Additive Fusion Technology für strukturelle CFK Bauteile

Ausgangslage

CFK-Bauteile sind in unterschiedlichen Branchen wie Luft- und Raumfahrt, Robotik, Transport und Sport unverzichtbar geworden, um durch Gewichtsreduzierung nachhaltige Ziele zu erreichen. Die konventionelle Herstellung von Verbundwerkstoffen ist meistens nicht kosteneffektiv, da der Materialpreis, das Buy-to-Waste-Verhältnis, die Verarbeitungszeit und der manuelle Aufwand im Vergleich zu klassischen Materialien und Herstellungsverfahren höher sind.

Das Schweizer Start-up 9T Labs ermöglicht digitale Serienfertigung von strukturellen CFK Bauteilen. Durch neuartige Fertigungsverfahren profitieren ihre Kunden, sowohl von einem Kostenvorteil wie auch von optimalem Bauteilverhalten. Dabei werden Hochleistungspolymere wie PA12 und PEKK mit Carbonfasern in Industriequalität kombiniert, um ein hohes Faservolumen von bis zu 60% zu erreichen. Dies ist nötig um lasttragende strukturelle Anwendungen zu erschliessen. Durch die digitale Modellierung des Prozesses kann ein hoch optimiertes Verbundbauteil hergestellt werden. Numerische Methoden von der Konstruktion bis zur Verarbeitung ermöglichen eine Gewichtsreduzierung von über 40% im Vergleich zur klassischen Metallkonstruktion.

Ziele

Ein Nachteil von Bauteilen, die durch Fused Filament Fabrication (FFF) gefertigt werden, ist die Haftung zwischen den Filamenten und die resultierende mechanische Leistung quer zur Druckrichtung. Durch einen proprietären zweiten Prozessschritt, die Nachkonsolidierung (Additive Fusion TechnologyTM), kann eine hohe mechanische Leistung erreicht werden. Dieser zweite Prozessschritt ermöglicht es, ganz neue Anwendungen zu erschliessen, welche weit über die der Prototypenfertigung hinausgehen. Mit der von 9T Labs entwickelten Design- und Produktionssoftware Fibrify® und einer ganzheitlichen Prozesssimulation sowie der Additive Fusion Technology™ werden die gedruckten CFK Bauteile in Industriequalität gefertigt.

Grafik 1: Der Produktionsprozess von 9T Labs vom Design über den Druck zur Nachkonsolidierung.

Ergebnisse

Durch Bestimmung von thermischen und mechanischen Eigenschaften des Druckfilaments und von nachkonsolidierten Prüfkörpern, wurden Druckeinstellungen definiert und die Parameter für die Prozesssimulation erstellt.
Mit einem Arcan-modified Prüfaufbau und den dazugehörigen konsolidierten Butterflyprüfkörper wurden die Zwischenlagenhaftung und die Scherfestigkeit bestimmt. Dabei zeigt sich, dass die Festigkeiten stark abhängig von Konsolidierungsdruck und -temperatur jedoch weniger stark von der Konsolidierungszeit sind. Mittels Computertomographie (CT) Analyse von flächigen Prüfkörpern mit einem 0°/90° Lagenaufbau zeigt sich eine deutliche Reduktion von Lufteinschlüssen und eine Erhöhung des Konsolidierungsgrads bei höheren Konsolidierungstemperaturen und -drücke.