US-amerikanische Forscher der University of Delaware (UDEL) haben für ihre 3D-Drucktechnik namens „LITA“ an Verbundwerkstoffen gearbeitet, die für starke 3D-gedruckte Objekte mit geringem Gewicht sorgen. Dabei werden Kohlenstofffasern mit duroplastischen Polymeren kombiniert. Die 3D-Drucktechnik und das Material eignen sich zum Beispiel für 3D-gedruckte Teile in Flugzeugen.

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Forscher der University of Delaware im US-Bundesstaat Delaware haben duroplastische Polymere mit Kohlenstofffasern kombiniert und damit einen Verbundstoff für ihre neue 3D-Drucktechnik vorgestellt. Bei dieser Technik handelt es sich um lokalisierten thermisch unterstützten 3D-Druck in der Ebene (LITA), wie das Magazin „AZO Materials“ berichtet.

Details zum Verbundstoff für LITA

Die Räume in den Kohlenstofffasern können mit einem flüssigen Polymer gefüllt werden. Das Polymer dringt in die Materialstruktur ein und kann poröse Fasern füllen. Das flüssige Polymer wird gehärtet und die Fasern erhitzt. Am Ende entsteht Material, das für den 3D-Druck geeignet ist.

„Durch Erhitzen wird auch die Viskosität des Polymers verringert, wodurch seine physikalischen Eigenschaften geändert werden und das Polymer leicht fließen kann. Durch Erhitzen kann das Polymer die Fasern auch vollständig benetzen, ohne dass Hohlräume entstehen“, erklärt die Autorin Lakshmi Supriya, PhD., in ihrem Artikel „Kosteneffiziente LITA 3D-Drucktechnologie für Polymer-Verbundwerkstoffe“.

3D-Drucktechnik LITA
LITA steht für localized in-plane thermal assisted (LITA) 3D-printing (Bild © University of Delaware).

Normalerweise wird bei Kohlenstofffasern auf Thermoplaste zurückgegriffen, die bei höheren Temperaturen leicht schmelzen. Die mechanischen Eigenschaften sind dabei jedoch weniger optimal, wenn zum Beispiel die Verstärkungsfasern nicht durchgehend sind. Mit dem Polymer sieht es anders aus. Die Festigkeit der Kohlenstofffasern verbessert das Polymer. Supriya und ihr Team erwarten mit ihrem Verbundstoff viel bessere Ergebnisse. Das Ziel ist der 3D-Druck eines starken und leichten Objekts. Die ETH Zürich hat vor zwei Jahren starke und leichte Strukturen aus Flüssigkristallpolymeren vorgestellt.

Details zur LITA 3D-Drucktechnik

Bei dem LITA 3D-Druck erfolgt die Aushärtung früher im Prozess, was Energie und bis zu mehreren Stunden an Zeit einspart. Forscher erhalten damit zuverlässigere und wiederholbarere Ergebnisse bei der Herstellung komplexer Formen.

Das System besteht aus einem Druckkopf, der Kohlenstofffasern enthält, eine Joule-Heizung und Harz. Ein Roboterarm bewegt den Druckkopf, der mit dem Substrat ausgestattet ist. In der Studie haben die Forscher viele Proben in 3D gedruckt, ein 2D-Substrat, einen 3D-Stern und Konformdruck auf einem zylindrischen Stab. Kohlenstofffasern in Industriequalität und flüssiges Epoxid lieferten die beste Zugfestigkeit. Die entwickelte Technik und das Verbundmaterial könnten im Bau von Brücken oder bei Herstellung von 3D-gedruckten Teilen für Flugzeuge eingesetzt werden.

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