Hyper-Core-Technologie: Hochgeschwindigkeitsdruck mit verstärkten Filamenten

Die Hyper FFF®-Technologie von Raise3D ist ein umfassendes Hochgeschwindigkeits-3D-Drucksystem, das Hardware-, Software- und spezielle Materialverbesserungen kombiniert, um die Produktivität zu steigern, ohne die Qualität zu beeinträchtigen. In diesem Zusammenhang entstand die Filamentreihe Hyper Core, eine neue Generation verstärkter Verbundmaterialien (mit Kohlenstoff- oder Glasfasern), die speziell für den schnellen Druck mit Hyper FFF entwickelt wurden. Hyper Core-Filamente verfügen über eine optimierte Faserverteilung: Die Fasern sind in einem thermisch leitfähigen Innenkern konzentriert, der von einer reinen Polymeraußenschicht umgeben ist. Dieses Design beschleunigt das Schmelzen des Filaments und hält die Außenseite frei von herausragenden Fasern.

Bild 1: Querschnitt zeigt die Schichten des Hypercore-Filaments. Quelle: Raise3D

Vorteile gegenüber herkömmlichen verstärkten Filamenten

Der Hochgeschwindigkeitsdruck mit herkömmlichen Verbundfilamenten stellt erhebliche Herausforderungen dar. Bei Standardverstärkten Filamenten steigt die Schmelzviskosität deutlich, was die Extrusion erschwert und die praktische Druckgeschwindigkeit begrenzt. Außerdem tritt das Phänomen des „kalten Kerns“ auf, bei dem die äußere Filamentschicht vor dem Inneren schmilzt, einen nicht geschmolzenen Kern hinterlässt und eine schwache Schichtbindung verursacht. Dies verringert die Haftung zwischen den Schichten, reduziert die mechanische Festigkeit und beschleunigt den Düsenverschleiß aufgrund der exponierten abrasiven Fasern.

Die Hyper Core-Technologie mildert diese Probleme durch ihr innovatives Design: Durch die Konzentration der Fasern im Innenkern und die Beibehaltung des äußeren Polymerrands wird eine hohe interne Wärmeleitfähigkeit erreicht. Bei der Hochgeschwindigkeitsextrusion beschleunigt der faserreiche Kern das vollständige Schmelzen des Filaments und speichert Restwärme, wodurch eine gleichmäßigere Schichtverschweißung gefördert wird. Dadurch gewinnen die gedruckten Teile an Z-Richtungsfestigkeit und Oberflächenqualität. Gleichzeitig verringert das Fehlen abrasiver Fasern an der Oberfläche den Düsenverschleiß und die Oberfläche des Objekts bleibt glatt. Insgesamt ermöglicht Hyper Core schnelleres Drucken bei besseren mechanischen Eigenschaften als herkömmliche Verbundstoffe.

• Bessere Hochgeschwindigkeits-Extrusion: Die optimierte Faserverteilung und die äußere thermoplastische Matrix reduzieren die Schmelzviskosität und ermöglichen höhere Druckgeschwindigkeiten ohne Verstopfungen.
• Überlegene Schichthaftung: Die im Innenkern gespeicherte Wärme unterstützt die Aushärtung des Materials zwischen den Schichten und erhöht die Z-Achsen-Festigkeit.
• Höhere Z-Festigkeit und Steifigkeit: Der in der Mitte ausgerichtete Faseranteil verstärkt die vertikale Struktur des Teils. Hohe Elastizitätsmodule wurden gemessen (z. B. ~6,6 GPa in PPA GF25) und eine hohe Zugfestigkeit.
• Geringerer Düsenverschleiß: Die reine Außenschicht schützt den Druckkopf vor direktem Kontakt mit den Fasern, wodurch der Verschleiß reduziert wird.
• Verzugsfreie Teile: Die spezielle Konstruktion und Materialstabilität reduzieren Warping im Vergleich zu herkömmlichen verstärkten Filamenten.
• Verbesserte Oberflächenqualität: Die Oberfläche gedruckter Objekte ist glatt und bereit für Nachbearbeitung (Schleifen, Dampfbügeln) ohne hervorstehende Fasern.

Bild 2: Vergleichstabelle zwischen Hypercore- und herkömmlichen Materialien. Quelle: Raise3D

Verfügbare Hyper Core-Materialien

Die Hyper Core-Familie umfasst mehrere verstärkte Filamente für verschiedene industrielle Anwendungen. Alle sind auf filament2print erhältlich und für Hyper FFF® kompatibel. Die Hauptprodukte sind:

