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METHODEN & TOOLS » Additive Manufacturing 3D-Druck mit Carbonfasern von Mark3D erhöht Haltbarkeit gedruckter Bauteile „Additiv gefertigte Bauteile haben einen enormen Mehrwert in der Festigkeit“ IM INTERVIEW Joachim Kasemann, Geschäftsführer Mark3D GmbH Obwohl es den 3D-Druck mit Carbonfasern schon seit langem gibt, hat er erst in den letzten Jahren an Bedeutung gewonnen. Ein Grund dafür ist, das sich durch Carbonfasern die Festigkeit und Haltbarkeit der Teile deutlich erhöhen lässt. Im Interview mit KEM Konstruktion erläutert Joachim Kasemann, Geschäftsführer der Mark3D GmbH, welche weiteren Vorteile das Material hat und wieso insbesondere Carbon-Endlosfasern spannende Möglichkeiten für den 3D-Druck eröffnen. »Johannes Gillar, stellvertretender Chefredakteur KEM Konstruktion KEM Konstruktion: Der 3D-Druck liegt im Trend. Wo steht die Industrie bezüglich dieser Technologie? Joachim Kasemann: Der 3D-Druck oder die additive Fertigung liegt in der Tat im Trend. Man kann es auch anders sagen: es ist eine ideale Ergänzung zu bestehenden Fertigungstechnologien. Es gibt zahlreiche additive Fertigungstechnologien. Wir fokussieren uns auf die FFF-Technologie. Mit dieser können Sie heute Bauteile additiv fertigen, die Sie bisher zerspanen mussten, aber nicht zerspanen wollten, weil es zu aufwendig, zu kostenintensiv, zu kompliziert, oder ähnliches war. KEM Konstruktion: Insbesondere die Materialien spielen eine wichtige Rolle beim 3D-Druck. Welche Werkstoffe kommen derzeit zum Einsatz? Kasemann: Als Basismaterial verwenden wir im Kunststoff-Bereich ein PA6 mit bereits integrierten Carbon-Kurzfasern. Das Material reicht aber von der Festigkeit noch nicht, um aluminiumähnliche Bauteile zu fertigen, bzw. Aluminium-Bauteile zu ersetzen. Das bekommen wir durch das Einlegen von, beispielsweise, Carbon Endlosfasern hin. Bei Metall verfügen wir derzeit über Edelstahl, 3 Werkzeugstähle, Inconel und Kupfer. Wenn Inconel und Kup- Joachim Kasemann, Geschäftsführer Mark 3D GmbH fer nicht mehr zerspant werden müssen, freut sich jedes Zerspaner-Herz. KEM Konstruktion: Mark 3D beschäftigt sich mit verschiedenen Materialien für den 3D-Druck, insbesondere auch mit Carbonfasern. Können Sie kurz erklären, welche Eigenschaften sie haben? Bild: Mark 3D »Carbon- Endlosfasern eignen sich immer dort wo man Festigkeit braucht. Gewöhnlich erreicht man die notwendige Festigkeit nur durch mechanische Fertigung.« Kasemann: Wir arbeiten einmal mit Carbon-Kurzfasern in unseren Basismaterialien Onyx, Onyx FR (brandklassifiziert) und Onyx ESD. Kurzfasern sind hervorragend, wenn sie einem Bauteil eine höhere Festigkeit geben wollen. Aber richtig interessant wird es mit den Endlosfasern. Hier legen wir in die einzelnen Schichten eine zusätzliche Endlosfaser aus Carbon, Kevlar oder Glasfaser ein. Und dabei handelt es sich wirklich um eine Endlosfaser. Das heißt, dass die Faser in der Schicht einen Anfangs- und einen Endpunkt hat. Dadurch erreichen wir bei Bauteilen eine Festigkeit, die durchaus höher ist als Aluminium. KEM Konstruktion: Der 3D-Druck mit Carbonfasern wird immer beliebter. Welche Gründe gibt es dafür? Kasemann: Ganz einfach: Durch die hohen Festigkeiten kann ich viele mechanisch gefertigte Bauteile ersetzen und somit mannlos, wenn nötig auch über Nacht, fertigen. Ich kann Carbon quasi wie ein Klötzchen Aluminium nutzen. Stichwort Supply Chain: Dank der hochfesten Bauteile können nun Lieferketten-Engpässe überbrückt werden. Teilweise werden die Bauteile auch in Zukunft nicht mehr zugekauft, sondern inhouse additiv gefertigt. Dank einem digitalem Lager gibt es keine Vorlaufzeiten oder Lagerhaltungskosten mehr, um 50 KEM Konstruktion » 07/08 | 2021
