Graphen statt Kohlefaser: Doppelte Festigkeit bei Nylon-Verbundfilamenten
Mit einer Z-Achsen-Zugfestigkeit von 60 MPa setzt das neue Graphengewebe neue Maßstäbe: Es übertrifft die Lösung von 3DXTech um das 2,5-Fache und liegt deutlich über dem Industriestandard Stratasys Nylon 12CF.
Mit der Einführung des kohlefaserverstärkten PA1205-Filaments von Lyten, einem im Silicon Valley ansässigen Unternehmen für fortschrittliche Materialien und Batterietechnologien, das sich auf die Kommerzialisierung eines proprietären dreidimensionalen Kohlenstoffmaterials konzentriert, wird kohlefasergefülltes Nylon deutlich leistungsfähiger.
Letzte Woche stellte Lyten auf der Performance Racing Industry (PRI) Show ein 3D-Druck-Filament vor, das nach Angaben des Unternehmens die Hochleistungsfertigung im Motorsport, in der Luft- und Raumfahrt und in der Verteidigung neu gestalten könnte.
Das Besondere an Lyten PA1205 ist das firmeneigene „Supermaterial“ Lyten 3D Graphene. Im Gegensatz zu herkömmlichen technischen Filamenten, bei denen zerkleinerte Kohlenstofffasern zur Verstärkung verwendet werden, kommt bei PA1205 eine Kohlenstoffstruktur zum Einsatz, die auf einer viel kleineren Ebene, näher an den Polymermolekülen selbst, wirkt.
Laut Lyten ist das Ergebnis ein Material, das die Festigkeit und Schlagzähigkeit erheblich verbessert und gleichzeitig eine der langjährigen Schwächen der Gussfilamentherstellung behebt: die schlechte Haftung zwischen den Schichten.
Mehr als Nylon mit Kohlefaser
Die meisten der heute auf dem Markt befindlichen Hochleistungs-Nylonfilamente sind mit kurzen, geschnittenen Kohlenstofffasern verstärkt. Diese Fasern erhöhen zwar die Steifigkeit, verhalten sich aber wie kleine starre Stäbe, die in den Kunststoff eingebettet sind. Sie neigen dazu, Teile hauptsächlich in Faserrichtung zu verstärken, was in der Regel die Festigkeit in der Ebene verbessert, die gedruckten Komponenten aber entlang der Z-Achse anfällig macht. Der Kompromiss ist vielen Ingenieuren bekannt: steifere Teile, die aber auch zerbrechlicher sind und eher zwischen den Schichten versagen.
Der Ansatz von Lyten ist grundlegend anders. Anstatt Fasern hinzuzufügen, verwendete er Graphen, eine Form von Kohlenstoff, die aus einer einzigen Schicht von Atomen besteht, die in einer zweidimensionalen Wabenstruktur angeordnet sind. Es ist im Wesentlichen nur ein Atom dick und ist der Grundbestandteil anderer Kohlenstoffmaterialien wie Graphit und Kohlenstoff-Nanoröhren. Im Filament bildet das Material ein dreidimensionales Kohlenstoffnetzwerk im Nanometermaßstab, das im gesamten Nylon verteilt ist. Anstatt als isolierte Verstärkung zu wirken, wirkt diese vernetzte Kohlenstoffstruktur eher wie ein feines Netz, das durch das Polymer gewebt ist.
Die praktische Auswirkung ist laut den vom Unternehmen veröffentlichten technischen Daten eine gleichmäßigere Verstärkung in allen Druckrichtungen. Lyten berichtet, dass PA1205 im Vergleich zu typischen kohlenstofffasergefüllten PA12-Filamenten die Zugfestigkeit in der X- und Y-Achse erheblich steigert, in der Z-Achse – wo FDM-Teile traditionell schwächer sind – signifikant zunimmt und die Schlagfestigkeit deutlich erhöht.
