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3D DRUCK KOHLENSTOFFFASER-FILAMENT

26. 10. 2021.

Kohlenstofffasern, auch Kohlefasern oder Carbonfasern genannt, sind von der Glühbirne bis hin zur Weltraumrakete in den verschiedensten Branchen vertreten und ersetzen allmählich Stahl- und Metallteile. Warum? Weil Kohlenstofffasern fünfmal fester als Stahl sind und dazu auch noch leichter. Aufgrund dieser Eigenschaften eignen sich Kohlefasern besonders gut für Anwendungsbereiche, bei denen es auf die Eigenschaften des Materials ankommt, um eine optimierte Leistung zu erreichen. Dies ist vor allem in der Automobil-, Militär-, Luft- und Raumfahrtindustrie sowie anderen ähnlichen Branchen der Fall.

Erstmals wurden die Carbonfasern im Jahr 1860 von Sir Joseph Wilson Swan entdeckt. Später verwendete dann Thomas Edison ein Kohlefasermaterial auf Zellulosebasis für die ersten Glühbirnen, die durch Strom erhitzt wurden; durch die hohe Wärmetoleranz waren Kohlefasern ein idealer elektrischer Leiter. Doch obwohl es Kohlenstofffasern schon seit über 150 Jahren gibt, fanden erst in den späten 1970er Jahren neue Arten von Kohlefasern ihren Weg auf den Weltmarkt. Diese neueren Fasern enthalten mehr als 90 % Kohlenstoff und haben ein wesentlich besseres Verhältnis von Festigkeit bzw. Steifigkeit zu Gewicht. Mit Hilfe dieser modernen Fortschritte und der Senkung der Herstellungskosten konnten wir das Potenzial von Kohlefaserwerkstoffen schließlich voll ausschöpfen.

Wie die meisten von euch vermutlich bereits wissen, werden Kohlefasern nur selten allein verwendet. In der Regel werden sie mit anderen Materialien kombiniert, um einen Verbundwerkstoff zu bilden. Verbundwerkstoffe aus Kohlenstoff bestehen in der Regel (neben Kohlenstofffasern) aus Polymeren. Durch diese Kombination erhält man einen stärkeren, aber dennoch leichteren Kunststoff mit einer höheren Steifigkeit.

3D-gedruckte Modelle aus Kohlefaserfilament können für die Herstellung vieler Produkte wie Propellerblätter, Fahrradrahmen, Flugzeugflügel, Autoteile usw. verwendet werden.

 

 

Carbonfaser-Filamente bestehen aus Kohlefasern, die mit einem thermoplastischen Kunststoff, dem sogenannten Basismaterial, vermischt werden. Für Kohlefaserteile gibt es ganz viele verschiedene Filamente zu kaufen, darunter PETG, PLA, ABS und Nylon. Diese Fasern allein sind bereits extrem stark - und wenn sie mit dem Basismaterial gemischt werden, wird die Steifigkeit und Festigkeit des Filaments erhöht, während gleichzeitig das Gesamtgewicht reduziert wird.

Die Druckparameter des 3D-Druckers für Kohlefaserfilamente sollten mit denen des Basismaterials für die Kohlefasern übereinstimmen. Da Kohlefaserfilamente abrasiv sind und die Düsen des 3D-Druckers verstopfen können, empfehlen wir die Verwendung einer Düse aus gehärtetem Stahl. Leider kann nicht jeder 3D-Drucker mit Kohlefaserfilament drucken, da dieses Material eine hohe Extrusionstemperatur erfordert (mindestens 230 ºC) und Messingdüsen durch die abrasive Beschaffenheit beschädigt werden können (deshalb empfehlen wir die Stahldüse). Wenn Sie jedoch einen FDM-Drucker wie den Ender 3 V2 besitzen, können Sie mit den richtigen Ender 3-Upgrades vom Nylon-Kohlefaserfilament bis hin zu flexiblem Filament drucken. Dazu müssen Sie lediglich den Micro Swiss Direct Drive Extruder installieren und eine Stahldüse verwenden

Einige Unternehmen haben Kohlenstofffaserfilamente sogar in eine noch technischere Richtung entwickelt. Die Basismaterialien solcher Filamente sind Hochleistungspolymere (HPP) wie PEEK. Carbon-PEEK ist ein Material mit außergewöhnlichen Eigenschaften in Bezug auf die thermische, mechanische und chemische Beständigkeit. Dieses Filament wird in ganz bestimmten Bereichen eingesetzt, in denen eine weitere Steigerung der mechanischen Leistung erforderlich ist.

