Filamentwahl für Roboterarm-Anwendungen

Der FDM-3D-Druck hat sich zu einer der praktischsten Fertigungsmethoden für Hobby- und Kleinserien-Robotikprojekte entwickelt. Er ermöglicht schnelles Prototyping, kurze Entwicklungsschleifen, geringe Herstellkosten und die Fertigung komplexer Bauteile ohne Spezialwerkzeuge. Ein Entwurf lässt sich innerhalb weniger Stunden ändern, neu drucken und testen, sodass Robotermechanismen deutlich schneller entwickelt werden können als mit klassischen Fertigungsverfahren. Auch Ersatzteile und Kleinserien werden ohne teure Anlagen oder Formen praktikabel.

Trotz dieser Vorteile bringt der FDM-Druck einige technische Herausforderungen mit sich. Gedruckte Bauteile sind in der Regel weniger steif und weniger fest als gefräste oder gegossene Teile, ihre mechanischen Eigenschaften hängen wegen der Anisotropie zwischen den Schichten stark von der Druckorientierung ab, und viele gängige Materialien verlieren bereits bei mäßigen Temperaturen an Steifigkeit oder verformen sich. Die endgültige Leistung hängt nicht nur vom Material ab, sondern auch von den Druckparametern, der Bauteilgeometrie und der Nachbearbeitung.

Bei Roboterarmen wirken sich diese Einschränkungen unmittelbar auf das reale Verhalten aus. Tragende Bauteile müssen wiederholte Lasten ohne übermäßige Durchbiegung aufnehmen, Maßhaltigkeit bewahren, Langzeitverformung widerstehen und auch in warmer Umgebung zuverlässig arbeiten. Zusätzlich können plötzliche Lasten durch Kollisionen, ruckartige Bewegungen, Kontakt mit mechanischen Anschlägen, versehentliches Herunterfallen oder die Handhabung bei der Montage auftreten. Ein Material, das sich bei langsamer oder dauerhafter Belastung bewährt, kann bei einem Schlag dennoch reißen oder versagen.

Dieser Artikel vergleicht mehrere gängige carbonfaserverstärkte Filamente zusammen mit Standard-PLA und -PETG als Referenzmaterialien. Ziel ist es, ihre praktische Eignung für tragende Roboterbauteile unter realistischen Druckbedingungen zu bewerten. Statt sich allein auf Herstellerdatenblätter zu stützen, beruht der Vergleich auf wiederholbaren Messungen von Biegesteifigkeit, Wärmeformbeständigkeit, Langzeitverformung und Schlagverhalten.

Carbonfaserverstärkte Filamente

Carbonfaserverstärkte (CF-)Filamente sind Verbundwerkstoffe, bei denen kurze Kohlenstofffasern in einen konventionellen Thermoplast wie PLA, PETG oder PET eingemischt werden. Die Fasern wirken als verstärkender Füllstoff, der das mechanische Verhalten des gedruckten Bauteils verändert und dabei die Einfachheit des FDM-Drucks erhält.

Im Vergleich zu ihren unverstärkten Gegenstücken liefern CF-Filamente meist steifere Bauteile mit besserer Maßhaltigkeit und geringerer Wärmedehnung. Sie haben zudem eine charakteristische matte Oberfläche, die Schichtlinien kaschiert und den Bauteilen ein professionelleres Aussehen verleiht. Der tatsächliche Zugewinn hängt vom Basispolymer und vom Faseranteil ab, weshalb PET-CF, PETG-CF und PLA-CF als unterschiedliche Materialfamilien und nicht als Varianten desselben Materials zu betrachten sind.

In dieser Untersuchung vergleichen wir carbonfaserverstärkte Filamente mit Standard-PLA und -PETG als Referenz, um zu bewerten, wie viel praktischen Vorteil sie für tragende Roboterarm-Bauteile bringen.

Tempern

Tempern ist eine kontrollierte Wärmebehandlung unterhalb der Schmelztemperatur des Polymers. Je nach Material kann dieser Prozess innere Spannungen abbauen und die Kristallinität erhöhen, was Steifigkeit, Wärmeformbeständigkeit und Maßhaltigkeit unter Last verbessert. Viele Hersteller carbonfaserverstärkter Filamente empfehlen das Tempern für technische Anwendungen, um die besten mechanischen Eigenschaften zu erreichen.

