3D-Druck Polymer Verbundwerkstoffe

Bei mit Kohlenstofffasern verstärkten Polymeren handelt es sich um Verbundwerkstoffe, deren Festigkeit und Stabilität in erster Linie von den Kohlenstofffasern bestimmt werden. Das Polymer fungiert dabei als bindende Matrix, die die Fasern schützt und verbindet und gleichzeitig ein gewisses Mass an Belastbarkeit gewährleistet.

Kohlenstofffaserverstärkte Polymere werden heute in grossem Umfang dort eingesetzt, wo aussergewöhnliche mechanische Eigenschaften bei gleichzeitiger Gewichtsreduzierung erforderlich sind, wie z. B. beim Airbus A350 XWB oder beim Boeing 787 Dreamliner, bei denen etwa 50 % der Tragflächen, Rumpfteile und Leitwerke aus Faserverbundwerkstoffen bestehen.

Glasfasern bieten zahlreiche Vorteile für eine Vielzahl von Anwendungen. Obwohl die Steifigkeit von Glasfasern geringer ist als die anderer Verstärkungsfasern, liegt ihr grosser Vorteil darin, dass sie eine hohe Festigkeit bei einer gleichzeitig geringen Dichte besitzen und zudem relativ kostengünstig sind. Sie werden in der Luft- und Raumfahrt für Komponenten wie Flugzeuginnenräume und Strukturelemente eingesetzt. Beim 3D-Druck Automobilindustrie werden die Verbundwerkstoffe für jene Teile verwendet, die ein hohes Mass an Festigkeit bei geringem Gewicht erfordern, z. B. Karosserieteile und Innenraumkomponenten. 

Zusätzlich kommen sie in Konsumgütern wie Sportausrüstungen und Elektronikgehäusen zum Einsatz. Auch die Medizintechnik profitiert von diesen Verbundwerkstoffen, beispielsweise bei der Herstellung von Prothesen und beim 3D-Druck Zahnmedizin.

Als faserverstärktes Polymer (Fibre-Reinforced Polymer, FRP) haben Aramidfasern wie Kohlenstoff- und Glasfasern einzigartige selbstschmierende Eigenschaften und punkten auch im Hinblick auf Dichte, Zähigkeit und Schlagfestigkeit. Aramidfasern, wie z. B. Kevlar, sind für ihr aussergewöhnliches Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht bekannt, welches das von Glasfasern übertrifft. Dank ihrer hohen Schlagfestigkeit und ihrer Beständigkeit gegen Chemikalien und Abrieb eignen sie sich besonders gut für Anwendungen, bei denen es auf Langlebigkeit ankommt. Aramidfasern sind zudem ein idealer Isolator für Wärme und Elektrizität und sind auch gegen organische Lösungsmittel, Kraftstoffe und Schmiermittel ausserordentlich resistent.

Ein Nanopartikel misst zwischen 1 und 100 Nanometern. Für das Auge unsichtbar, weisen Nanopartikel im Vergleich zu grösseren Partikeln besondere physikalische und chemische Eigenschaften auf. Verbundwerkstoffe aus Nanopartikeln werden konstruiert, um Festigkeit, Leitfähigkeit sowie andere Merkmale zu optimieren. Sie finden vor allem in Branchen Anwendung, wo die Kontrolle über die Materialeigenschaften auf der Nanoskala entscheidend ist, so zum Beispiel in der Elektronik, der Luft- und Raumfahrt und der Biomedizin.

Polymer Verbundwerkstoffe bieten vor allem im Hinblick auf die Optimierung mechanischer Eigenschaften deutliche Vorteile gegenüber reinen Photopolymeren. Durch die Einbindung zusätzlicher Materialien können diese Verbundwerkstoffe ein höheres Mass an Stabilität, Steifigkeit und Haltbarkeit erreichen. Dies macht sie für Anwendungen, bei denen Zuverlässigkeit und Leistung von grösster Bedeutung sind, wie beispielsweise bei Bauteilen für die Luft- und Raumfahrt oder für die Automobilindustrie, äusserst begehrt. Durch die Integration zusätzlicher Materialien können Polymer Verbundwerkstoffe die mechanischen Fähigkeiten ihrer reinen Photopolymer-Gegenstücke übertreffen.

3D-Druck Verbundwerkstoffe können präzise auf bestimmte Eigenschaften wie Leitfähigkeit, Flammfestigkeit oder verbesserte thermische Stabilität abgestimmt werden. Ihr hoher Grad an Individualisierung ermöglicht massgeschneiderte Lösungen für verschiedene Branchen. Polymer Verbundwerkstoffe sind daher für Anwendungen, die spezielle Materialeigenschaften erfordern, von unschätzbarem Wert.

Für Anwendungen, bei denen es auf Massgenauigkeit ankommt, sind die Schrumpfungseigenschaften der Polymer Verbundwerkstoffe ein ausschlaggebender Faktor für die Wahl der richtigen Komponenten. Aufgrund ihrer Anpassungsfähigkeit im Hinblick auf eine minimierte Schrumpfung sind 3D-Druck Verbundwerkstoffe die erste Wahl für Branchen, die bei ihren Endprodukten höchste Präzision verlangen.

Unter Dimensionsstabilität versteht man die Fähigkeit eines Materials, seine ursprüngliche Form und Grösse beizubehalten, wenn es verschiedenen äusseren Faktoren wie Temperaturschwankungen, Feuchtigkeit oder mechanischer Belastung ausgesetzt ist. Dort, wo präzise Abmessungen entscheidend sind, ist diese Eigenschaft von grossem Vorteil.

Polymer Verbundwerkstoffe können eine höhere Beständigkeit und Widerstandsfähigkeit gegenüber externen Faktoren wie mechanischer Belastung, Chemikalien oder Umweltbedingungen aufweisen. Aufgrund dieser verbesserten Widerstandsfähigkeit eignen sie sich gut für Anwendungen, bei denen Robustheit und Langlebigkeit von entscheidender Bedeutung sind, wie z. B. bei Komponenten für die Luft- und Raumfahrt, Automobilteile und Industriemaschinen. Im Wesentlichen sind Polymer Verbundwerkstoffe die erste Wahl, wenn Eigenschaften wie eine hohe Widerstandsfähigkeit, Haltbarkeit und Leistung erforderlich sind.

Durch die Beimischung verschiedener Materialien können Polymer Verbundwerkstoffe so angepasst werden, dass sie praktisch jede gewünschte Eigenschaft aufweisen. Ihre Vielseitigkeit und präzise Anpassungsfähigkeit je nach Anforderung machen Polymer Verbundwerkstoffe unerlässlich. UV- und Wärmestabilität sowie chemische Beständigkeit ermöglichen es dem Endprodukt beispielsweise, äusseren Einflüssen standzuhalten. In der Luft- und Raumfahrtindustrie sind wiederum geringe Ausgasungseigenschaften erforderlich, um unter Vakuumbedingungen möglichst wenig flüchtige Substanzen freizusetzen. 3D-Druck Verbundwerkstoffe bieten also alles, was man braucht, um ein vielseitig einsetzbares Produkt zu schaffen.