14 Jul 2021

Carbon / CFK – faserverstärkte Kunststoffe für Ersatzteile aus dem 3D-Drucker

Die Entwicklung des 3D-Drucks schreitet immer weiter voran und ist aus der Industrie nicht mehr wegzudenken. Neben den traditionellen Werkstoffen wie Stahl und Aluminium ist es inzwischen sogar möglich Bauteile aus carbonfaserverstärktem Kunststoff (ugs. Carbon), mithilfe der additiven Fertigung, herzustellen. Durch die Verknüpfung der Vorteile des 3D-Drucks mit denen des hochfesten Materials lassen sich extrem stabile Bauteile, mit sehr guter Oberflächenbeschaffenheit, ohne großen Aufwand produzieren.

Was ist Carbonfaserverstärkter Kunststoff (CFK) genau?

Es handelt sich dabei um einen Verbundwerkstoff bei dem Kohlenstofffasern zur Verstärkung in mehreren Lagen in eine Kunststoffmatrix eingebettet werden. Dies sorgt dafür, dass die späteren Bauteile über eine extreme Festigkeit und Steifigkeit verfügen.

Beim 3D-Druck werden Carbon Fiber-Filamente verwendet. Das sind herkömmliche 3D-Druck-Filamente die aus carbonfaserverstärktem Kunststoff hergestellt werden. In der Regel sind hierbei geschnittene Kohlenstofffasern, die weniger als einen Millimeter lang sind, dem typischen Thermoplasten beigemischt. Es können auch Endlosfaserstränge verwendet werden, welche deutlich stärker sind aber dafür einen aufwändigeren Druckprozess benötigen. Am häufigsten werden die Carbon Fiber-Filamente PET-CF und HI-TEMP CF genutzt.

Warum für Carbon-Faser-Filament entscheiden?

  • Extreme Festigkeit
  • Geringes Gewicht
  • Temperaturbeständigkeit
  • Steifigkeit

Die mit Kohlestofffasern verstärkten Filamente haben den Vorteil, dass sie trotzt ihrer hohen Festigkeit nur eine sehr geringe Masse haben. Zudem können sie im Vergleich zu herkömmlichen Filamenten deutlich größeren Temperaturen standhalten. Beispielsweise ist PET-CF bis zu 100 °C beständig. Des Weiteren behalten Bauteile die mit Carbonfaser-3D-Druck gefertigt werden auch unter hohen Belastungen ihre Form bei.

Folgende Punkte sind dennoch zu beachten:

  • höhere Materialkosten
  • Spezielle Ausstattung notwendig
  • Geringe Stoßfestigkeit

Da der Aufwand zur Herstellung von Carbon-Faser-Filament größer ist, als beispielsweise von PLA fällt der Preis auch dementsprechend höher aus. Beim Drucken von Bauteilen aus CFK ist der Verschleiß der Düse deutlich höher als bei anderen Filamenten, weshalb zwangsläufig eine Düse aus gehärtetem Stahl verwendet werden muss. Zudem sind ein beheiztes Druckbett und eine höhere Drucktemperatur notwendig. Des Weiteren bringt das Carbon-Filament auch eine negative Werkstoffeigenschaft mit sich, denn bei Anwendungen mit großer Stoßkraft können Brüche im Material entstehen.

Rekonstruktion von Fahrzeugteilen aus CFK

Aufgrund der guten Oberflächenbeschaffenheit und der enormen Stabilität der Bauteile bietet der Carbon-3D-Druck viele Anwendungsmöglichkeiten. So eignet sich dieser neben dem Werkzeugbau und der Luft- und Raumfahrttechnik auch hervorragend zur Rekonstruktion von Fahrzeugteilen.

BMW E24 635 Unterfahrschutz
Unterbodenschutz BMW E24

So wurde auch der hier zu sehende Unterfahrschutz eines BMW E24 635 CSi mit Carbon-Faser-Filament im additiven Fertigungsverfahren reproduziert. Beim verwendeten Material handelt es sich um HI-TEMP CF, einem hochfesten kohlenstofffaserverstärkten Filament das bei Temperaturen bis zu 115 °C beständig bleibt.

BMW E24 635 Unterfahrschutz

Die Vorzüge der additiven Fertigung, bei der Herstellung von Bauteilen aus CFK, lassen sich jedoch nicht nur beim direkten Druck nutzen. Vielmehr lassen sich mittels 3D-Druck selbst aufwändige und große Formen, für die späteren Bauteile, in kürzester Zeit und ohne großen Aufwand erzeugen. Anschließend werden die mit Epoxidharz vorimprägnierten Kohlenstofffaser-Matten in die Formen eingelegt und in einem Vakuumsack, unter Einfluss von entsprechender Temperatur und Druck, ausgehärtet.

Fazit

Unter Berücksichtigung der oben genannten Faktoren lassen sich mithilfe des Carbon-Faser-3D-Drucks sehr leichte und zugleich hochfeste Bauteile herstellen welche in vielen Bereichen Anwendung finden. Die Bauteile aus CFK sind sehr langlebig und stehen Produkten aus herkömmlichen Materialien in kaum etwas nach. Ihr wollt den Preis für euer Ersatzteil wissen? Stellt uns eine Anfrage!