 

PRO:

  • Gute Dimensionsstabilität – die Zugfestigkeit des Filaments sorgt für eine größere Dimensionsstabilität und verhindert Verformungen und Schrumpfen beim 3D-Druck.
  • - Steifigkeit – Normalerweise haben Polymere mit einer hohen Festigkeit und Haltbarkeit eine geringe Steifigkeit. Kohlefaser hat dieses Problem jedoch nicht, da das Material auch bei hoher Belastung seine Form beibehält. Diese Eigenschaft ist sehr nützlich für die Automobilindustrie (z. B. für Fahrzeughalterungen oder Prüflehren).
  • Insgesamt schöne Oberfläche – Kohlefaserfilamente haben eine schöne matte Oberfläche, die das Drucken von funktionsfähigen Prototypen ermöglicht.
  • Robust und leichtgewichtig – Die enorme Zugfestigkeit und das geringe Gewicht machen Kohlenstofffasern zur idealen Alternative für Metallteile. Grund für die Leichtigkeit ist die geringe Dichte. Diese Eigenschaften sind besonders in der Roboterindustrie gefragt.
  • Hitzeverformung – Wenn andere Materialien Hitze ausgesetzt werden, können sie sich unter Druck oder hohen Temperaturen verformen. Nylon-Kohlefaserfilament bietet jedoch eine hohe Hitzebeständigkeit (bis zu 160 Grad Celsius). PET-Carbonfasern können ebenfalls Temperaturen bis zu 125 Grad Celsius standhalten. Gleichzeitig ist es sehr einfach, dieses Filament zu drucken.
  • Da das Filament über außergewöhnliche mechanische Eigenschaften verfügt, kann es für verschiedene Vorrichtungen, Werkzeuge, Verbundwerkstoffformen von verschiedenen Herstellungsverfahren oder für den Eigengebrauch verwendet werden.

 

CONTRA:

  • Abrasives Filament, das Messingdüsen zermürbt. Wir empfehlen die Verwendung einer Stahldüse. Kohlefaserteile schmelzen nicht, sodass man darauf achten muss, dass die Düse nicht verstopft. Bitte unbedingt die richtige Düse wählen.
  • Hygroskopizität – die Tendenz, Feuchtigkeit zu absorbieren. Eine geschützte Umgebung für Spulen aus Nylon-Kohlefaser, wie z. B. ein Mylar-Beutel und ein versiegelter Materialbeutel, ist sehr wichtig.
  • Teuer: Aufgrund der anspruchsvollen Herstellungsprozesse von Kohlenstofffasern ist das Material bekanntermaßen teurer als andere Filamente wie PLA oder ABS. Dies ist einer der Gründe, warum es nur in hochwertigen Produkten, nicht aber auf dem Massenmarkt zu finden ist.
  • Sprödigkeit:  Die Kombination aus Polymer und Kohlefaser erhöht die Brüchigkeit des Materials. Aufgrund der hohen Steifigkeit können die Kohlefasern bei hoher Schlagkraft oder hohem Druck zerbrechen. Das bedeutet, dass Projekte oder Gegenstände, die solchen Bedingungen ausgesetzt sind, nicht ideal für Kohlefasern sind.

 

WO KÖNNEN KOHLEFASERN ANGEWENDET WERDEN?

