3D-Druck
Polymer Verbundwerkstoffe
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Polymer Verbundwerkstoffe
3D-Druck Verbundwerkstoffe: Eigenschaften und Anwendungen
Beim 3D-Druck ist die Wahl der richtigen Materialien entscheidend, um ein Produkt mit spezifischen Eigenschaften zu erhalten. Hier kommen Polymer Verbundwerkstoffe ins Spiel.
Die 3D-Druck Verbundwerkstoffe bieten die nötige Flexibilität, um Produkten individuelle Eigenschaften zu verleihen, wie z.B. eine reduzierte Schrumpfung oder eine bessere Haltbarkeit.
Was sind Polymer Verbundwerkstoffe?
Um die Funktion von 3D-Druck Verbundwerkstoffen besser zu verstehen, werfen wir zunächst einen Blick auf den Begriff „Polymer Verbundwerkstoffe“, der aus zwei Teilen besteht:
- Photopolymer: Ein Photopolymer ist ein Material, das seine physikalischen oder chemischen Eigenschaften ändert, wenn es Licht ausgesetzt wird.
- Verbundwerkstoffe: Ein Verbundwerkstoff entsteht durch die Kombination zweier Stoffe mit unterschiedlichen physikalischen und chemischen Eigenschaften. Je nach Anforderung wird er individuell angepasst, beispielsweise um eine höhere Stabilität, ein geringeres Gewicht oder eine verbesserte elektrische Widerstandsfähigkeit zu erreichen. Verbundwerkstoffe bestehen normalerweise aus nur zwei Komponenten: der Matrix oder dem Bindemittel, das die Fasern und Fragmente des anderen Bestandteils, der als Verstärker bezeichnet wird, umschliesst und mit ihnen verschmilzt.
Polymer Verbundwerkstoffe sind eine besondere Art von Verbundwerkstoffen, bei denen ein Photopolymer als zentrales Matrixelement dient. Zusätzlich wird das Photopolymer durch Fasern, Partikel oder anderes Material verstärkt. Unter Einwirkung der geeigneten Lichtquelle wird die Photopolymer-Matrix photopolymerisiert und das Material verfestigt.
Material zur Verstärkung von Polymer Verbundwerkstoffen
Das verwendete Verstärkungsmaterial ist entscheidend für die Herstellung von 3D-Druck Verbundwerkstoffen mit spezifischen Eigenschaften. Zu den gängigen Verstärkungsmaterialien gehören Kohlenstofffasern, Glasfasern, Aramidfasern und Nanopartikel.
Kohlenstofffasern
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
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.
Aramid-Fasern
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.
Nanopartikel
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.
Vorteile von Polymer Verbundwerkstoffen
Durch die Beimischung zusätzlicher Materialien können Polymer Verbundwerkstoffe verbesserte mechanische Eigenschaften aufweisen, wie z. B. höhere Stabilität, Steifigkeit und Stossfestigkeit. Sie können auch so konstruiert werden, dass sie bestimmte Eigenschaften wie Leitfähigkeit oder Flammfestigkeit aufweisen, die mit reinen Photopolymeren nicht unbedingt erzielt werden können.
Verbesserte mechanische Eigenschaften
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.
Anpassungsfähigkeit
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.
Reduzierte Schrumpfung
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.
Verbesserte Dimensionsstabilität
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.
Verbesserte Widerstandsfähigkeit
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.
Vielseitigkeit
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.
3D-Druck Verbundwerkstoffe und ihre Anwendung
3D-Druck Verbundwerkstoffe finden aufgrund ihrer einzigartigen Fähigkeiten vielfältige Anwendungen in verschiedenen Branchen. Sie ermöglichen schnelles Prototyping und iterative Designs, so dass Ingenieure und Designer ihre Entwürfe umgehend testen können.
In der Luft- und Raumfahrt werden Polymer Verbundwerkstoffe zur Herstellung von leichten und dennoch robusten Komponenten wie Innenausstattungen, Halterungen und Prototypen für aerodynamische Tests verwendet, während die Automobilindustrie die Materialien für Innenverkleidungen, kundenspezifische Vorrichtungen und Prototypen für Fahrzeugtests einsetzt, um nur einige Beispiele zu nennen.
Der medizinische Bereich profitiert von 3D-Druck Verbundwerkstoffen bei der Erstellung komplizierter anatomischer Modelle für die chirurgische Planung sowie von patientenspezifischen Implantaten. In der Zahnmedizin wird die Technologie zur Herstellung von Zahnkronen, Brücken und Modellen für die Prothetik eingesetzt.
Sogar 3D-Drucker Schmuck wird anhand von Polymer Verbundwerkstoffen hergestellt, um individuelle Schmuckstücke mit feinen Details zu erhalten. Die 3D-Druck Verbundwerkstoffe bieten unzählige Anwendungsmöglichkeiten und werden dank des technischen Fortschritts kontinuierlich erweitert, sodass vielseitige Lösungen für ein breites Spektrum von Branchen angeboten werden können.
Polymer Verbundwerkstoffe - eine vollständig massgeschneiderte und zuverlässige Lösung
Ihre Anpassungsfähigkeit an spezifische Bedürfnisse und ihre Zuverlässigkeit machen Polymer Verbundwerkstoffe zu einem Eckpfeiler des 3D-Drucks. Ob in der Luft- und Raumfahrt, beim 3D-Druck in der Medizin oder in der Schmuckindustrie – Photopolymer Verbundwerkstoffe ebnen weiterhin den Weg für innovative und präzise Lösungen in den verschiedensten Branchen.
Kontaktieren Sie uns, um mehr über unseren 3D-Druck Harz zu erfahren und darüber, wie Polymer Verbundwerkstoffe Ihre Verfahren optimieren können.
Ihr persönlicher Kontakt
Christopher Cocklan
3D Printing Business Development Manager EnergyCuring
RAHN USA Corp.
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christopher.cocklan@rahn-group.com