Eine Analogie, die von Werkstoffingenieuren häufig verwendet wird, trifft hier zu: Nylon mit Kohlenstofffasern ist wie das Hinzufügen von Stöcken zu Beton, während das Kohlenstoffnetzwerk von Lyten einem durchgehenden Verstärkungsgitter ähnelt, das alles berührt. Indem das Material auf molekularer Ebene verstärkt wird, anstatt einzelne Fasern zu verwenden, ist es laut Lyten möglich, gleichzeitig die Festigkeit und die Zähigkeit zu erhöhen, ohne dass das eine zugunsten des anderen geopfert werden muss.
Entwickelt für extreme Umgebungen
Lyten positioniert PA1205 für Anwendungen, bei denen Gewicht, Hitzebeständigkeit und mechanische Zuverlässigkeit von größter Bedeutung sind. Die veröffentlichten Spezifikationen des Filaments weisen auf eine hohe Wärmeformbeständigkeit (ca. 162 °C im Vergleich zu z. B. Markforged Onyx mit 145 °C) und eine Dichte von ca. 1,08 g/cm³ (Markforged Onyx = 1,2 g/cm³) hin, was es eindeutig in die Kategorie der leichten technischen Hochtemperaturkunststoffe einreiht.
Ebenso bemerkenswert ist, dass das Unternehmen behauptet, dass das Filament so konzipiert wurde, dass es auf industriellen Standard-FDM-Druckern ohne spezielle Hardware funktioniert – eine Behauptung, die, wenn sie sich in der Praxis bestätigt, die Hürde für Rennteams und Hersteller, die bereits additive Verfahren einsetzen, senken könnte. Der Preis für das neue Material liegt bei 150 US-Dollar pro 1 kg.
„Durch die Verwendung unserer 3D-Graphen-Supermaterialien verbessert unser PA1205 wirklich alle Festigkeitskennwerte, ohne die Herstellungsfähigkeit zu beeinträchtigen“, sagte Lyten-CEO Dan Cook in einer auf der Veranstaltung veröffentlichten Erklärung.
Vom Motorsport zur Luft- und Raumfahrt
Obwohl der Motorsport das sichtbarste Testfeld für das neue Filament ist, hat Lyten noch weitere Ziele. Das Unternehmen zielt auf den Luft- und Raumfahrt- sowie den Verteidigungsmarkt ab, wo die additive Fertigung zunehmend für leichte Strukturkomponenten, Werkzeuge und Kleinserien eingesetzt wird.
PA1205 wird bereits intern von Lyten Motorsports eingesetzt, der in Indianapolis ansässigen Tochtergesellschaft des Unternehmens, die 3D-gedruckte und Verbundwerkstoffteile für Rennsportanwendungen herstellt. Laut Lyten wird das Material in funktionalen Komponenten eingesetzt, wobei die Eignung für sicherheitskritische Systeme letztlich durch eine unabhängige Zertifizierung und Validierung bestimmt wird.
Mit der Markteinführung des Filaments baut Lyten die Reichweite seiner 3D-Graphen-Plattform weiter aus, die in Batterien, Sensoren, Verbundwerkstoffen und Klebstoffen eingesetzt wird. Branchenbeobachter stellen fest, dass die Strategie des Unternehmens eine zunehmende Konzentration auf Materialien – und nicht auf Maschinen – als nächsten wichtigen Hebel zur Verbesserung der Leistung der additiven Fertigung widerspiegelt.
Da Ingenieure und Hersteller den 3D-Druck für anspruchsvolle, reale Anwendungen einsetzen, werfen Materialien wie PA1205 eine zentrale Frage für die Branche auf: ob neue Formen der Kohlenstoffverstärkung endlich die mechanischen Kompromisse überwinden können, die gedruckte Teile lange Zeit eingeschränkt haben. Für Lyten ist PRI 2025 der deutlichste Versuch, eine Antwort auf diese Herausforderung zu finden.
- * ISO 179 (Charpy, gekerbt) und ASTM D256 (Izod, gekerbt) sind keine direkt vergleichbaren Messverfahren für die Schlagzähigkeit.
- **Biegeprüfungen nach ISO und ASTM sind hinsichtlich Trend und Größenordnung vergleichbar, jedoch nicht direkt austauschbar.
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