 

  • In der Formel 1 werden Kohlefasern von den Hochleistungsrennteams verwendet.
  • Entwicklungen in der Luft- und Raumfahrt haben gezeigt, dass Kohlenstofffasern ein fantastisches Material für die Verstärkung von Flugzeugflügeln und -körpern sind und sogar für die nächste Raketengeneration getestet werden. Das geringe Gewicht von Flügeln und Rumpf bedeutet, dass mehr Treibstoff mitgeführt werden kann und größere Reichweiten erzielt werden können.
  • In vielen Sportdisziplinen wie Radsport und Golf sind Geschwindigkeit und Gewicht sehr wichtig. Deshalb haben sich Unternehmen in diesem Bereich mit Verbundwerkstoffen aus Kohlenstofffasern beschäftigt, um einen Wettbewerbsvorteil zu erzielen.
  • Fabriken und andere Fertigungseinrichtungen, die mit Robotern arbeiten, verwenden zunehmend Carbonfasern zur Herstellung von Werkzeugen, die einem hohen Kraftaufwand standhalten und dabei nur ein Minimum der Hubkapazität des Roboterarms beanspruchen. Sie können für verschiedene Vorrichtungen, Werkzeuge, verschiedene Herstellungsverfahren oder sogar für den Eigengebrauch verwendet werden.

 

 

AZUREFILM PAHT – AzureFilm PAHT Nylon Kohlenstofffaser Filament

Das AzureFilm PAHT Nylon Kohlefaser Filament ist eines der beliebtesten und am leichtesten zu bedruckende Polyamid (PA6) mit Kohlefasern. Die ausgezeichnete Abriebfestigkeit, Ermüdungsbeständigkeit, gute chemische Beständigkeit, hohe Festigkeit und Steifigkeit sorgen dafür, dass das Nylonfilament alleine bereits alle gewünschten Eigenschaften besitzt. Die meisten Hersteller entscheiden sich für gemahlene Fasern, da sie kostengünstiger und einfacher zu verwenden sind. AzureFilm hingegen verwendet geschnittene Fasern - dies ermöglicht eine höhere Zugfestigkeit, weil die Fasern größer sind und das Produkt mehr bindet. Neben der ausgezeichneten Zug- und Schlagfestigkeit ermöglicht das PAHT Carbonfaserfilament einen kurzen Dauereinsatz bei bis zu 160°C (Lebensdauer max. 200 Std.). Dieses Filament ist voll kompatibel mit löslichen Trägern wie PVA, BVOH, PVOH und abbrechbaren Trägern wie HIPS. Im Vergleich zu unmodifiziertem PA6 dauert die Wasseraufnahme bis zum Erreichen des Sättigungspunkts etwa viermal länger, während der Sättigungspunkt fünfmal niedriger ist als bei herkömmlichen PA6-Materialien. Die Dicke der Fasern im Inneren liegt zwischen 0,4 mm und 0,6 mm, weshalb wir den Gebrauch einer Düse mit einem Durchmesser von > 0,6 mm empfehlen.

 

Anforderungen an die Nutzung von PAHT KF Filamenten:

  • Beheiztes Druckbett
  • Gehärtete Düse – Aufgrund der abrasiven Struktur des Filaments wird eine Standard-Messingdüse in kurzer Zeit abgenutzt. Daher ist für diese Art von Filament ist eine abriebfeste Düse erforderlich. Da diese Düsentypen in der Regel weniger leitfähig sind als Standarddüsen, werden höhere Extrudertemperaturen empfohlen.
  • Beheizte Filamentkammer (optional) – Die Filamente müssen immer an einem trockenen Ort mit Arbeitstemperatur gelagert werden, um eine gleichmäßig kontrollierte Umgebung für die beste Produktqualität gewährleisten zu können.
  • Geschlossene Umgebung (optional) - Eine durchgehend kontrollierte Umgebung ist ein sehr wichtiger Faktor für eine bessere Qualität des Endprodukts, obwohl dieses Filament auch auf Maschinen ohne Heizkammer gedruckt werden kann.