Die Carbonfaser weist eine hohe Steifigkeit und Zugfestigkeit bei einer weitaus geringeren relativen Dichte als Stahl und Aluminium auf. Bild: Mark3D Das ursprüngliche Hebewerkzeug (li.), das für die Fertigung von Großmotoren eingesetzt wird, wurde aus massivem Stahl gefertigt und wog 75% mehr als das gedruckte 3D-Ersatzteil (re.). Bild: Mark3D nur einige der Mehrwerte für den Anwender zu nennen. KEM Konstruktion: Worauf kommt es beim 3D-Druck mit Carbon an? Kasemann: Je besser ich für die additive Fertigungstechnologie mit Carbon konstruiere, desto besser wird mein Ergebnis sein. Es kann durchaus sein, dass ich nicht aus 3 Bauteilen eins mache, sondern aus einem Bauteil 3. Warum? Weil ich die Endlosfaser immer nur in eine Richtung legen kann. Wenn ich aber einen unterschiedlichen Kräfteverlauf habe, ist es sinnvoller Bauteile getrennt zu fertigen. KEM Konstruktion: Welche Vorteile haben Carbonfasern gegenüber anderen Materialien; und gibt es auch Nachteile? Kasemann: Die Carbonfaser weist eine hohe Steifigkeit und Zugfestigkeit bei einer weitaus geringeren relativen Dichte als Stahl und Aluminium auf. Aufgrund des sehr guten Verhältnisses von Festigkeit zu Gewicht wird die Carbonfaser häufig in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Automobilindustrie eingesetzt. KEM Konstruktion: Sie sind Partner des 3D-Drucker-Herstellers Markforged. Benötigt der 3D-Druck mit Carbonfasern bestimmte Geräte oder lassen sich diese auf jedem 3D-Drucker verarbeiten? Kasemann: Richtig und das ausschließlich, denn Markforged ist kein „normaler“ 3D-Druckerhersteller, sondern bietet eine Fertigungslösung, die wir die digitale Schmiede nennen. Mit der digitalen Schmiede fertigen Sie robuste Bauteile einfach und unkompliziert, weil Material, Maschinen und Software im eigenen Haus entwickelt und gefertigt werden. Daher lassen sich alle Materialien sowie die Endlosfasern nur auf Markforged-Maschinen nutzen. Bei Markforged benötigen sie keine langen Testphasen. Das System funktioniert Plug & Play auf industriellem Niveau. Sie müssen keine Parameter einstellen oder ähnliches. Einige Kunden drucken bereits am ersten Tag fertig einsetzbare Bauteile und Betriebsmittel für ihre Fertigungslinie. KEM Konstruktion: Wann sollte man mit Carbon-Endlosfasern drucken beziehungsweise für welche Anwendungen eignen sie sich? Kasemann: Immer dort wo sie Festigkeit brauchen. Gewöhnlich erreichen Sie die notwendige Festigkeit nur durch mechanische Fertigung. Wenn Sie Einzelteile oder Kleinserien mechanisch fertigen müssen, ist das aufwendig. Wenn Sie stattdessen die Bauteile additiv fertigen können, haben Sie einen enormen Mehrwert in der Festigkeit aber auch in der Leichtbauweise. KEM Konstruktion: Gibt es bereits konkrete Anwendungsbeispiele von 3D-Druckteile mit Carbonfasern? Kasemann: Selbstverständlich: Betriebsmittel. Produktionshilfsmittel, Greifer, Roboterarme, Einzelteile im Sondermaschinenbau. Ersatzteile, Spannvorrichtungen, weiche Spannbacken. Die Liste lässt sich (fast) endlos erweitern. www.mark3d.com INFO Details zu den 3D- Druckmaterialien von Mark 3D: hier.pro/flr1Z KEM Konstruktion » 07/08 | 2021 51
