Beim Endlosfaser-3D-Druck – englisch Continuous Fiber Additive Manufacturing – legt ein Drucker durchgehende Faserstränge gezielt in ein thermoplastisches Kunststoffbauteil. Verarbeitet wird also dieselbe Endlosfaser, die als Roving auch im Laminierbetrieb zum Einsatz kommt – nur maschinell abgelegt, Schicht für Schicht und entlang des Kraftflusses. Zur Einordnung: Während großformatige Anlagen (LFAM) ganze Formen im Meterbereich drucken, geht es hier um das Kleinformat – faserverstärkte Funktionsteile, Vorrichtungen und Lehren aus Maschinen mit Bauräumen um 30 Zentimeter Kantenlänge.

Drei Verfahrensfamilien, ein Prinzip

Drei Ansätze prägen den Markt. Sie unterscheiden sich vor allem darin, wie die Faser in die Kunststoffmatrix gelangt:

  • Markforged (CFR): Zwei Drucksysteme in einer Maschine – eine Düse extrudiert die Kunststoffmatrix im Schmelzschichtverfahren (FFF), eine zweite legt einen vorimprägnierten Endlosfaserstrang lagenweise ins Bauteil. Wählbar sind Carbon-, Glas-, Kevlar- und hochtemperaturfeste HSHT-Glasfaser; Anzahl und Orientierung der verstärkten Lagen bestimmt der Anwender je Schicht.
  • Anisoprint (CFC, Composite Fiber Co-Extrusion): Ein Doppelmatrix-Verfahren – eine mit Duroplast vorimprägnierte Carbon- oder Basaltfaser wird beim Druck mit einem Thermoplast wie PETG, ABS oder Polycarbonat co-extrudiert. Desktop-Systeme wie der Composer A4 machen den Einstieg vergleichsweise günstig.
  • 9T Labs (Additive Fusion, Zürich): Ein zweistufiger Prozess – ein Build-Modul druckt Vorformlinge (Preforms), ein Fusion-Modul verpresst sie anschließend bei bis zu 400 °C. Nach Herstellerangabe entstehen so bis zu 60 Prozent Faservolumen bei unter einem Prozent Poren – Laminatniveau statt Druckerniveau.

Daneben existieren Varianten wie das Additive Molding von Arris Composites, bei dem gedruckte Endlosfaser-Vorformlinge anschließend formgepresst werden, oder der chinesische Anbieter CFSYS, der nach eigener Angabe Zugfestigkeiten bis 910 N/mm² erreicht. Auch die deutsche Forschung war früh dabei: Das Fraunhofer IPA integrierte bereits 2016 Endlosfasern direkt in den Druckstrang, meldete gegenüber unverstärkten Druckkunststoffen etwa den Faktor zehn an Festigkeit und setzte den Druckkopf auf einen Sechs-Achs-Roboter, um Fasern frei im Raum nach dem Kraftfluss auszurichten.

Datenblattwerte: der Bestfall

Die Herstellerangaben klingen beeindruckend: Für die Endlos-Carbonfaser nennt Markforged eine Zugfestigkeit von 800 N/mm² bei einem Zugmodul von 60.000 N/mm² – nach eigener Angabe sechsmal fester und achtzehnmal steifer als die reine Onyx-Matrix, ein kurzfasergefülltes Polyamid. Das Datenblatt zieht sogar den direkten Vergleich mit gefrästem Aluminium.

Entscheidend ist das Kleingedruckte: Die Kennwerte stammen von unidirektional voll gefüllten Testplatten, die ohne Wände gedruckt und – so das Datenblatt selbst – gezielt auf maximale Prüfergebnisse ausgelegt sind. Alle Fasern liegen in Lastrichtung, das Volumen ist komplett mit Faser gefüllt. Das ist der physikalische Bestfall, nicht der Wert eines realen Bauteils mit Wänden, Bohrungen und mehreren Lastrichtungen.

Studienwerte: die ehrliche Gegenrechnung

Unabhängige Messungen zeichnen ein nüchterneres Bild. Eine 2022 in der Fachzeitschrift Polymers erschienene Studie an einem Markforged-Drucker fand im gedruckten Bauteil nur einen Faservolumengehalt (Anteil der Faser am Materialvolumen) von rund 27 bis 30 Prozent sowie einen Porenanteil von etwa 11 Prozent – überwiegend Hohlräume zwischen den abgelegten Bahnen.

In Faserrichtung ermittelte die Studie knapp 600 N/mm² Zugfestigkeit – rund ein Viertel unter dem Datenblattwert. Quer zur Faser bleiben davon – so die in der Studie zusammengetragenen Literaturwerte – nur etwa 19 N/mm² übrig, grob ein Dreißigstel: Dort trägt allein die poröse Matrix. Bei mehrdirektionalen Lagenaufbauten maß die Studie 38 bis 57 Prozent weniger Steifigkeit; diese Proben versagten durch schwache Schichthaftung und Delamination, also das Aufspalten zwischen den Lagen.

Zum Vergleich: Autoklav-Laminate erreichen 55 bis 65 Prozent Faservolumen bei Porengehalten unter einem Prozent – etwa doppelt so viel tragende Faser und ein Bruchteil des Porenraums. Diese Lücke schließen bislang nur Verfahren mit nachgeschaltetem Konsolidierschritt – etwa der zweistufige Ansatz von 9T Labs, der nach Herstellerangabe Laminatniveau erreicht, oder das Formpressen von Arris.