Druckempfehlungen:

  • Düsentemperatur: 270 - 290°C
  • Beheiztes Bett: empfohlen 90 - 120°C
  • Druckgeschwindigkeit: 40 - 60 mm/s
  • Schichthöhe: 0,2 mm
  • Düsengröße: 0,6 mm
  • Bauplattform: Blaues Band, Kaptonband, Glasbett + Dimafix

 

AZUREFILM PET Kohlenstofffaser Filament

 

Eine weitere Option von AzureFilm ist das PET Kohlefaser Filament. Dieses Material ist das am einfachsten zu druckende Filament mit Kohlenstofffasern. Unsere PET KF haben eine gehäckselte kohlenstofffaserverstärkte Struktur, wodurch die Schlagzähigkeit viel stärker wird. Dieser Verbundwerkstoff aus zerkleinerten Kohlenstofffasern bringt die bisherigen Bemühungen und Beschränkungen bei der Erforschung des 3D-Druckfilaments in technischer Qualität an neue Grenzen. Das Filament hat hervorragende mechanische Eigenschaften ohne Verformung, einschließlich einer extrem hohen Z-Schicht-Festigkeit und geringer Wasseraufnahme. Unsere PET KF sind mit 15 % Kohlenstofffasern gefüllt und haben eine kurzzeitige (max. 3 Std.) Höchsttemperatur von bis zu 125 °C, während sie bei 100°C problemlos für 10 Stunden oder länger halten. Die Dicke der Fasern im Inneren liegt zwischen 0,4 mm und 0,6 mm, weshalb der Düsendurchmesser 0,6 mm betragen muss.

Faserverstärkte Werkstoffe bieten außergewöhnliche mechanische Eigenschaften. Zusätzlich zu den typischen Verbundwerkstoff-Faktoren wie Faservolumen und Faserorientierung haben Wissenschaftler herausgefunden, dass Druckparameter wie Düsentyp und -geschwindigkeit, Fülldichte, Schichtdicke, Betttemperaturen und Füllmuster die mechanischen Eigenschaften beeinflussen.

 

Deutliche Vorteile von AzureFilm PET KF Filamenten:

  • Kosteneffektiv – da wir gehäckselte Kohlenstofffasern verwenden, ist die Produktionsdauer erheblich kürzer, sodass wir unser Material für jeden Kunden kostenfreundlich gestalten können.
  • Höhere Temperaturbeständigkeit bis zu 125°C
  • Mehr Dimensionsstabilität – Gehäckselte Kohlenstofffasern sind extrem stark und verleihen nicht nur eine hohe Festigkeit und Steifigkeit, sondern verhindern auch ein Schrumpfen des Teils während der Abkühlphase.

Anforderungen zur Nutzung von PET KF Filamenten:

  • Beheiztes Druckbett
  • Gehärtete Düse – Aufgrund der abrasiven Struktur des Filaments wird eine Standard-Messingdüse in kurzer Zeit abgenutzt. Daher ist für diese Art von Filament ist eine abriebfeste Düse erforderlich. Da diese Düsentypen in der Regel weniger leitfähig sind als Standarddüsen, werden höhere Extrudertemperaturen empfohlen. Mit der Stahldüse können Sie PET-Kohlefasern sogar auf einem Drucker wie dem Ender 3 drucken. Sie brauchen nur eine Düse, die nicht verstopft (0,6 mm) und höheren Temperaturen standhält.
  • Beheizte Filamentkammer (optional) – Die Filamente müssen immer an einem trockenen Ort mit Arbeitstemperatur gelagert werden, um eine gleichmäßig kontrollierte Umgebung für die beste Produktqualität gewährleisten zu können.
  • Wir empfehlen eine geschlossene Umgebung / einen geschlossenen Drucker für eine stabilere Umgebung, was jedoch optional ist.

 

Druckempfehlungen:

  • Düsentemperatur: 245 – 270°C
  • Beheiztes Bett: empfohlen 80-90°C
  • Druckgeschwindigkeit: 40 –60 mm/s
  • Schichthöhe: 0,2mm
  • Düsendurchmesser: 0,6mm
  • Bauplattform: Blaues Band, Kaptonband, Glasbett + Dimafix

 

 

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