9T Labs: Faserstrukturen optimieren Effizient zu hochfesten CFK-Bauteilen

Redakteur: Konrad Mücke

Kohlefaser-Verbundwerkstoffe (CFK) sind leicht und besonders fest. Deshalb eignen sie sich für Bauteile in der Luft- und Raumfahrt, in der Medizintechnik, in der Antriebstechnik, im allgemeinen Maschinenbau und im Profi-Sport. Allerdings ist die konventionelle Produktion arbeitsaufwendig und kostenintensiv.

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Effizient durch zwei Verfahrensstufen: Hochfeste Bauteile aus CFK entstehen durch die Kombination eines 3D-Drucks (vorn links), der die Faserstrukturen beanspruchungsgerecht legt, mit Formpressen, das die Dichte von Harz und Faser optimiert.
Effizient durch zwei Verfahrensstufen: Hochfeste Bauteile aus CFK entstehen durch die Kombination eines 3D-Drucks (vorn links), der die Faserstrukturen beanspruchungsgerecht legt, mit Formpressen, das die Dichte von Harz und Faser optimiert.
(Bild: 9T Labs)

Das Unternehmen 9T Labs hat eine innovative Methode entwickelt, um optimierte Bauteile aus CFK besonders effizient herzustellen. Der 3D-Druck mit kontinuierlicher Kohlefaser-Verstärkung und das Formpressen werden kombiniert. So lassen sich äusserst stabile und feste, dabei aber leichte Komponenten herstellen. Im mehrstufigen Verfahren entstehen kostengünstige Bauteile bei wenig Abfall. Die Bauteile überzeugen mit höchster Qualität. Es gibt nur minimal Lufteinschlüsse. Zudem arbeitet das Verfahren wiederholbar exakt und zuverlässig.

Software optimiert Faserstruktur

Das System Red Series von 9T Labs besteht aus der Fibrify-Software und den beiden Maschinen Build-Modul und Fusion-Modul. Die Fibrify-Software schlägt dem Nutzer auf die Beanspruchung der Bauteile abgestimmte Faserlagen vor. Dafür sind Kriterien einstellbar. Die Daten aus der Software lassen sich in übliche FEA-Simulationspakete, wie ANSYS, integrieren, um die gelegten Fasermuster zu verifizieren und zu optimieren.

Fasern beanspruchungsgerecht legen

Das Build-Modul ist ein industrieller 3D-Drucker. Er kann auch Bauteile aus anderen Werkstoffen, neben Kohlefaser und dazu passenden Harzen, herstellen. Im 3D-Druck platziert diese Maschine kontinuierliche Kohlenstofffasern nur an den erforderlichen Positionen. So optimiert man den Einsatz des kostenintensiven Werkstoffs. Wichtig ist, dass das verstärkte Filament nicht dem gleichen Weg folgen muss wie der Kunststoff, also das Harz. Das Legen der Filamente kann der 3D-Drucker im Arbeitsprozess nach Bedarf ein- und ausschalten. Die so im 3D-Druck gefertigten Bauteile können direkt aus dem Drucker als funktionale Prototypen, Vorrichtungen oder Einzelstücke eingesetzt werden.

Fester und genauer durch Formpressen

Um die endgültige Dichte und genaue Abmessungen für hochwertige Produkte und anspruchsvolle Anwendungen zu verwirklichen, werden die im 3D-Druck hergestellten Bauteile im Fusion-Modul formgepresst. Dies geschieht bei bis zu 400 °C und über 20 bar Druck. Das verdichtet die Fasern und den Kunstharzanteil und minimiert die Poren. Durch das Pressen weisen Bauteile weniger als ein Prozent Anteil an Hohlräumen auf. Zudem können beim Pressen Buchsen, Lager und andere Elemente in die Bauteile eingefügt und zuverlässig integriert werden. Das vermindert deutlich den Aufwand für Nacharbeit und vereinfacht die Montage der CFK-Bauteile. Das Pressen ermöglicht auch, mehrere Komponenten zu einem Gesamtbauteil zu verbinden. So lassen sich echte 3D-Faserorientierungen verwirklichen. Für jedes Bauteil wird ein spezifisches Formwerkzeug eingesetzt. Diese Formen bestehen üblicherweise aus Aluminium für Kleinserien oder aus Edelstahl für grössere Serien.

Wirtschaftlicher als Aluminium

Im Vergleich zur Produktion von Bauteilen durch spanendes Bearbeiten von Aluminium ergeben sich durch die zweistufige Fertigung aus Kohlefaser-Verbund­werkstoffen spezifisch leichtere Bauteile. Zudem entsteht wegen der beanspruchungsgerechten CFK-Fasergelege kein Abfall – es sind keine überschüssigen Bereiche an den Bauteilen durch Fräsen und Trennen zu entfernen. In kleinen Serien – üblich sind zwischen 100 und 10 000 Bauteile jährlich – erweist sich das zweistufige CFK-3D-Druckverfahren zudem als wirtschaftlicher verglichen mit spanender Fertigung aus hochfestem Aluminium. - kmu - SMM

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