Die Wirkung des Temperns hängt stark vom Basispolymer ab. PET-CF, PETG-CF und PLA-CF können unterschiedlich reagieren, und die Verbesserung kann je nach Rezeptur und Prozessbedingungen von vernachlässigbar bis erheblich reichen. Tempern kann außerdem Maßänderungen wie Schwindung oder Verzug hervorrufen, die für präzise mechanische Baugruppen unerwünscht sind.

Um den praktischen Nutzen zu bewerten, wurde jedes carbonfaserverstärkte Filament dieser Untersuchung sowohl frisch gedruckt als auch nach dem Tempern gemäß Herstellerempfehlung geprüft. So lassen sich die Effekte des Temperns gegen den zusätzlichen Zeitaufwand und mögliche Maßänderungen abwägen.

Überblick über das Prüfprogramm

Keine einzelne Materialeigenschaft entscheidet darüber, ob ein Filament für tragende Roboterbauteile geeignet ist. Ein Material kann sehr steif sein, sich aber bei erhöhter Temperatur verformen, oder Wärme gut vertragen und sich unter Dauerlast allmählich durchbiegen. Deshalb wurden die Materialien mit vier sich ergänzenden Prüfungen bewertet, die jeweils einen anderen Aspekt der praktischen Roboterarm-Leistung abdecken.

• Dreipunkt-Biegeversuch — misst die Biegesteifigkeit anhand der Durchbiegung des Prüfkörpers bei vier kontrollierten Laststufen. Aus den Messdaten wird der Biegemodul berechnet, sodass sich die Steifigkeit verschiedener Materialien unabhängig von kleinen Maßabweichungen zwischen den Prüfkörpern vergleichen lässt.
• Wärmeformbeständigkeitsprüfung — bewertet, wie gut ein belasteter Prüfkörper seine Form bei 65–70 °C behält. Dieser Bereich wurde gewählt, weil Servomotoren in Robotergelenken im Dauerbetrieb ähnliche Temperaturen erreichen. Werden tragende Teile durch die Motorwärme weich oder verformen sie sich, leiden Positioniergenauigkeit und mechanische Zuverlässigkeit auch ohne übermäßige äußere Lasten.
• Langzeitverformungsprüfung — bewertet die Kriechbeständigkeit des Materials unter Dauerlast. In der Robotik stehen tragende Bauteile oft über längere Zeit unter denselben Kräften, während sie das Gewicht des Arms oder der Nutzlast halten.
• Pendelschlagversuche — vergleichen, wie viel Energie die Prüfkörper bei plötzlicher Belastung aufnehmen — in den Konfigurationen Izod und Charpy. Beide Anordnungen unterscheiden sich in Auflagerung und Lasteinleitung und zeigen daher verschiedene Aspekte des Bruchverhaltens.

Grenzen der Untersuchung

Ziel dieser Untersuchung ist der Vergleich des Verhaltens verschiedener Filamente unter kontrollierten und wiederholbaren Druck- und Prüfbedingungen. Um den Einfluss der Geometrie zu minimieren, wurden alle Prüfkörper massiv (100% Füllung) mit identischen Einstellungen gedruckt. Das macht die Ergebnisse zwischen den Materialien direkt vergleichbar, bildet aber die Konstruktion realer Roboterarm-Bauteile nicht vollständig ab.

In der Praxis werden die meisten tragenden FDM-Teile mit 30–40% Füllung, mehreren Perimetern und additiv optimierter Geometrie gedruckt. Merkmale wie Rippen, Knotenbleche, Kastenprofile und größere Wandstärken verbessern Steifigkeit und Festigkeit deutlich, während Gewicht und Druckzeit niedrig bleiben. Die hier gemessenen absoluten Durchbiegungen sind daher nicht als erwartetes Verhalten eines fertigen Roboterarm-Bauteils zu verstehen.

