Forscher der University of Toronto testen Kurzfaserverbundwerkstoffe im SLA-3D-Druck

Zum 3D-Druck gibt es immer noch Fragen zu den mechanischen Eigenschaften, da wir nach den kostengünstigsten, stabilsten und beständigsten Materialien und Teilen suchen. Nun untersuchen Forscher der Universität von Toronto Optionen für Kurzfaserverbundwerkstoffe im SLA-3D-Druck. Ihre Ergebnisse wurden kürzlich in „Mechanical Analysis of Short Fiber Composites Manufactured by Inverted Stereolithography“ veröffentlicht, die von der Studentin Ignace (Joe) Brazda von Chemical Engineering & Applied Chemistry verfasst wurde.

Brazda erkennt, dass viele 3D-gedruckte Teile aufgrund mangelnder Festigkeit der mechanischen Eigenschaften nicht für tragende Anwendungen geeignet sind. Um dieses Problem zu verbessern, kombinierte er Glasfasern mit einem Acrylharz für den SLA-Druck. Brazda fand Erfolg bei der Erhöhung des Elastizitätsmoduls, stellt jedoch andere Herausforderungen. Er entschied sich für den SLA-3D-Druck, weil die Herstellung starker Prototypen trotz anderer Probleme wie der zum Befüllen des Tanks erforderlichen Harzmenge (wobei das Bauvolumen der Tankgröße entspricht) so viele Vorteile bietet, was mühsam sein kann. Unbequem ist auch die Notwendigkeit, umliegendes Harz zu entleeren, um teilweise gehärtetes Material zu entfernen.

„Um eine größere Anzahl von Verbrauchern anzusprechen, ist eine SLA-Maschine mit geringem Platzbedarf und Grundspannungsanforderungen vorzuziehen“, so Brazda.

Bei invertiertem SLA härtet das System von unten aus. Die Teile werden auf der Bauplattform umgedreht, und da kein viskoses Harz vorhanden ist, müssen Stützstrukturen gedruckt werden, damit sich die Probe nicht verschiebt. Der Formlabs Form 2 ist ein gutes Beispiel für einen ISLA 3D-Drucker, der einen reibungslosen Arbeitsablauf ermöglicht.

Formlabs hat eine große Materialpipeline entwickelt, bei der jedes Harz verschiedene Farben, mechanische Eigenschaften und Anwendungen hat. Während Rigid Resins Glaspartikel enthält, behauptet der Autor, dass es die Isotropie beibehält und gleichzeitig die erforderlichen mechanischen Eigenschaften einschränkt.

Bei der Untersuchung, ob Verbundwerkstoffe für den SLA-Druck geeignet sein könnten, konzentrierte sich die Forschung auf ihre intrinsischen mechanischen Eigenschaften. Derzeit werden diese Arten von Materialien zur Herstellung von Teilen in der Luftfahrt, im medizinischen Bereich, im Sportbereich und in anderen Bereichen verwendet.

„Die Eigenschaften eines Verbundwerkstoffs können an die Anwendungen angepasst werden“, erklärt Brazda. „Fiberglas ist beispielsweise ein Harz, das mit Glasfasern kombiniert wird. Fiberglas zeigt Eigenschaften sowohl der Fasern als auch des Matrixharzes. Durch Variation der Mengen der Bestandteile können die mechanischen Eigenschaften der Glasfaser für eine bestimmte Anwendung angepasst werden. Die Orientierung und Länge der Fasern beeinflussen auch das mechanische Verhalten.“

Brazda wählte kurze Glasfasern für die Harzverstärkung mit dem Form 2 aufgrund ihrer hohen Festigkeit und ihres hohen Moduls sowie ihrer hervorragenden Haftfähigkeit. Sie sind in verschiedenen Größen erhältlich und können vom Anwender je nach Adhäsionsanforderungen beschichtet werden.

„Am wichtigsten ist, dass die Glasfasern die Intensität des UV-Lasers nicht beeinträchtigen“, so der Autor. “Der Laser kann die Fasern noch durchdringen, wodurch das umgebende Harz aushärten kann.”

Brazda hat sich zum Ziel gesetzt, 3D-gedruckte Muster mit „überlegenen mechanischen Eigenschaften“ herzustellen. Er hält diese Art der Forschung für neuartig, ohne dass zuvor Versuche unternommen wurden, kurze Glasfasern für solche Mittel zu verwenden. Die Proben wurden dann hinsichtlich ihrer Leistung im ISLA-Workflow analysiert. Der Fluss der Fasern und der Druckgeometrien war ein Schwerpunkt.

Während die Fasern erfolgreich in den Kunststofftank eingemischt werden können, stellte Brazda fest, dass Flussgradienten im Allgemeinen eine „nicht ideale“ Ausrichtung der Fasern boten. Dies bedeutet, dass die Anwendungen für solche 3D-Drucke eingeschränkt sein könnten:

„Das Harz beschleunigt in Richtung der nächstgelegenen Grenze des Drucks, wodurch sich die Fasern in Flussrichtung ausrichten. Dies wird im Allgemeinen über die Breite eines Elements mit hohem Aspektverhältnis sein und verursacht eine Querfaserorientierung, die den Elastizitätsmodul der Probe entlang der Hauptachse des Elements nicht wesentlich erhöht”, schloss Brazda.

„Die zukünftige Arbeit mit der ISLA sollte die strömungsinduzierte Orientierung und die Erarbeitung neuer Ideen zur Veränderung der Harzbewegung weiter erforschen. Um in Längsrichtung ausgerichtete Fasern zu erhalten, ist eine Kanalströmung erwünscht. Es ist wahrscheinlich, dass die Verwendung eines ISLA-Druckers mit mehr Open-Source-Funktionen vorzuziehen ist.“