US-amerikanische Forscher der Colorado State University haben eine 3D-Druck-Methode entwickelt, die es möglich machen soll, duroplastisches Harz mit dem Härtungsprozess namens Frontalpolymerisation beim Extrudieren auszuhärten. So sollen Freiformgeometrien für zum Beispiel kohlefaserverstärkte Verbundteile ohne Stützstrukturen mit 3D-Druck hergestellt werden können.

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Forscher der Colorado State University haben eine Methode entwickelt, wie sie mit 3D-Druck hergestellte, kohlefaserverstärkte Verbundteile ohne Stützstrukturen herstellen können. Mit einem duroplastischen Harz und dem Härtungsprozess namens Frontalpolymerisation ist es ihnen gelungen, das Druckmaterial beim Extrudieren auszuhärten. Das extrudierte Material wird fast ohne externe UV- oder IR-Strahlung steif und kann seine ursprüngliche Freiformgeometrie frei von Stützen bewahren. Die 3D-gedruckten Strukturen weisen außerdem keinen Hohlraumgehalt auf. Die Kohlefaserverstärkungen sind stark auf eine sehr gute mechanische Leistung ausgerichtet. In einer Veröffentlichung mit dem Titel „3D Printing of Short-Carbon-Fiber-Reinforced Duroplast Polymer Composites via Frontal Polymerization“ fassen sie die Ergebnisse ihrer Arbeit zusammen.

3D-Druck von Verbundteilen

Die beliebteste Methode zum 3D-Druck von Verbundteilen ist die Fused Filament Fabrication (FFF), mit der sowohl lange Endlosfasermaterialien als auch kurze Schnittfasermaterialien verarbeitet werden können. Verbundfilamente sind zugänglich und einfach zu verwenden, doch die 3D-gedruckten Teile bieten häufig aufgrund niedriger Betriebstemperaturen eine schlechte mechanische Leistung zwischen den Schichten, große Hohlraumanteile und geringe Faservolumina, weshalb sie sich kaum für Hochleistungs-Strukturanwendungen eignen. Fasergefüllte duroplastische Verbundharze sollen das ändern.

Grafik zur exothermen Reaktion
Durch die exotherme Reaktion härtet das Material aus (im Bild: Grafik aus der Studie)(Bild © Colorado State University).

Die niedrigviskosen wärmeempfindlichen Materialien werden durch direktes Tintenschreiben (Direct Ink Writing) extrudiert und bieten überlegenere thermomechanische Eigenschaften gegenüber ihren Gegenstücken aus FFF-Filamenten. Bei duroplastischen Materialien gab es in der Vergangenheit aber Verarbeitungsprobleme mit Aushärtungsraten. Vor zwei Jahren haben Forscher für ihr LITA-3D-Druckverfahren neue Verbundwerkstoff aus duroplastischen Polymeren mit Kohlenstofffasern vorgestellt. 3D-gedruckte Teile aus duroplastischem Harz können mit UV- oder sichtbarem Licht ausgehärtet werden, aber photohärtbare Varianten haben keine ausreichend hohe Aushärtungsgeschwindigkeit, um die ursprüngliche gedruckte Geometrie beizubehalten, weshalb sie Stützen benötigen. Ein thermischer Härtungsmechanismus würde sehr hohe Umgebungstemperaturen erfordern, wie zum Beispiel das Innere eines Ofens. Keiner dieser Ansätze hat sich bisher beim 3D-Druck trägerloser Freiformgeometrien bewährt.

Ohne Stützstrukturen dank Frontpolymerisation

Das Forscherteam aus Colorado hat sein eigenes duroplastisches Harz auf DCPD-Basis (Dicyclopentadien) entwickelt, das mit kurzen Kohlenstofffasern gefüllt ist. Die Aushärtung des Harzes wird nach dem Druck durch das beheizte Druckbett initiiert, das als thermischer Stimulus fungiert. Die sich selbst erhaltende exotherme Reaktion setzt den Druckpfad in Gang, ähnlich der brennenden Lunte auf einer Dynamitstange. Das Kompositharz härtet in-situ aus, während es aufgetragen wird.

Material härtet beim Extrudieren aus
Die Methode der Forscher aus Colorado eignet sich sowohl für Freiformgeometrien als auch für Teile mit Stützstrukturen (Bild © Colorado State University).

Die genaue Abstimmung der Druckgeschwindigkeit mit jener Geschwindigkeit, mit der sich die exotherme Reaktion ausbreitet, ermöglicht den 3D-Druck vollständig stützenfreier Freiformstrukturen, die sofort aushärten. Die Zugabe von Kohlenstofffasern verbessert die mechanische Leistung und das rheologische Verhalten und die Wärmeleitfähigkeit des Verbundharzes stark. Die Frontpolymerisation könnte den Forschern zufolge auf viele Verstärkungsfasertypen und Zusatzpartikeln angewendet werden.

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