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Alles was Sie über Kohlefaser (Carbon Fiber) 3D-Druck wissen müssen

Grundlegende Informationen zu Carbon Fiber Material

Stark und hitzebeständig – MakerBot Nylon Carbon Fiber

Bevor Sie mit dem 3D-Druck von Kohlefaser-Material beginnen, haben wir einige grundlegende Informationen zusammengestellt, die Sie wissen sollten. Lernen Sie die Vor- und Nachteile, die Geschichte und die Anwendungen von Carbon Fiber im 3D-Druck kennen

In den 30 Jahren ihres Bestehens hat sich die additive Fertigung erheblich verändert und ist eindrucksvoll gewachsen. Besonders beeindruckend ist hierbei die Entwicklung des Desktop-3D-Drucks innerhalb der letzten 10 Jahre. Was mit Geräten im Selbstbau und Bastler-Projekten begann, die hauptsächlich PLA und ABS druckten (bestenfalls mit gemischten Ergebnissen), hat sich mittlerweile zu professionellen Desktop-Geräten entwickelt.

Diese bieten auch anspruchsvollen Profis zuverlässige und präzise Druckergebnisse und verwenden mittlerweile selbst außergewöhnlichere Materialien wie Kohlefaser und andere Verbundwerkstoffe.

Jedoch geht mit dieser schnellen Entwicklung hin zu Materialien mit ganz besonderen Eigenschaften eine gewisse Lernkurve einher. Auf dieser Seite werden wir uns mit Kohlefaser als Material befassen. Und dabei seine Geschichte, die Vorteile und Anwendungen kennenlernen, sowie wissenswerte Informationen liefern, bevor Sie mit dem 3D-Druck von Kohlefaser beginnen.

Kohlefasermaterial verstehen

Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (auch als Kohlefaser, Karbon oder Carbon Fiber bezeichnet) ist ein Verbundwerkstoff den es verschiedenen Formen gibt. Kohlenstofffaser wird hierzu mit Harz oder anderen Polymeren zu einem Verbundwerkstoff kombiniert. Die Anwendungsmöglichkeiten sind breit gefächert und der offensichtlichste Vorteil ist das gute Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht.

Geschichte

Bereits 1881 verwendete Edison Kohlenstofffaser als Glühfaden in seiner Glühbirne. Bildquelle: jplenio von Pixabay

Kohlenstofffasern wurden bereits im späten 19. Jahrhundert von Thomas Edison als Glühfäden in der von ihm entwickelten Kohlenstofffaserglühlampe mit einem Glühfaden aus pyrolisierten Bambusfasern eingesetzt, auf die er bereits 1881 ein Patent erhielt (Quelle: Wikipedia).

In den späten 1950er Jahren erkannte die amerikanische Union Carbide Corporation erstmals die Festigkeitsvorteile, die durch weitere Verarbeitungstechniken erzielt werden konnten. In den nächsten 50 Jahren wurden die Herstellungstechniken weiterentwickelt und heute ist Kohlefaser in Hochleistungsprodukten von Rennwagen bis hin zu Flugzeugen allgegenwärtig geworden.

Der Herstellungsprozess von Kohlefaser

Meist werden Kohlenstofffasern in einem sechsstufigen Verfahren hergestellt, dadurch ist die Herstellung recht komplex, ressourcenintensiv und teuer. Sie werden bevorzugt aus PAN (Polyacrylnitril) hergestellt. PAN wird als Nebenprodukt von Erdöl erhalten, mit anderen Inhaltsstoffen gemischt und zu Fasern gesponnen. Deren Dicke entspricht etwa 10% der Dicke eines menschlichen Haares. Die Fasern werden dann oxidiert um die Bindung zu stabilisieren, bevor sie einer Karbonisierung unterzogen werden. Dabei werden sie auf Temperaturen von 1000°C erhitzt, um Verunreinigungen zu entfernen. Anschließend wird die Oberfläche behandelt, um die Bindung vor dem letzten Schritt der Leimung zu verbessern, in diesem werden die Fasern beschichtet und zu Garnen unterschiedlicher Dicke gesponnen.