Der eigentliche Sweet Spot: Betriebsmittel statt Strukturbauteile

Aus diesen Zahlen folgt die Kernbotschaft des Verfahrens: Gedruckte Endlosfaser ersetzt kein Laminat und keine Faserlegeanlage – sie ersetzt das gefräste Aluminiumteil. Genau dafür reichen die Kennwerte aus. Die Anbieter selbst nennen als Kernanwendungen Funktionsprototypen, Vorrichtungen und Spannmittel, Greifer und Robotik-Werkzeuge sowie Funktionsteile in Kleinserie – Betriebsmittel also, die bisher einzeln zerspant wurden.

Ein Werkzeugbau-Beleg mit Messwerten

Wie weit das trägt, zeigt ein frei zugängliches Anwendungspaper: Auf einem Markforged X7 gedruckte Presswerkzeuge (Ober- und Unterform), Bohrlehren und Preform-Werkzeuge bestanden den Erstmuster-Test. Auf Planflächen erreichte der Drucker bei feinen 50-Mikrometer-Schichten eine Oberflächengüte von Ra 0,8 Mikrometern (Rauheitsklasse N6), die Maßgenauigkeit lag um 20 Mikrometer, und Passungen im System H7/f7 – einer genormten Spielpassung, bei der ein Bolzen mit geringem, definiertem Spiel in seiner Bohrung gleitet – samt eingepresster Buchsen saßen wie konstruiert.

Der Zeithebel gleicht dem des Großformatdrucks: Die gedruckte Form stand nach zwei Tagen, während die Metallform den kompletten Zyklus aus Fräsen, Härten und Schweißen durchlaufen müsste. Die Grenze setzt die Matrix: Reines Onyx bleibt laut Datenblatt bis etwa 145 °C formbeständig, die endlosfaserverstärkten Prüfkörper dagegen nur bis rund 105 °C, das HSHT-Glas bis 150 °C – die nutzbare Temperatur hängt damit am Lagenaufbau. Für Lehren, Vorrichtungen und moderat temperierte Formeinsätze im Formenbau reicht das, für heiß gefahrene Presswerkzeuge nicht.

Wirtschaftlichkeit: die Faser ist der Kostentreiber

Der Industriedrucker Markforged X7 beginnt laut Marktübersicht bei 69.900 Euro; deutlich darunter listete ein deutscher Händler den Desktop-Drucker Anisoprint Composer A4 zuletzt für 7.999 Euro – allerdings stark herabgesetzt, was vor einer Investition eine Prüfung von Verfügbarkeit und Support nahelegt. Im Betrieb dominiert das Material: Schon die Onyx-Matrix kostet rund 200 US-Dollar je Kilogramm, etwa das Zehnfache gewöhnlichen Nylon-Filaments – und der Endlosfaserstrang liegt je Volumen nochmals deutlich darüber.

Was das je Bauteil bedeutet, hat eine Studie 2024 am Composer A4 durchgerechnet: Drei zusätzliche Faserlagen heben die Zugfestigkeit eines PETG-Probekörpers auf mehr als das Dreifache – sie steigern aber auch die Materialkosten auf mehr als das Vierfache und verlängern die Druckzeit um gut zwei Drittel. Endlosfaserdruck ist langsam und die Faser teuer; gerechnet wird deshalb nicht gegen Spritzguss oder Handlaminat, sondern gegen das einzeln gefräste Aluminiumteil – dort gewinnt der Druck über entfallende Konstruktions-, Programmier- und Rüstzeiten.

Grenzen und Reifegrad

  • Anisotropie: Die Paradewerte gelten nur in Faserrichtung; quer dazu und zwischen den Schichten ist das Material um Größenordnungen schwächer – Delamination ist der typische Versagensfall.
  • Porosität: Rund ein Zehntel des Volumens sind Hohlräume, überwiegend zwischen den abgelegten Bahnen – auf Vakuum- oder Mediendichtheit sollte man sich ohne Versiegelung deshalb nicht verlassen.
  • Temperatur: Die Formbeständigkeit hängt am Aufbau – laut Markforged-Datenblatt rund 105 °C für endlosfaserverstärkte Prüfkörper, etwa 145 °C für reines Onyx, 150 °C für HSHT-Glas; darüber braucht es Hochleistungsthermoplaste wie PEKK, wie sie 9T Labs verarbeitet.
  • Prozessreife: Selbst Anbieter wie CFSYS nennen Druckstabilität, Schichthaftung und die Zuverlässigkeit der Faserzuführung als offene Kernprobleme.
  • Zulassung: Für die Luftfahrt startete 2020 ein Qualifizierungsprogramm für Markforged-Materialien bei NCAMP/NIAR; tragende Primärstrukturen aus gedruckter Endlosfaser sind bislang nicht zugelassen, Zielanwendungen sind Kabinen- und Interieurteile.

Wohin die Serie geht

Dass mehr möglich ist, zeigen Ausblicke aus der Luftfahrt: In einer Kooperation mit Airbus ersetzte nach Angaben von Arris Composites ein topologieoptimierter – also lastpfadgerecht geformter – Kabinenhalter seinen Metallvorgänger und wiegt mit 50 statt 220 Gramm über drei Viertel weniger; Hunderte solcher Halter stecken in einem Flugzeug. Der Weg in die Serie führt dabei stets über einen nachgeschalteten Press- oder Konsolidierschritt. Der reine Strangdruck bleibt das Werkzeug für Einzelstücke und Kleinserien.

Die Veredelungskette aus Druck und Zerspanung beleuchtet das Dossier zum Hybrid-Tooling aus Drucken und Fräsen; eine grundsätzliche Entscheidungshilfe zwischen Druckteil und laminierter Schale bietet die ehrliche Abgrenzung von GFK und 3D-Druck im Modellbau. Und dass Endlosfasern schon lange maschinell verarbeitet werden – nur eben rotationssymmetrisch –, zeigt der Blick auf das Faserwickeln.