Die Schlagversuche wurden auf einem kleinen, nicht zertifizierten Pendelprüfstand durchgeführt, der für den vergleichenden Materialtest und nicht für die normgerechte Messung der Schlagzähigkeit gedacht ist. Die Ergebnisse werden als relativer Index der aufgenommenen Energie angegeben und dürfen weder als Schlagzähigkeit in Joule bzw. Kilojoule je Quadratmeter interpretiert noch direkt mit Herstellerdatenblättern oder genormten Izod- und Charpy-Werten verglichen werden.

Geprüfte Materialien

Polymaker Fiberon PET-CF17 wurde als einer der Hauptkandidaten für tragende Roboterarm-Teile ausgewählt. PET-CF ist ein carbonfaserverstärktes Filament auf PET-Basis, das die Maßhaltigkeit und Langlebigkeit von PET mit der höheren Steifigkeit durch die Faserverstärkung verbinden soll. Für dieses Projekt ist es interessant, weil es ein gutes Gleichgewicht aus Steifigkeit, Druckbarkeit und praktischer Festigkeit bieten kann, ohne auf anspruchsvollere Hochtemperatur-Konstruktionspolymere ausweichen zu müssen.

Bambu Lab PETG-CF ist ein carbonfaserverstärktes PETG-Filament. Laut Bambu Lab soll dieses Material sowohl die mechanischen Eigenschaften als auch das Oberflächenbild gegenüber Standard-PETG verbessern und dabei PETG-typische Vorteile wie Beständigkeit gegen Wasser, Öle, Fette, UV-Strahlung und Stöße erhalten. Für unser Projekt ist es auch deshalb relevant, weil es als Material für funktionale Teile auf Consumer-Druckern positioniert wird — mit saubererer Oberfläche und geringerer Nachgiebigkeit als gewöhnliches PETG.

CC3D PETG-CF wurde als weiterer Carbon-Verbundwerkstoff auf PETG-Basis aufgenommen. Es liefert einen nützlichen Vergleich zu Bambu Lab PETG-CF, da beide Materialien auf einem ähnlichen PETG-CF-Konzept beruhen, aber von unterschiedlichen Herstellern stammen. So lässt sich prüfen, ob das beobachtete Verhalten vor allem am Materialtyp liegt oder ob die herstellerspezifische Rezeptur Steifigkeit, Oberflächengüte und Druckqualität merklich beeinflusst.

Creality Hyper PLA-CF wurde als carbonfaserverstärktes Material auf PLA-Basis aufgenommen. PLA lässt sich meist leicht drucken und bietet gute Steifigkeit, während die Carbonfaserverstärkung die Steifigkeit weiter erhöhen und die sichtbare Schichtstruktur reduzieren kann. Creality gibt für Hyper PLA-CF hohe Festigkeit, gute Schichthaftung, matte Oberfläche, minimale Schichttextur und Druckgeschwindigkeiten bis 300 mm/s an. Für Roboterarm-Teile ist das Material interessant, weil es hohe Steifigkeit und ansprechende Oberflächenqualität bei vergleichsweise einfachem Druck verspricht.

Creality PETG wurde als unverstärktes PETG-Referenzmaterial geprüft. PETG wird häufig für funktionale 3D-Druckteile eingesetzt, weil es zäher und weniger spröde als Standard-PLA ist und sich dennoch auf gewöhnlichen Desktop-FDM-Druckern verarbeiten lässt. In dieser Untersuchung dient es als Basis, um zu bewerten, wie stark die Carbonfaserverstärkung Steifigkeit und Biegeverhalten gegenüber normalem PETG verbessert.

Soleyin Ultra PLA wurde als Standard-PLA-Referenz geprüft. PLA ist weit verbreitet, leicht zu drucken, maßhaltig und liefert meist sauber wirkende Teile. Es kann jedoch spröder sein als Materialien auf PETG-Basis und eignet sich weniger für Bauteile, die höheren Temperaturen oder Schlagbelastungen ausgesetzt sind. In diesem Vergleich bildet es eine nützliche Basis, um das Abschneiden von Standard-PLA gegenüber den carbonfaserverstärkten Optionen einzuordnen.