Kohlefasergarn kann je nach endgültiger Anwendung auf unterschiedliche Weise weiterverarbeitet werden. Es kann zu Folien gewebt, oder im Fall des Kohlefaser-3D-Drucks, in kurze Fasern geschnitten, mit einem Basispolymer gemischt und zu einem 3D-Druckfilament extrudiert werden.

Anwendungsmöglichkeiten

Carbon Fiber Materialien werden häufig im Bereich der Rennsports, der Luft- und Raumfahrt, für Sportartikel oder in der Robotik eingesetzt. Denn durch die Steifheit der Kohlefaser in Verbindung mit ihrem geringen Gewicht wird sie in vielen Bereichen zum perfekten Material.

Kohlefaserverbundstoffe werden häufig im Motorsportbereich eingesetzt. Quelle: MakerBot
Der größte jemals gebaute Treibstofftank aus Kohlefaser von SpaceX. Quelle: SpaceX

Die Anwendungsmöglichkeiten reichen hier vom Einsatz in Hochleistungs-Rennwagen in der Formel 1, die stark und leicht sein müssen um die Geschwindigkeit zu maximieren und die Beweglichkeit zu optimieren. Oder zur Verstärkung von Tragflächen und Karosserien von Flugzeugen und sogar für Raketen der nächsten Generation. Denn in der Luft- und Raumfahrt bedeutet geringes Gewicht, dass mehr Kraftstoff transportiert werden kann und somit größere Reichweiten erzielt werden können. Sogar an Mars-Raketen wird der Einsatz getestet, wie Sie beispielsweise im Video von Real Engineering sehen können.

Im Produktionsbereich werden häufig 3D-Druck Kohlefasern eingesetzt um Roboter-Endeffektoren herzustellen, die ein hohes Maß am Kraft aushalten und gleichzeitig die minimale Hublast des Roboterarms in Anspruch nehmen. Doch auch immer mehr Sportartikelhersteller setzen hochmoderne Kohlefaserverbundwerkstoffe ein, beispielsweise in der Herstellung von Fahrrädern oder im Golfsport.

Doppelgreifer aus KIMYA ABS Carbon Fiber Material. Quelle: MakerBot

Auch Fahrradhersteller greifen auf Carbon Fiber zurück. Quelle: MakerBot

3D-Druck mit Carbon Fiber im FDM-Verfahren

Im 3D-Druck mit Kohlefasern ist es wichtig, den für Ihre Anwendung richtigen Verbundwerkstoff zu wählen. Denn das Basispolymer kann die endgültigen Eigenschaften des Bauteils sowie weitere Überlegungen bestimmen, die in den 3D-Druck einfließen. Einige der möglichen Verbundwerkstoffe im Kohlefaser-3D-Druck sowie deren Stärken und Schwächen haben wir für Sie zusammengefasst:

Nylon Carbon Fiber

Nylon CF ist eines der beliebtesten Verbundwerkstoffe im 3D-Druck von Kohlefasern. Dies liegt vor allem daran, dass Nylon bereits viele der geforderten technischen Eigenschaften für industrielle Anwendung besitzt. Es hat einen hohen Festigkeitsgrad und eine hohe Wärmebeständigkeit. Es bietet aber auch ein hohes Maß an Haltbarkeit und gleicht die Sprödigkeit der Kohlefaser selbst aus.

Ein Nachteil von Nylon ist seine Hygroskopizität, die es umso wichtiger macht, eine geschlossene Umgebung für Filament-Spulen aus Nylon-Kohlefaser zu haben. Der MakerBot Method X bietet beispielsweise eine Verpackung des Filaments aus Mylar und einen versiegelten Materialschacht. Auch wenn der 3D-Druck von Nylon CF im Vergleich mit anderen Materialien herausfordernd sein kann, können mit den passenden Werkzeugen hervorragende Ergebnisse erzielt werden.