• Hyper Core PPA CF25: PPA-Filament (Hochleistungs-Polymer) verstärkt mit 25 % Kohlenstofffasern. Es bietet hohe Steifigkeit und mechanische Festigkeit, ideal für Teile, die großen Belastungen standhalten müssen. Die Kohlenstofffasern erhöhen die Zugfestigkeit und thermische Stabilität, sodass Arbeiten bei hohen Temperaturen ohne Materialabbau möglich sind. Optimal für anspruchsvolle Endanwendungen wie Maschinenbauteile und leichte Formen.
• Hyper Core PPA GF25: PPA-Filament verstärkt mit 25 % Glasfasern. Bietet ähnliche Steifigkeit und thermische Festigkeit wie CF25, aber mit höherer Stoßfestigkeit und geringerer Neigung zu Verzug (Warping). Der hohe Glasfaseranteil (6,6 GPa Elastizitätsmodul und ~189 °C thermische Beständigkeit) gewährleistet Dimensionsstabilität bei Vibrationen oder Stößen. Empfohlen für Strukturteile in Automobil-, Luft- und Raumfahrt- sowie Advanced-Manufacturing-Anwendungen.
• Hyper Core ABS CF15: ABS-Filament (Engineering-Terpoylmer) verstärkt mit 15 % Kohlenstofffasern. Kombiniert Zähigkeit und Verarbeitbarkeit von ABS mit zusätzlicher Steifigkeit der Fasern, was langlebige und leichte Teile erzeugt. Beibehaltung der Schlagfestigkeit, chemischen Stabilität und geringen Feuchtigkeitsaufnahme von ABS, während die spezielle Faserverteilung die Z-Richtung verstärkt und die Düsenlebensdauer verlängert. Geeignet für Serienproduktion und funktionale Prototypen mit ausgewogener mechanischer Leistung und kontrollierten Kosten.

Generell sind alle Hyper Core-Filamente für hochleistungsindustrielle Anwendungen konzipiert, bei denen starke Teile bei hohen Geschwindigkeiten ohne Qualitätsverlust gedruckt werden müssen.

Raise3D-Drucker, kompatibel mit Hyper Core

Für die Nutzung von Hyper Core-Filamenten ist Hardware erforderlich, die für hohe Geschwindigkeiten und Materialbeständigkeit ausgelegt ist. Die aktuell kompatiblen Raise3D-Modelle sind:

• Raise3D Pro3 HS Series – Hochgeschwindigkeits-Dual-Extrusionsdrucker (bis 300 mm/s) bereit für Hyper FFF.
• Raise3D Pro3 Series mit Hyper Speed Upgrade Kit – Standard Pro3-Modelle, aufgerüstet mit dem Kit für Ultra-Schnelldruck.
• Raise3D RMF500 – Industrieller Großformat-Drucker mit Doppel-Extruder, speziell für verstärkte Filamente ausgelegt (Hyper Core-Profilkompatibilität).

Diese Maschinen verfügen über verstärkte Extruder und fortschrittliche Temperaturregelung, um die hohen Temperaturen und Extrusionskräfte der Hyper Core-Materialien zu bewältigen.

Echte industrielle Anwendungen

Hyper Core-Filamente wurden in verschiedenen Industriezweigen eingesetzt, in denen Geschwindigkeit und Robustheit entscheidend sind. Zu den bemerkenswerten Anwendungen gehören:

Bild 3: Hypercore-Materialien werden bereits in der Automobilindustrie und anderen Branchen eingesetzt. Quelle: Raise3D

Automobil: Herstellung funktionaler, widerstandsfähiger und leichter Bauteile, z. B. Ansaugkrümmer, Riemenscheiben und aerodynamische Karosserieteile (Splitter, Diffusoren) aus verstärktem Kunststoff. Auch interne und externe Strukturteile (Sitzrahmen, Türmechanismen) und Komponenten von Kühlsystemen (Ventilatoren, Fluidbehälter) werden gedruckt, wobei die gute thermische Stabilität der Hyper Core-Materialien genutzt wird. Diese Teile verbessern das Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht und ermöglichen schnelle Designiterationen.

Luft- und Raumfahrt: Herstellung von Kabinen- und Rumpfteilen, die hohe thermische und mechanische Belastungen aushalten müssen. Z. B. Knöpfe, Gepäckfachverschlüsse, Sitzbefestigungen oder leichte Abdeckungen für Antennen/Sensoren. Auch HVAC-Komponenten (Kanäle, Gitter) und interne Halterungen, die Druck- und Temperaturschwankungen standhalten müssen, werden gedruckt. Die schnelle Fertigung mit Hyper Core erleichtert die Prototypeniteration und Kleinserienproduktion.

Advanced Manufacturing: Herstellung von Vorrichtungen, Lehren und Werkzeugen für industrielle Anwendungen sowie funktionale Prototypen. Dank hoher Festigkeit und Maßgenauigkeit ermöglichen Hyper Core-Filamente die Produktion maßgeschneiderter Werkzeuge (Führungen, Schablonen) und finaler Teile für Tests in Branchen wie Maschinenbau, Elektrik und robusten Geräten.

Diese realen Anwendungen zeigen die Fähigkeit der Hyper Core-Filamente, anspruchsvolle Anforderungen in Automobil-, Luft- und Raumfahrt-, Maschinenbau- und High-End-Elektroniksektoren zu erfüllen und dabei hohe Druckgeschwindigkeit ohne Leistungsverlust zu bieten.

Vergleich mit herkömmlichen Verbundfilamenten

Die folgende Tabelle fasst die wichtigsten Eigenschaften von Hyper Core-Filamenten im Vergleich zu traditionellen verstärkten Verbundfilamenten zusammen:

Dieser Vergleich zeigt, dass Hyper Core schneller druckt und Teile mit besserer Schichthaftung, höherer Steifigkeit und besserer Oberflächenqualität liefert, allerdings spezialisiertere Drucker erfordert.

Video 1: Hochgeschwindigkeitsdruck mit Hypercore ABS CF15-Filament. Quelle: Raise3D