Prüfstand und Methodik

Dreipunkt-Biegeversuch

Ziel dieses Versuchs ist es, die elastische Verformung des Materials unter kontrollierten Lasten zu messen. Für tragende Roboterbauteile ist Steifigkeit eine wichtige Eigenschaft, weil eine zu große Durchbiegung Positioniergenauigkeit und Wiederholbarkeit schon weit unterhalb der Bruchlast verschlechtert.

Für den experimentellen Vergleich haben wir die Konstruktion eines Dreipunkt-Biegeprüfstands von Stefan Hermann (CNC Kitchen) verwendet, mit kleinen Anpassungen an den in unserem Aufbau verfügbaren Bolzendurchmesser. Die Prüfkörpermaße wurden gegenüber dem Original unverändert übernommen, damit die Prüfgeometrie konsistent und vergleichbar bleibt.

Der Prüfstand besteht aus zwei unteren Auflagerbolzen und einem oberen Lastbolzen. Während der Prüfung liegt der Prüfkörper an beiden Enden auf, während in der Mitte der Stützweite eine senkrechte Last aufgebracht wird. Die resultierende Durchbiegung in der Mitte wird mit einer digitalen Messuhr bei vordefinierten Laststufen gemessen. Aus diesen Messwerten wird der Biegemodul jedes Prüfkörpers berechnet und die Steifigkeit der Materialien unter identischen Bedingungen verglichen.

Bestimmung des Biegemoduls

Die zentrale Vergleichsgröße dieses Versuchs ist der Biegemodul, der die Steifigkeit des Prüfkörpers unter Biegung im elastischen Bereich beschreibt.

Praktisch gesehen gibt der Biegemodul an, wie stark ein gedruckter Prüfkörper einer Biegung unter bekannter Last widersteht. Ein Material mit höherem Biegemodul biegt sich bei gleicher Kraft weniger durch, eines mit niedrigerem Modul stärker.

Für unsere Roboterarm-Anwendung ist das besonders wichtig, weil wir die Durchbiegung der Struktur minimieren wollen, wenn der Arm voll ausgestreckt ist und eine Standardlast trägt.

Während des Dreipunkt-Biegeversuchs messen wir für jeden Prüfkörper vier Referenz-Lastpunkte:

(F₁, δ₁),  (F₂, δ₂),  (F₃, δ₃),  (F₄, δ₄)

wobei F die aufgebrachte Kraft und δ die gemessene Durchbiegung in der Mitte ist.

Aus diesen Punkten berechnen wir die Steigung der Kraft-Durchbiegungs-Kurve:

k = ΔF / Δδ

wobei k die Biegesteifigkeit des Prüfkörpers ist. Sie lässt sich aus dem ersten und dem letzten Messpunkt abschätzen:

k = (F₄ − F₁) / (δ₄ − δ₁)

oder durch eine Ausgleichsgerade durch alle vier Messpunkte.

Für einen rechteckigen Prüfkörper im Dreipunkt-Biegeversuch berechnet sich der Biegemodul zu:

E = (kL³) / (4bh³)

wobei L der Abstand zwischen den unteren Auflagerbolzen, b die Breite des Prüfkörpers und h seine Dicke in Biegerichtung ist.

Tatsächliche Prüfbedingungen

Die Prüfkörper wurden im Dreipunkt-Biegeaufbau unter für alle Materialien identischen Druck- und Messbedingungen geprüft. Je Prüfzustand wurden mindestens zwei Prüfkörper hergestellt. Bei den carbonfaserverstärkten Filamenten wurden sowohl der normale (frisch gedruckte) als auch der getemperte Zustand mit jeweils mindestens zwei Prüfkörpern bewertet, während die Referenzmaterialien PLA und PETG nur im frisch gedruckten Zustand geprüft wurden. Jeder Prüfkörper wurde massiv mit 4 Perimetern, 0,2 mm Schichthöhe und 0,4 mm Düse gedruckt. Die Nennmaße betrugen 120 × 12 × 4 mm; die tatsächlichen Maße jedes Prüfkörpers wurden einzeln gemessen und in die Berechnung des Biegemoduls eingesetzt. Der Abstand zwischen den beiden unteren Auflagerbolzen betrug 102,5 mm.

