dieses ist entscheidend dafür, dass die erste Druckschicht am Druckbett haftet. Ohne dieses starke Fundament kann der Erfolg der verbleibenden Druckschichten gefährdet sein. 2. Gehärtete Düse Im Laufe der Zeit – die von einem bis zu mehreren Druckaufträgen variieren kann – verschleißt das Kohlenstofffaserfilament aufgrund seiner Abrasivität eine Standard-3D-Druckerdüse. Beispielsweise verschleißt eine Messingdüse beim Extrudieren dieser Materialien und wird letztendlich funktionsunbrauchbar. Für die Verarbeitung von CF-Filament ist gehärteter Stahl eine Voraussetzung für einen 3D-Drucker. Natürlich müssen Designer, Ingenieure und Bediener, die an jeglichen Projekten mit CF arbeiten, in den Anforderungen für die Arbeit mit Kohlefaserfilamenten gut geschult sein. Wenn man in Betracht zieht, CF-Filamente zu nutzen, müssen Schulungen und Weiterbildungen berücksichtigt werden. 3. Druckausrichtung Die Hinzugabe von CF erhöht die Zugfestigkeit, kann jedoch bei falscher Handhabung die Schichthaftung verringern. Um die geringe Formbarkeit des Materials auszugleichen, richten Sie das Teil in Richtung der Spannung oder Belastung aus. Dies kann während der Ausrichtung des Teils in einer Slicing-Software wie BLADE angepasst werden. Herausforderungen des Kohlefaser-3D-Drucks Trotz zahlreicher Vorteile birgt die Herstellung von Elementen selbst mit dem besten Kohlenstofffaser-3D-Drucker mögliche Herausforderungen. Hier sind einige der wichtigsten: Sprödigkeit und Steifigkeit: Im Vergleich zu Elementen aus anderen 3D-Druckfilamenten sind Kohlefaserkomponenten typischerweise steifer und spröder. Obwohl sie beeindruckend fest sind, sind sie weniger flexibel als biegsame Materialien und können bei Stößen eher reißen. Höherer Preis: 3D-Druckerfilamente aus Carbonfaser können teurer sein als herkömmliche thermoplastische Materialien, wodurch sie für Unternehmen mit begrenztem Budget weniger zugänglich sind. Leitfähigkeitsprobleme: Da Kohlenstofffasern leitfähig sind, können sie bei Anwendungen, die elektronische Elemente erfordern, bestimmte Herausforderungen darstellen. Abrasivität: Die Kohlenstofffasern im Filament können stark abrasiv sein und Standarddruckerdüsen und -komponenten schnell verschleißen. Aus diesem Grund ist es für eine höhere Haltbarkeit unbedingt erforderlich, gehärteten Stahl oder Spezialdüsen zu verwenden. • Gesundheits- und Sicherheitsrisiken: Kohlefaser kann beim Druckprozess Feinstaub und Dämpfe erzeugen, was eine angemessene Belüftung und persönliche Schutzausrüstung (PSA) erfordert. Wo kommen CF-Filamente zum Einsatz? Der 3D-Druck aus Kohlefaser eignet sich aufgrund seines hohen Festigkeit-Gewicht-Verhältnisses und seiner Gesamtsteifigkeit am besten für den Einsatz in Fertigungsumgebungen. Zu den Hauptanwendungen dieser Materialien gehört die Herstellung von Formen, Vorrichtungen und Befestigungen sowie Werkzeugen. Formen aus Verbundwerkstoff und Thermoformung Eine der am meisten zusammenhaltenden Methoden sind 3D-gedruckte Formen, mit denen fortschrittliche und traditionelle Fertigungstechnologien in einer industriellen Umgebung zusammenarbeiten. 