Kohlenstofffaserverstärktes SLS-Pulver: Formlabs Nylon 11 CF-Pulver für leichte & starke Teile

Formlabs Nylon 11 CF Powder

Zum ersten Mal bringt Formlabs ein kohlenfaserverstärktes SLS-Pulver auf den Markt; Das Formlabs Nylon 11 CF Pulver für den Formlabs Fuse 1+ 30W SLS 3D-Drucker. Damit prodzieren Sie starke, leichte und hitzebeständige Teile. Dadurch können Sie auf herkömmliche Überlagerungsmethoden oder Zerspanung verzichten.

Aufgrund seiner Eigenschaften – hohe Wärmebeständigkeit und hohe Steifigkeit – ist das Nylon 11 CF Powder ideal geeignet für:

  • Gehäuse, Vorrichtungen und Halterungen für die Luft- und Raumfahrt
  • Automobil-Prototyping, Prüfvorrichtungen
  • Gehäuse für akkubetriebene Elektrofahrzeuge
  • Ersatzteilherstellung

Kohlefaserverstärkte Teile sind zwar bereits weit verbreitet, allerdings noch kaum für den 3D-Druck. Sowohl Hitzebeständigkeit, Steifigkeit, Festigkeit als auch ein geringes Gewicht sind in der Hochleistungsindustrie die wichtigsten Anforderungen. Dank dem Fuse 1+ 30W von Formlabs ist die Fertigung solcher Teile nun einfach, zu einem erschwinglichen Preis und in höchster Qualität möglich.

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Was sind Kohlenstofffasern?

Kohlenstofffasern werden durch ein industrielles Verfahren hergestellt. Durch die Erhitzung auf sehr hohe Temperaturen werden die Nebenkomponenten von Rohmaterialien wie Polyacrylnitril oder Holznebenprodukten „weggebrannt“. Dabei  entstehen Faser die aus fast vollständig kristallinen Kohlenstoffstrukturen bestehen: Verwoben bilden sie die Kohlenstofffasern. Diese Kohlenstoffasern können zu Stoffen gewebt werden. Durch das Hinzufügen zu Harz können formbare Platten hergestellt werden. Oder man verarbeitet die Fasern zu Pulver, welches schlussendlich mit einem 3D-Drucker gesintert bzw. verbunden wird.

Die mechanischen Eigenschaften von Verbundwerkstoffen wie kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe übertreffen teilweise jene herkömmlich hergestellter Teile aus Stahl, Holz oder Aluminium. Obwohl die Kohlenstofffasern die Festigkeit des Grundmaterials erhöhen, erhöhen sie kaum dessen Gewicht. Daher sind diese Verbundwerkstoffe trotz erhöhter Festigkeit des Grundmaterials dennoch sehr leicht. Deshalb verbaut man sie oft in Automobilkanälen, Verteilern, Motorluftströmen, Luft- und Raumfahrtgehäusen, Hochleistungssportgeräten und im Bootsbau. Selbst in aufstrebenden, nachhaltigen Sektoren wie beim Bau von Windturbinen oder Elektrofahrzeugen schätzt man die Festigkeit bei geringem Gewicht von Kohlefaserteilen zur Effizienzsteigerung.

Nylon 11CF Sample Parts

Die Herstellung von kohlenstofffaserverstärkten Teilen mit traditionellen Methoden

Die gängigsten Methoden zur Herstellung von Kohlefaserteilen sind das Nasslaminieren, die Prepreg-Laminierung und das Resin Transfer Molding (RTM). Diese traditionellen Methoden erfordern alle eine Form und können sehr arbeitsintensiv sein.

Heute kann man Formen kostengünstig durch 3D-Druckverfahren hergestellen. Dies erlaubte es KMU’s Endverbrauchsteile aus Kohlenstofffasern zu viel niedrigeren Kosten zu produzieren als mit konventionellen Methoden. Einschränkungen gibt es jedoch auch bei der Verwendung von 3D-gedruckten Formen: grosse Produktionsserien, Teile mit internen Kanälen oder kleinen Negativ- und Positivmerkmalen oder hohe Produktionsvolumen lassen sich nur schwer und zeitaufwändig herstellen.

Direkter 3D-Druck von kohlenstofffaserverstärkten Teilen aus Nylon 11

Die Herstellung 3D-gedruckter kohlenstofffaserverstärkten Bauteile wurden dank leistungsfähigerer Sinterverfahren und materialwissenschaftlichen Entwicklungen in den letzten Jahren möglich. Dafür kombiniert man Kohlenstofffaserpartikel mit typischen SLS-Materialien wie Nylon.

