Additive Fertigung von endlosfaserverstärkten Verbundwerkstoffen: Von der Faser-Matrix-Auswahl über die Druckkopfentwicklung bis zum Faserverbund

Die Integration eines endlosfaserverstärkten Faserverbundwerkstoffes in die Additive Fertigung ermöglicht es, Werkstoffe mit hohen mechanischen Eigenschaften, insbesondere die Festigkeit, automatisiert zu verarbeiten. Im aktuellen Stand der Technik wurde die Infiltration in Verfahren mit getrennter Zuführung von Faser und Matrix zu Beginn nicht aktiv unterstützt. Was dann in Kombination mit Thermoplasten mit niedriger Fließfähigkeit zu einer schlechten bis nicht vorhandenen Infiltration der Matrix im Faserroving führt. Die Verbesserung der Druckkopftechnologie in dieser Arbeit und die Untersuchung eines Infiltrationseffektes, führt zu einer deutlich besseren Infiltration. Die Werkstoffauswahl der thermoplastischen Matrix (PA6) und der Faserverstärkung (Kohlenstofffasern) ist auf die neuen Prozessparameter abgestimmt. Die Auswahl der Faser-Matrix-Kombinationen wird mittels berechneter Grenzflächenspannung bei Raumtemperatur vorgenommen. Die polaren und dispersen Oberflächenenergien von zwei Kohlenstofffasern werden gemessen, sowie die Benetzung von PA6 Polymeren auf Kohlenstofffasern und Aluminiumträgern. Die Berechnungen mit den Daten der verwendeten Fasern und Matrix ergeben die Prozessfenster für die Lagenhöhe, Lagenbreite und Düsengröße. Außerdem können die mechanischen Eigenschaften des Verbundes und die Kosten in Abhängigkeit der verwendeten Materialien und dem Faservolumengehalt berechnet werden. Der Einfluss der hohen Verarbeitungstemperaturen auf die Faserschlichte und deren Zusammensetzung werden mit TGA, FTIR Spektroskopie und XPS Analyse bestimmt. Die verwendeten PA 6 Typen werden insbesondere auf die Verarbeitung und die Fließfähigkeit untersucht und eine Mischung aus 75% Ultramid B3k und 25% B50l wird für den 3D Druck des Verbundes verwendet. Die Untersuchung des Extrusionsprozesses erlaubt die Herstellung von Filamenten mit hoher Fließfähigkeit (niedrigere Null Viskosität), die die Infiltration verbessert. Die selbst aufgebauten und untersuchten Druckköpfe ermöglichen es, Proben mit 3 unterschiedlichen Kohlenstofffasern für die mechanische und optische Untersuchung herzustellen. Es werden die 3 Punktbiegeeigenschaften in Abhängigkeit der Lagenhöhe und der Verarbeitungstemperatur sowie die Zugversuchseigenschaften für Einzelstränge mit verschiedenen Verarbeitungstemperaturen und im Mehrschichtverbund untersucht. Der Faservolumengehalt und die Porosität werden mit Schliffbildern analysiert. Es kann gezeigt werden, dass die untersuchten Materialkombinationen, Auswahl der Prozessparameter und der untersuchte Effekt zur Infiltration des Faserrovings im Druckkopf zu einer hohen Festigkeit und niedriger Porosität führt.