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Forscher des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) in den USA haben erstmals erfolgreich Kohlenstofffaser-Verbundmaterialien gedruckt, die für Raum- und Luftfahrt tauglich sind.
Die Studie die in Scientific Reports veröffentlicht wurde, stellt einen bedeutenden Fortschritt in der Entwicklung von Micro-Extrusion 3D-Druckverfahren für Kohlenstofffaser dar. Laut Jim Lewicki, LLNL Forscher und Autor der Studie, war es bislang schwierig komplexere Formen aus dem Faserverbundstoff herzustellen; die 3D-Drucktechnologie jedoch ändert dies.
Kohlenstofffaser ist ein sehr leichtes jedoch starkes und steifes Material mit hoher Temperaturbeständigkeit. Daher ist es vor allem in der Luft- und Raumfahrt, der Verteidigungsindustrie, Automobilindustrie und im Sport sehr gefragt.
“The mantra is ‘if you could make everything out of carbon fiber, you would’ – it’s potentially the ultimate material,” sagt Lewicki.
Verbundstoffe mit Kohlenfaser werden üblicherweise entweder durch das Wickeln von Fäden um einen Kern oder das Weben von Fasern hergestellt. Somit ist man bei den Endprodukten auf flache und zylindrische Formen beschränkt. Außerdem tendieren Hersteller dazu mögliche Bedenken hinsichtlich der Leistung mit mehr Material zu kompensieren. Dadurch werden Komponenten schwerer und teurer als notwendig.
Bei dem von den LLNL Wissenschaftlern verwendeten Verfahren handelt es sich um einen angepassten Direct Ink Writing (DIW) 3D-Druck-Prozess. Zusätzlich wurde ein neue Möglichkeit entwickelt um das Material in Sekunden anstatt Stunden auszuhärten. Bedeutend ist aber vor allem die Simulation des Durchflusses der Fasern anhand von Computermodellen. Diese erlaubte es, das Verstopfen der feinen Düse zu umgehen, in dem man die optimale Ausrichtung und Länge der Fasern ermittelte, wie folgendes Video zeigt:
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Der DIW-Prozess ermöglicht außerdem den 3D-Druck von Teilen mit Kohlenstofffasern, die innerhalb der Mikrostruktur die selbe Ausrichtung haben. Dadurch können – im Gegensatz zu zufälliger Ausrichtung – um zwei Drittel weniger Fasern verwendet werden, um die selbe Leistung im fertigen Bauteil zu erzielen.
Die Forschung dazu ist aber keineswegs abgeschlossen, sondern noch weiter im Gange. Um eine noch bessere Ausrichtung der Fasern zu erzielen wollen die Wissenschaftler Magneten für die Stabilisation einsetzen. Jedoch zeichnet sich jetzt schon ein neue Designfreiheit für die Erstellung von Komponenten aus Kohlenstofffaser-Verbundmaterialien ab. Zukünftig könnte man mit dem Verfahren hochleistungsfähige Tragflächen für Flugzeuge, Satellitenbauteile oder sogar Wearables herstellen, die Wärme vom Körper beziehen, jedoch keine abgeben.