Der 3D-Direktdruck von kohlenstofffaserverstärkten Teilen wird die herkömmlichen Methoden zur Herstellung von Teilen aus Kohlenstofffasern nicht komplett ersetzen, jedoch ergänzen. 3D-gedruckte Teile aus Nylon 11 CF weisen in erster Linie eine leicht geringere Zugfestigkeit (UTS) auf. Sie weisen jedoch eine deutlich höhere Festigkeit und Steifigkeit verglichen mit ihren unverstärkte Polymer-Gegenstücken auf. Der Fuse 1+ 30W-Drucker bietet Vorteile beim 3D-Druck von kohlenstofffaserverstärkten Teilen in den Bereichen der geometrischen Freiheit.  Darüberhinaus ermöglicht er eine schnelle, arbeitsarme Alternative zu klassischen Produktionsmethoden, bei einer geringen Stellfläche und einem einfachen Arbeitsablauf.

Bei der additiven Fertigung im SLS-Verfahren entfallen geometrische Beschränkungen wie bei herkömmlichen Formgebungsverfahren grösstenteils. Denn das nicht gesinterte Pulver in der Baukammer des SLS-Druckers trägt und stützt die Bauteile. Daher benötigen diese keinerlei Stützstrukturen. Aufgrund der bisher hohen Einstiegspreise für 3D-Drucktechnologien, welche kohlenstofffaserverstärkte Teile herstellen können, ist der verbreitete Einsatz davon noch relativ gering.

Dank des neuen Fuse1+ 30W SLS-Drucker können nun jedoch leistungsstarke und hochpräzise kohlefaserverstärkte Teile zu einem erschwinglichen Preis hergestellt werden. Verglichen mit den meisten industriellen 3D-Drucklösungen können Benutzer des Fuse1+ 30W Kohlefaserteile zum Bruchteil des Preises und der Arbeitszeit herstellen. Exklusiv für den Fuse1+ 30W wurde das Nylon 11 CF-Pulver für optimale Zuverlässigkeit und Konsistenz entwickelt.

Formlabs Nylon 11 CF Pulver

Für Hochleistungsanwendungen geeignet

Das Nylon 11 CF-Pulver bietet sich für die In-House Fertigung von Metallersatzteilen an. Da der Ausfall von Maschinen oder Geräten und das Warten auf Ersatzteile erhebliche Umsatz-Einbussen bedeutet, ist die schnelle und einfache Produktion solcher Teile vor Ort mit Nylon 11-CF ein riesiger Vorteil. Obwohl 3D-gedruckte Ersatzteile schon seit Jahren in Reichweite sind, haben viele Unternehmen auf das richtige Material gewartet und auf die Investition in eine entsprechende Lösung verzichtet. Das steife und leichte Formlabs Nylon 11 CF Material für den Fuse 1+ 30W löst diese Aufgabe und dient als Alternative zu Metall für Ersatzteile, die erhöhten Temperaturen und wiederholten Stössen standhalten müssen.

Untenstehend finden Sie den Vergleich der 4 verschiedenen Nylon Powder für den Fuse 1 und den Fuse 1+ 30W:

Materials Nylon 11 CF Powder* Nylon 12 GF Powder Nylon 12 Powder Nylon 11 Powder
Ultimate Tensile Strength X (MPa) 69 38 50 49
Ultimate Tensile Strength Y (MPa) 52 38 50 49
Ultimate Tensile Strength Z (MPa) 38 38 50 49
Tensile Modulus X (MPa) 6500 2800 1850 1600
Elongation at Break, X (%) 9 4 11 40
Elongation at Break, Y (%) 15 4 11 40
Elongation at Break, Z (%) 5 3 6 N/A
Notched Izod (J/m) 74 36 32 71
Heat Deflection Temp. @ 1.8 MPa (°C) 178 113 87 46
Heat Deflection Temp. @ 0.45 MPa (°C) 188 170 171 182

*exklusiv für den Fuse 1+ 30W – nicht kompatibel mit dem Fuse 1

Das neue Hochleistungsmaterial eignet sich auch hervorragend für die Herstellung von Vorrichtungen und Werkzeugen in der Fertigungslinie. Aufgrund seiner hohen Steifigkeit, seiner hohen Schlagzähigkeit und seines geringen Gewichts, sowie seiner hohen Hitzebeständigkeit können Nylon 11 CF Teile als Werkzeuge für die Herstellung von Metallteilen verwendet werden. Denn diese können auch heisse Metallteile halten, ohne sich dabei zu verformen oder zu zerbrechen.

In Luft- und Raumfahrtanwendungen – beispielsweise der Herstellung von Drohnen – eignet sich die Hitzebeständigkeit und Schlagfestigkeit des Nylon 11 CF-Pulver ebenfalls: Batteriebetriebene Drohnen benötigen ein hitzebeständige Gehäuse zum Schutz der Komponenten vor der erhitzenden Batterie; Mit Kerosin betriebene Fluggeräten sind entsprechend der extremen Hitze der Verbrennungsmotor-Elemente ausgesetzt.

