Verbundwerkstoff

Verbundwerkstoffe werden gegenüber herkömmlichen Materialien aufgrund ihrer starken, leichten und erschwinglicheren Eigenschaften bevorzugt. Ein Verbundmaterial ist ein Material, das aus zwei oder mehr Bestandteilen besteht, die sehr unterschiedliche physikalische und chemische Eigenschaften aufweisen. In Kombination liefern sie Eigenschaften, die sich von den einzelnen Komponenten unterscheiden.

Die beiden Materialien können in zwei Kategorien unterteilt werden: Matrix (Binder) und Verstärkung. Ein Verbundmaterial erfordert sowohl eine Matrix als auch eine Verstärkung. Die Matrix dient dazu, das Verstärkungsmaterial durch Umrandung zu stützen, damit es seine relative Position beibehalten kann. Die Verstärkung hängt von den speziellen mechanischen und physikalischen Eigenschaften ab, um die Matrixeigenschaften zu verstärken. Dadurch entsteht eine verbesserte Synergie, die anderenfalls in den einzelnen Materialkomponenten nicht vorhanden wäre. Darüber hinaus können Produktdesigner die Verbundstoffkombination optimieren.

Trotz der allgemein hohen Kosten sind faserverstärkte Verbundwerkstoffe aufgrund ihrer leichten und dennoch robusten Eigenschaften in Hochleistungsprodukten heute weit verbreitet. Sie halten den schwierigen Belastungsbedingungen von Komponenten der Luft- und Raumfahrtindustrie, Boots- und Schiffsrümpfen, Fahrradrahmen und Rennwagenkarosserien stand. Sie werden auch für Angelruten, Lagertanks, Schwimmbadplatten und Baseballschläger verwendet. Der Aufbau der neuen Boeing 787, der Flügel und Rumpf umfasst, besteht zu großen Teilen aus Verbundwerkstoffen. Ebenso gewinnen sie in der Welt der orthopädischen Chirurgie immer mehr an Beliebtheit.

Der am häufigsten verwendete künstliche Verbundstoff ist Beton. Er besteht in der Regel aus losen Steinen (gruppiert) und ist mit einer Zementmatrix verbunden.

Furniersperrholz

Der Begriff „Furniersperrholz“ bezeichnet dünne Schichten von Holzfurnier, die zusammengeklebt werden. Furnierblätter werden mit um bis zu 90 Grad gedrehten Holzfasern kreuzweise verleimt, um die Verstärkungseigenschaften zu erreichen. Furniersperrholz wird in der Familie der Holzwerkstoffe als Furnierwerkstoff eingestuft und beschreibt u. a. mitteldichte Faserplatten (MDF) und Spanplatten. Die beiden Verbundbestandteile von Sperrholz sind Harz und Holzfaserplatten, die aus langen, festen und dünnen Zellulosezellen bestehen.

Die Querverleimung, wobei die Fasern abwechselnd in verschiedene Richtungen zusammenfügt werden, verringert die Tendenz des Holzes, beim Nageln an den Kanten zu zerbrechen, und reduziert Ausdehnung und Schrumpfung, um die Formstabilität zu verbessern. Darüber hinaus sorgt dies für eine gleichmäßigere Festigkeit in allen Richtungen einer Platte. Um Verziehen zu reduzieren, ist in der Regel eine ungerade Anzahl von Schichten vorhanden, um das Gleichgewicht zu verbessern. Das Querverleimen einer ungeraden Anzahl von Verbundwerkstoffen erhöht auch die Stärke des Holzes, sodass die Biegung senkrecht zur Maserungsrichtung der Oberflächenplatte schwierig wird.

Glasfaser

Glasfaser ist eine gängige Art von faserverstärktem Kunststoff (FVK), der mit Glasfaser verstärkt wird. Die Glasfasern werden in das Material eingebettet, indem sie entweder sporadisch angeordnet, zu einem flachen Blatt zusammengedrückt oder in ein Gewebe eingewebt werden. Die Kunststoffmatrix ist entweder eine duroplastische Polymermatrix (Epoxid, Polyesterharz oder Vinylester) oder ein Thermoplast. Glasfaser ist eine kostengünstigere und flexiblere Alternative zu Kohlefaser; ebenso ist es stärker als viele Metalle und kann in komplexe Formen umgesetzt werden.