3D-gedruckte Formen bieten die Komplexität und Geschwindigkeit der 3D-Druckproduktion mit den Massenproduktionsmöglichkeiten der formbasierten Fertigung. Wenn es um Formen aus Verbundwerkstoffen und Thermoformung geht, sind die Leistungseigenschaften von CF-Materialien eine Selbstverständlichkeit. Verbundformen sind eine der gebräuchlichsten Fertigungsmethoden zur kostengünstigen Herstellung großer Chargen identischer Teile. Wie der Name schon sagt, werden diese aus Verbundmaterialien hergestellt, die in komplexen Formen hergestellt werden können und einer wiederholten Verwendung standhalten – und das alles zu deutlich geringeren Kosten als Aluminium- oder Stahlformen. Formen aus Thermoformung verwenden Hitze und Druck, um eine flache thermoplastische Platte in eine Form zu bringen. Dabei wird Wärmeleitung, Konvektion oder Strahlungserwärmung verwendet, um die Platte zu erwärmen, bevor sie sich an die Oberfläche der Form anpasst. Formen aus Thermoformung müssen einem wiederholten Einsatz bei hoher Hitze standhalten und erfordern spezielle Leistungsfähigkeiten, die durch CF-Materialien gut bereitgestellt werden können. Vorrichtungen, Befestigungen & Werkzeuge Vorrichtungen, Befestigungen und Werkzeuge werden oft als Ergänzung bei Herstellungsprozessen angesehen, sind aber für sich genommen unverzichtbar, da sie beim Fräsen, Bohren und anderen subtraktiven Vorgängen verwendet werden. Vorrichtungen und Befestigungen halten bestimmte Teile in den verschiedenen Fertigungsphasen an Ort und Stelle, und es werden durchgehend Werkzeuge verwendet. Diese überaus wichtigen Werkzeuge funktionieren oft am besten, wenn sie an die jeweilige Anwendung angepasst werden, und können durch häufig wiederholte Verwendung abgenutzt werden. Aus diesen Gründen werden Vorrichtungen, Befestigungen und Werkzeuge zunehmend vor Ort in 3D gedruckt. Sie können individuell an ihre spezifischen Bedürfnisse angepasst und bei Bedarf reproduziert werden, ohne dass man sie auslagern oder auf die Wiederauffüllung warten muss. Wenn sie aus verstärkten Materialien wie CF-Filamenten hergestellt werden, halten 3D-gedruckte Vorrichtungen, Befestigungen und Werkzeuge länger und bieten eine bessere Leistung – insbesondere im Hinblick auf eine lange Haltbarkeit. Wie Sie kostenintensives CNC-Fräsen durch agile, kostensparende Lösungen für die Kleinserienfertigung ersetzen können, erfahren Sie hier. Automobil- sowie Luft- und Raumfahrtbranche Die Designfreiheit von Carbonfasern ermöglicht die Umsetzung komplexer Geometrien, die mit herkömmlichen Methoden nicht kosteneffizient sind. Diese Designfreiheit ermöglicht es Ihnen, schnell zu iterieren und dann aufgrund der erhöhten Steifigkeit und Temperaturstabilität funktionsfähigere Prototypen zu erstellen. Die verbesserte Ästhetik des Objekts, einschließlich der durch 3D-Druck erzielten komplexen Krümmung und der besseren Oberflächenqualität mit CF-Filamenten, kann Innovationen in der Automobil-, Luft- und Raumfahrtbranche und anderen verwandten Branchen ermöglichen. Kohlefaserfilamente: Arten und Vergleich BigRep bietet zwei mit Kohlenstoff gefüllte Filamente an: PA12 CF, eine Nylon-Kohlenstofffaser, und HI-TEMP CF, ein biobasiertes, mit Kohlenstofffasern gefülltes Polymer. Hier sind einige der wichtigsten Unterschiede zwischen ihnen: Eigenschaften PA12CF HI-TEMP CF MaterialartenNylon-Kohlefaser-Filament.Biobasiertes, mit Kohlenstofffasern gefülltes Polymer.Hardware-AnforderungenErfordert industrietaugliche Drucker wie den BigRep PRO.Weniger fordernd; kompatibel mit BigRep ONE, STUDIO, PRO und anderen Druckern.ZugfestigkeitHöhere Zugfestigkeit und hervorragende Haltbarkeit.Mäßige Zugfestigkeit.SchlagzähigkeitErhöhte Schlagzähigkeit, perfekt für anspruchsvolle Industrieumgebungen.Reduzierte Schlagzähigkeit, nicht für Anwendungen mit hoher Schlagbelastung geeignet.WärmeformbeständigkeitHohe Wärmeformbeständigkeit für bessere Leistung unter extremen Bedingungen.Etwas niedrigere Wärmeformbeständigkeit.Steifigkeit