Nylon 11 CF Sample

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Druckausrichtung für maximale Festigkeit

Die Kohlenstofffasern im Nylon 11 CF Powder sorgen für die hohe Zugfestigkeit in den Bauteilen. Daher spielt die Ausrichtung der Teile beim Druck eine entscheidene Rolle.

Der Recoater des Fuse 1+ 30W Druckers neigt dazu, die Kohlenstofffasern längs der X-Achse auszulegen. Dies hat zur Folge, dass die Zugfestigkeit (UTS) der Teile in X-Richtung am stärksten gesteigert wird – die UTS beträgt 38 MPa in der Z-Achse und 69 MPa in der X-Achse. Zur Optimierung der Festigkeit eines Druckteils, sollte man dieses so ausrichten, dass die beabsichtigte Belastung entlang der X-Achse erfolgt.

Druckausrichtung

Die maximale Festigkeit der Kohlenstofffasern wird erreicht, indem Sie Ihre Teile mit der beabsichtigten Belastung entlang der X-Achse ausrichten

Gemeinsam validiert für maximale Zuverlässigkeit

Das Nyon 11 CF Powder wurde gemeinsam mit dem neuen Fuse 1+ 30W validiert, um die Einarbeitungszeit mit dem neuen Material zu reduzieren. Obwohl es das erste kohlenstofffaserverstärkte Material von Formlabs ist, haben frühere gefüllte Materialien wie Rigid 10K Resin und Nylon 12 GF Powder neue Anwendungen in der Automobil-, Luft- und Raumfahrtindustrie sowie der Fertigung ermöglicht.

Fuse 1+ Nitrogen SLS Printer

Der neue Fuse1+ 30W-Drucker bietet die Option, mit einer Stickstoffversorgung zu drucken. Dadurch können Bauteile in einer stabilen, inerten Umgebung ohne das Risiko einer Oxidation hergestellt werden. Das ungesinterte Pulver um die Teile herum erhält so seine Qualität, was zu einer besseren Auffrischungsrate und somit für eine ökonomischeren Produktion sorgt.

Nylon 11 CF-Pulver hat dank der Stickstoffzufuhr eine Auffrischungsrate von 30%. Somit benötigt jede neue Baukammer nur 30% neues Pulver, Das heisst zu 70% kann gereinigtes Pulver vorheriger Drucke wiederverwendet werden. Dadurch wird ein gänzliche abfallfreier Druck ermöglich. Dies führt einerseits zur Reduktion der Materialkosten. Andererseits trägt es dazu bei den Arbeitsplatz und die Umwelt sauberer und nachhaltiger zu gestalten.

Nylon 11 CF Powder kann problemlos in Ihren Arbeitsablauf integriert werden. Der Materialwechsel von Nylon 11 auf Nylon 11 CF-Pulver benötigt nur zwei bis drei Stunden Reinigungszeit. Dies ist eine viel geringere Reinigungszeit im Vergleich zum Materialwechsel bei anderen traditionellen SLS-Maschinen. Dadurch wird Ihnen ein effizienterer Arbeitsalltag ermöglicht. Gleichtzeitig können Sie eine Produktionseinheit für verschiedene Materialien nutzen.

Formlabs Fuse 1+ Ökosystem

Es ist Zeit, SLS-3D-Druck ins eigene Haus zu holen

Es gibt viele Hersteller, die derzeit SLS-Teile von Zulieferern für eine Reihe von Anwendungen beziehen – Prototyping, Endverbrauchsteile, Ersatz-/Reparaturteile und Fertigungshilfen. Damit es sich für Hersteller finanziell rechnet in-House zu produzieren, muss das Volumen der benötigten Teile gross genug sein. In der Regel muss es meist mehrere der genannten Anwendungsbereiche umfassen.

Nylon 11 CF Powder

Dank der Einführung des Nylon 11 CF-Powder von Formlabs wird ein breites Spektrum neuer Anwendungen in der SLS-Fertigung zugänglich gemacht. Hersteller müssen sich beim Einsatz unter hohen Temperaturen, mit anhaltender Stossbelastung und hohen Anforderungen an die Festigkeit auf ihre SLS-Teile verlassen können – und mit diesem Pulver können sie das. Gemeinsam mit dem Fuse 1+ 30W-Drucker lässt sich dieser neue Arbeitsablauf einfach in die bisherige Produktion integrieren, verwalten und warten – zu einem erschwinglichen Preis.

HINWEIS: Nylon 11 CF-Pulver kann reizend auf Haut und Schleimhäute wirken. Formlabs empfiehlt die Verwendung von persönlicher Schutzausrüstung (PSA). Konsultieren Sie immer das Sicherheitsdatenblatt (Safety Data Sheet) und den Support-Artikel als primäre Informationsquellen, um die Sicherheit und den Umgang mit den Materialien von Formlabs zu verstehen.