Forscher haben die Wirkung von Düsen-Durchmesser und dem Volumenanteil kontinuierlicher Kohlenstofffasern (CCF) auf die Zugfestigkeit von FDM-gedruckten CCF/PLA-Verbundwerkstoffen untersucht. Dabei wurden zwei Düsen (1,0 mm und 0,8 mm) sowie vier CCF-Anteile (0 %, 20 %, 30 %, 50 %) kombiniert, um sechs Probenreihen für einseitige Zugversuche und Feldemissions‑Rasterelektronenmikroskopie (FE‑SEM) zu erzeugen.
Methodik
Die Proben wurden mit einem FDM‑Drucker gefertigt, wobei die jeweiligen Düsen‑Durchmesser und CCF‑Mischungen exakt eingehalten wurden. Anschließend erfolgten uniaxiale Zugtests gemäß gängigen Normen, während die Bruchflächen mittels FE‑SEM analysiert wurden, um Faserdarstellung und Matrix‑Bindung zu beurteilen.
Ergebnisse bei 1,0 mm‑Düse
Bei Verwendung der 1,0 mm‑Düse erreichten Proben mit 50 % CCF eine Zugfestigkeit von 36,4 MPa, bei 30 % CCF 34,8 MPa und bei 20 % CCF 19,8 MPa. Die Ergebnisse zeigen, dass die Zugfestigkeit nahezu linear mit steigendem CCF‑Anteil zunimmt, während die reine PLA‑Probe ein deutlich geringeres, plastisch verformbares Verhalten zeigte.
Ergebnisse bei 0,8 mm‑Düse
Für die 0,8 mm‑Düse lag die Zugfestigkeit der 50 %‑CCF‑Probe bei 16,9 MPa, was deutlich unter den Werten der größeren Düse liegt. Der Vergleich verdeutlicht, dass ein größerer Düsendurchmesser die mechanische Leistung signifikant verbessert.
Mikroskopische Analyse
Die FE‑SEM‑Untersuchungen zeigten, dass die 1,0 mm‑Düse eine gleichmäßige Faserverteilung und eine starke Faser‑Matrix‑Grenzfläche erzeugt. Bei der kleineren Düse traten vermehrt Faser‑Agglomerationen und schwächere Bindungen auf, was die geringere Festigkeit erklärt.
Optimierung und Kosten
Unter Berücksichtigung von mechanischer Leistung und Produktionskosten wurde ein CCF‑Volumenanteil von 30 % als optimal erachtet. Dieser Anteil liefert fast die maximale Festigkeit bei gleichzeitig moderaten Material- und Prozesskosten.
Anwendungspotential
Die leichten, hochfesten und umweltfreundlichen Verbundwerkstoffe eignen sich für Leichtbauteile in der Luft‑ und Raumfahrt, für Automobilkomponenten, für tragende Strukturen im Bauwesen, für kundenspezifische Werkzeuge sowie für medizinische Geräte.
Dieser Bericht basiert auf Informationen von PLOS ONE, lizenziert unter Creative Commons BY 4.0 (Open Access). Wissenschaftliche Inhalte, offen zugänglich.
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