Glasfaser wird in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, wie z. B. in Flugzeugen, Autos, Badewannen und Duschwänden, Booten, Gussformen, Verkleidungen, Außentüren, Whirlpools, Rohren, Dacheindeckungen, Klärtanks, Surfbrettern, Schwimmbädern und Wassertanks. Glasfaser wird manchmal auch als glasverstärkter Kunststoff (GFRP) oder glasfaserverstärkter Kunststoff (GFK) bezeichnet. Es ist wichtig, zwischen Glasfaser und faserverstärktem Kunststoff zu unterscheiden da manchmal die Glasfasern selbst als „Fiberglas“ bezeichnet werden können.
 

Kohlefaser

Kohlefaser ist ein extrem starker und lichtfaserverstärkter Kunststoff, der aus Kohlenstofffasern besteht. Obwohl es vergleichsweise teuer ist, wird es in der Regel in Branchen eingesetzt, die ein hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht und Steifigkeit benötigen, wie z. B. in der Luft- und Raumfahrt-, Automobil-, Bau- und Sportartikelbranche. Die Anwendung dieses Materials wird zunehmend in verschiedenen Verbraucheranwendungen und technischen Anwendungen weiterentwickelt. Der Binder bei Kohlefaser ist in der Regel ein Duroplast-Harz wie Epoxid, es können aber auch thermoplastische Polymere wie Polyester, Vinylester oder Nylon sein.

Der Verbundwerkstoff kann auch andere Fasern wie Aramid (Kevlar, Twaron), Aluminium, Polyethylen mit ultrahohem Molekulargewicht (UHMWPE) oder Glasfasern sowie Kohlefasern enthalten. Kohlefaser wird manchmal auch grafitverstärktes Polymer oder grafitfaserverstärktes Polymer genannt. Weitere gängige Namen sind kohlefaserverstärktes Plastik oder kohlefaserverstärkter Thermoplast (CFK, CRP, CFRTP) oder auch Kohlenstofffaser, Kohlefaserverbundstoff oder einfach Kohlenstoff.
 

Einige Hersteller von 3D-Druckern entwickeln eigene Verbundmaterialien mit einem speziellen Branding.

Alumide-Material ist eine Mischung aus Polyamid und einer sehr geringen Menge an grauem Aluminiumpulver. Laser-Sintern ist die Technik, die zur Erstellung komplexer, konzeptioneller, funktioneller oder serienmäßiger Modelle verwendet wird, die stark und relativ starr sind. Modelle aus Alumide können auch kleine Stöße absorbieren und unter Biegebedingungen einem gewissen Druck standhalten. Es ist das ideale Material für unerfahrene Designer, die Wert auf Erschwinglichkeit, maximale Designfreiheit und bessere Druckmöglichkeiten legen. Darüber hinaus bietet es eine größere Steifigkeit als Polyamid selbst und eine Aluminiumoptik. Die Oberfläche ist leicht porös mit einem sandigen, körnigen Aussehen und kann als Endbearbeitung in ihrem natürlichen, grau-matten Zustand belassen oder mit einer Reihe von Farben gefärbt werden.

Faserverstärktes Nylon ermöglicht die Herstellung von technischen Teilen mittels 3D Printing, die so stark wie Aluminium sind und so viel kosten wie Kunststoff. Es wurde speziell mit der Festigkeit von Aluminium entwickelt und hat ein höheres Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht als 6061-T6 Aluminium. Gleichzeitig ist es bis zu 27-mal steifer und 24-mal stärker als ABS. Faserverstärktes Nylon ermöglicht Benutzern, insbesondere ihre gedruckten kundenspezifischen Endproduktionssteile, aber auch funktionale Prototypen und Tests, Strukturteile, Vorrichtungen, Befestigungen und Werkzeuge zu optimieren, und dabei auf Festigkeit, Steifigkeit, Gewicht und Temperaturbeständigkeit zu achten. Es eignet sich nicht für kleine Teile mit aufwändigen Designs.

Vollfarbiger Sandstein produziert fotorealistische Vollfarbmodelle und Skulpturen. Er eignet sich besonders gut für architektonische Modelle, lebensechte Skulpturen, Geschenke und Erinnerungsstücke sowie Kunstgegenstände. Im Wesentlichen besteht er aus Gips und sorgt für eine farbige Textur auf der Oberfläche. Aufgrund der Sprödigkeit des Materials ist eine Anwendung für funktionale oder aufwändig konstruierte Teile eingeschränkt. Dieses Sandsteinmaterial wird manchmal als mehrfarbig bezeichnet.