Technische Daten

Nylon CF Nylon 12 CF
Wärmeformbeständigkeit (ASTM 648) 184°C 154°C
Zugfestigkeit (ISO 527) 110 MPa 66 MPa
Zugmodul (ISO 527) 7.600 MPa 6.000 MPa

Materialdatenblatt MakerBot Nylon Carbon Fiber

Materialdatenblatt MakerBot Nylon 12CF

ABS Carbon Fiber

ABS ist aufgrund seiner häufigen Verwendung in spritzgegossenen Konsumgütern ein bekanntes Material. Beim 3D-Druck von Kohlefasern wirkt ABS aufgrund seiner Eigenschaften als festes Basispolymer. ABS Carbon Fiber hat eine sehr schöne Oberfläche und wird aus diesem Grund sowohl für Prototypen als auch Endanwendungsteile eingesetzt. Einer der Nachteile von ABS Carbon Fiber besteht darin, dass eine beheizte Baukammer verwendet werden muss, die üblicherweise nur bei High-End-3D-Druckern zu finden ist. Der MakerBot Method bietet diese zirkulierend beheizte Baukammer auch im Bereich der Desktop-3D-Drucker an.

PETG Carbon Fiber

PETG ist ein Material, das für seine Beständigkeit gegen Chemikalien und Feuchtigkeit bekannt ist. Das macht es zu einem guten Verbundwerkstoff für Kohlefaser, die solchen Einwirkungen ausgesetzt sind. PETG Carbon Fiber kann beispielsweise für Bauteile eingesetzt werden, die auf Kühlmittel treffen oder für Bauteile in feuchtigkeitsreichen Außenbereichen.

(Alternative) Glasfaser

Kohlefaser ist nicht das einzige Material für Verbundwerkstoffe im 3D-Druck. Glasfaser ist dann eine Alternative zu Kohlefaser, wenn ein flexibleres Endprodukt gewünscht wird. Glasfaser kann ebenfalls mit den meisten der oben genannten Materialien zu einem Verbundwerkstoff kombiniert werden und erhält eine ähnlich hohe Festigkeit wie Kohlefaser.

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Vorteile von Kohlefaser im 3D-Druck

  • Stark und leicht: Die bekannteste Eigenschaft von Kohlefaser ist das Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht, deshalb werden sie häufig in leistungsstarken Produkten verwendet. Dies liegt an der geringen Dichte.
  • Wärmebeständigkeit: Kohlefasern halten höheren Temperaturen stand als viele andere Polymere und erhöhen sogar die Wärmeformbeständigkeit dieser Polymere, wenn sie zu einem Verbundstoff kombiniert werden.
  • Steifheit: Bei einigen Polymeren die eine hohe Festigkeit und Haltbarkeit aufweisen können, geht dies zu Lasten der Steifheit. Die Fähigkeit von Kohlefasern, ihre Form auch unter hoher Belastung beizubehalten, ist daher für viele Anwendungen ein großer Vorteil.

Nachteile von Kohlefaser im 3D-Druck

  • Teuer: Aufgrund der komplexen Herstellungsprozesse von Kohlefaser ist das Material teuer in der Herstellung. Daher wird es häufig für High-End-Produkte, aber nicht in der Massenproduktion eingesetzt.
  • Sprödigkeit: Ein Nachteil der hohen Steifigkeit ist, dass Kohlefaser bei hoher Aufprallkraft zerbrechen kann. Das macht es für Anwendungen die solchen Kräften ausgesetzt sind nicht ideal.

Wo Sie Kohlefaser 3D-Druck Material erhalten

Kohlefaserverbundwerkstoffe erhalten Sie entweder von Filamentherstellern oder direkt bei uns als deutschem MakerBot Distributor. Für den MakerBot Method empfehlen wir die Verwendung des optimierten MakerBot Nylon CF. Weitere Carbon Fiber Verbundwerkstoffe für den MakerBot Method sind mit dem MakerBot LABS Experimental Extruder sowie qualifizierten Drittanbieter-Materialien möglich.

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