und StabilitätMäßige Steifigkeit und Biegefestigkeit.Höhere Steifigkeit und Biegefestigkeit bieten hervorragende Formstabilität unter Last.AnwendungenIdeal für anspruchsvolle Industrieanwendungen, die Haltbarkeit und eine lange Lebensdauer erfordern.Geeignet für Anwendungen, bei denen Formstabilität und eine einfache Bedruckbarkeit ohne nennenswerte Stöße im Vordergrund stehen.KompatibilitätSpeziell für BigRep PRO hergestellt, aber kompatibel mit den meisten offenen 2,85-mm-Druckern mit gehärteten Düsen.Kompatibel mit BigRep ONE, STUDIO, PRO und den meisten offenen 2,85-mm-Druckern mit gehärteten Düsen. HI-TEMP CF High Temperature Carbon Fiber Filament Learn More PA12 CF Stiff and Strong Carbon Fiber Learn More Fazit Wenn Sie sich entscheiden, das Können eines 3D-Kohlefaserdruckers auszuprobieren, verpflichten Sie sich zu einem Vorhaben, bei dem Parameter, spezielle Geräte und Anforderungen große Aufmerksamkeit erfordern. Wenn diese Bedingungen erfüllt sind, können Sie erstklassige, leichte, langlebige und funktionale Teile herstellen, die einer Vielzahl industrieller Anwendungen standhalten und dabei der Komplexität des Designs Rechnung tragen, die der 3D-Druck zu bieten hat. Nehmen Sie noch heute Kontakt mit einem BigRep-Experten auf, um zu erfahren, wie CF-Filamente dazu beitragen können, Ihre Produktionskapazitäten zu verbessern! FAQs zum 3D-Druck mit Kohlenstofffasern Kann ich große Gegenstände mit Kohlefaserfilamenten drucken? Ja, Kohlefaserfilamente eignen sich gut für den Großformatdruck, insbesondere mit großen Kohlefaser-3D-Druckern wie den BigRep-Geräten. Ihre Festigkeit und Formstabilität sorgen auch bei großen Bauteilen für hochwertige Ergebnisse. Sind Materialien aus Kohlenstofffasern umweltfreundlich? Während Kohlefaser selbst nicht biologisch abbaubar ist, können biobasierte Optionen wie HI-TEMP CF die Umweltbelastung im Vergleich zu rein synthetischen Materialien verringern. Können 3D-gedruckte Teile aus Kohlefasern nachbearbeitet werden? Ja, Sie können Methoden zur Nachbearbeitung wie Schleifen, Lackieren oder Beschichten auf Kohlefaserteilen anwenden. Es ist jedoch wichtig, Werkzeuge zu verwenden, die für Verbundwerkstoffe geeignet sind, um eine Beschädigung der gedruckten Gegenstände zu vermeiden. Wie schneidet der 3D-Druck aus Carbonfasern im Vergleich zum 3D-Druck aus Metall ab? Während Kohlefaserteile nicht so stark sind wie Metall, bieten sie ein hervorragendes Festigkeit-Gewicht-Verhältnis, was sie oft zur besseren Wahl für Anwendungen macht, bei denen es auf Gewichtsreduzierung ankommt. Darüber hinaus sind sie in der Regel auch kostengünstiger als der 3D-Metalldruck. Related Content Frischer Wind für Vestas: 3D gedrucktes Tooling Revolutioniert das Windrad Als Vestas die Vorrichtungen und Halterungen für die Fertigung ihrer riesigen Windräder ersetzen musste, stellte sich heraus, dass das 3D-gedruckte Tooling den konventionell gefertigten Metallteilen überlegen war. Erfahren Sie wie der Marktführer in erneuerbaren Energien den 3D-Druck für Tooling, nachhaltige Fertigungsprozesse und mehr verwendet. Wie der 3D-Druck den Wasserbau verändert Wollten Sie schon immer wissen, wie führende Wasserbauingenieure Flusssysteme optimieren, ohne dabei echte Schäden anzurichten? Betreten Sie das moderne Hydrauliklabor der Helmut-Schmidt-Universität. Hier setzen Dr. Mario Oertel und sein Team mit dem BigRep ONE 3D-Drucker Wehrentwürfe um und machen aus digitalen Konzepten in kürzester Zeit greifbare Prototypen. 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