Faserkohlefaserverstärkte Filamente

Mit Kohlefaser verstärkte Materialien sind mit kontinuierlichen Fasern oder Faserpartikeln gefüllt, wodurch Bauteile mit verbesserten physikalischen Eigenschaften und hoher Steifigkeit entstehen. Es gibt verschiedene Optionen für kohlefaserverstärkte Materialien im 3D-Druck, doch sie alle erfordern deutlich unterschiedliche Druckeinstellungen.

Kohlefaserverstärkte Filamente kombinieren die Vorteile von Thermoplasten mit der Festigkeit und Steifigkeit von Kohlefasern und schaffen Materialien, die für Anwendungen im Ingenieurwesen optimiert sind. Diese Verbundwerkstoffe eignen sich ideal für leichte, langlebige Bauteile, die verbesserte mechanische Eigenschaften und dimensionsstabile Eigenschaften benötigen.

Was sind kohlefaserverstärkte Filamente?

Kohlefaserfilamente infundieren kurze Kohlefasern in ein Basistermoplast (z. B. PLA, PETG, Nylon, ABS oder PC). Die Fasern erhöhen die Steifigkeit, reduzieren Verzug und verbessern die Wärmebeständigkeit bei gleichzeitiger Beibehaltung der Druckbarkeit des Basismaterials.

Hauptvorteile

• Erhöhte Steifigkeit: Fasern erhöhen die Rigidity und verringern das Durchbiegen in Strukturelementen.

• Dimensionsstabilität: Minimiert Schrumpfung und Verzug während des Abkühlens.

• Leichtgewichtig: Geringere Dichte als Metalle, ideal für gewichtssensitive Branchen.

• Verbesserte Hitzebeständigkeit: Höhere Wärmeverformungstemperaturen als Basismaterialien.

Gängige kohlefaserverstärkte Optionen

1. PLA-CF

• Basismaterial: PLA

• Eigenschaften: Erhöhte Steifigkeit und Oberflächenfinish, jedoch verringerte Schichthaftung und Schlagfestigkeit.

• Anwendungen: Ästhetische Prototypen, Drohnenrahmen, leichte Vorrichtungen.

• Einschränkungen: Spröde; ungeeignet für hochbelastete oder hochtemperaturige Umgebungen.

Polymakers PLA-CF

2. PETG-CF

• Basismaterial: PETG

• Eigenschaften: Vereint Steifigkeit mit UV-/chemischer Beständigkeit; weniger neigend zu Verzug als ABS-CF.

• Anwendungen: Automobilverkleidungen, Außenanwendungen, funktionale Prototypen.

• Einschränkungen: Verringerte Duktilität im Vergleich zu Standard-PETG.

3. Nylon-CF (z. B. NylonX, PA-CF)

• Basismaterial: Nylon (PA6/PA12)

• Eigenschaften: Hohe Zugfestigkeit (bis zu 100 MPa), Hitzebeständigkeit (HDT bis zu 155 °C) und Ermüdungsbeständigkeit.

• Anwendungen: Vorrichtungen, Zahnräder, Luftfahrt‑Haltewinkel und Motorraumteile im Automobilbereich.

• Einschränkungen: Erfordert gründliches Trocknen und verschleißfestes Drucker‑Hardware.

Polymakers Fiberon™ PA6-CF20

4. ABS-CF

• Basismaterial: ABS

• Eigenschaften: Verbesserte Steifigkeit und reduzierter Verzug im Vergleich zu standardmäßigem ABS.

• Anwendungen: Automobilprototypen, Gehäuse und funktionale Bauteile.

• Einschränkungen: Neigt zu Dämpfen; erfordert Belüftung.

5. PC-CF

• Basismaterial: Polycarbonat

• Eigenschaften: Außergewöhnliche Festigkeit (Zugfestigkeit ~70–75 MPa) und Hitzebeständigkeit (bis zu 150 °C).

• Anwendungen: Luftfahrtkomponenten, hochtemperaturige Vorrichtungen und elektrische Isolatoren.

• Einschränkungen: Erfordert hohe Düsentemperaturen (300–330 °C) und geschlossene Drucker.

6. Spezialverbundstoffe

• PPS-CF: Hohe thermische Stabilität (bis zu 260 °C kurzfristig) für Luftfahrt- und chemikalienbeständige Bauteile.

• PP-CF: Leichtgewichtig mit Ermüdungsbeständigkeit für Scharniere und Steckverbindungen.

Drucküberlegungen

Hardwareanforderungen

• Düse: Hartstahl, Rubin- oder diamantbeschichtet, um Abrieb standzuhalten.

• Haftung auf dem Druckbett: PEI-Folien, Klebstoffe (z. B. Magigoo) oder strukturierte Oberflächen.

• Gehäuse: Empfohlen für materialien, die zu Verzug neigen (z. B. ABS-CF, Nylon-CF).

Herausforderungen

• Abrieb: Beschleunigter Verschleiß an Extruderritzeln und Bowden-Schläuchen.

• Feuchtigkeitsempfindlichkeit: Nylon-CF und PC-CF müssen getrocknet werden (70–80 °C für 4–6 Stunden).

• Schichtadhäsion: Höhere Düsentemperaturen und langsamere Geschwindigkeiten verbessern die Verbindung.

Anwendungen nach Branche

Branche	Anwendungsfälle	Bevorzugte Materialien
Luft- und Raumfahrt	Halterungen, Luftkanäle, Drohnenrahmen	Nylon-CF, PPS-CF, PC-CF
Automobil	Haltevorrichtungen, Verkleidungen, Motorraumkomponenten	PETG-CF, ABS-CF, Nylon-CF
Industrie	Vorrichtungen, Fördererteile, Werkzeuge	Nylon-CF, PC-CF, PET-GF
Konsumgüter	Handyhüllen, Sportgeräte	PLA-CF, PETG-CF
Medizin	Prothesen, chirurgische Schablonen	Nylon-CF (biokompatibel)

Vor- und Nachteile

Vorteile

• Festigkeits-zu-Gewichts-Verhältnis: Leichter als Metall bei vergleichbarer Steifigkeit.

• Dimensionsstabilität: Reduzierter Verzug für präzise Bauteile.

• Ästhetische Anziehungskraft: Mattes Finish mit sichtbarer Faserstruktur.

Einschränkungen

• Sprödigkeit: Verringerte Schlagfestigkeit in einigen Formulierungen (z. B. PLA-CF).

• Kosten: Teurer als Standardfilamente.

• Hardwareverschleiß: Abrasive Fasern erfordern häufigen Düsenwechsel.