Parameter	Wert
Trocknungsdauer des Filaments	6 h
Perimeter	4
Füllung	100%
Düsendurchmesser	0,4 mm
Schichthöhe	0,2 mm
Nennmaß des Prüfkörpers	120 × 12 × 4 mm
Stützweite L	102,5 mm
Referenzmasse je Laststufe	0,350 kg
Kraft je Laststufe	3,43 N

Tabelle 1. Druck- und Messbedingungen des Dreipunkt-Biegeversuchs.

Die Last wurde in vier Stufen mit wiederholbaren Referenzgewichten aufgebracht. Die Referenzmasse betrug rund 0,35 kg, entsprechend 3,43 N je Stufe bei Normfallbeschleunigung; die vier Kraftstufen lagen bei etwa 3,43 N, 6,86 N, 10,30 N und 13,73 N. Die Durchbiegung in der Mitte wurde bei jeder Stufe mit einer digitalen Messuhr erfasst. Normale Prüfkörper wurden direkt nach dem Druck geprüft; Fiberon PET-CF17, Bambu Lab PETG-CF, Creality PLA-CF und CC3D PETG-CF wurden zusätzlich als separat getemperte Prüfkörper geprüft.

Filament	Drucktemperatur (°C)	Tempertemperatur (°C)	Temperdauer
Fiberon PET-CF17	300	110	6 h
Bambu Lab PETG-CF	255	65–70	6 h
Creality PLA-CF	220	60	6 h
CC3D PETG-CF	255	65–70	6 h

Tabelle 2. Temperprogramme der carbonfaserverstärkten Prüfkörper.

Zusätzliche Prüfbedingungen

Die Wärmeformbeständigkeitsprüfung verwendete dieselbe Prüfkörpergeometrie wie der Dreipunkt-Biegeversuch. Jeder Prüfkörper lag auf einer Stützweite von 100 mm auf und wurde in der Mitte mit einer angehängten Masse von 110 g (etwa 1,08 N) belastet. Die Prüfkörper wurden 1 Stunde lang in einen Laborofen bei 65–70 °C gelegt; anschließend wurde die bleibende Durchbiegung gemessen und mit dem Ausgangszustand verglichen.

Die Langzeitverformungsprüfung erfolgte mit derselben Dreipunkt-Auflagerung bei einer mittigen Last von 1 kg (etwa 9,81 N). Die Anfangsdurchbiegung wurde unmittelbar nach dem Aufbringen der Last gemessen, eine zweite Messung nach 30 Minuten erfasste die zeitabhängige Verformung (Kriechen). Danach wurde die Last entfernt und der Prüfkörper 2 Minuten entlastet, bevor die verbleibende Restdurchbiegung aufgezeichnet wurde. So lassen sich elastische Verformung, Kriechen unter Dauerlast und bleibende Verformung nach der Entlastung unterscheiden.

Pendelschlagversuch

Ziel des Schlagversuchs war der Vergleich, wie viel Energie die Prüfkörper der verschiedenen Filamente bei plötzlicher Belastung aufnehmen können. Er ergänzt den Biegeversuch, der die Verformung unter allmählich aufgebrachter Kraft bewertet. Ein Material kann im Normalbetrieb sehr steif sein und dennoch bei einem Schlag schlagartig brechen, während ein zäheres Material sich stärker verbiegt und vor dem Versagen mehr Energie aufnimmt. Schlagprüfungen sind daher für Roboterbauteile sinnvoll, die Kollisionen, Kontakt mit mechanischen Anschlägen, Stürze oder andere kurzzeitige Lasten erfahren können.

Der Prüfstand wurde nach dem quelloffenen Projekt Izod Impact Test gebaut, das auf Printables als Referenzentwurf veröffentlicht ist. Ein Pendel wird aus einer wiederholbaren Ausgangslage ausgelöst; eine mechanische Skala zeigt an, wie weit das Pendel nach dem Auftreffen auf den Prüfkörper weiterschwingt. Je stärker der Restweg des Pendels verringert wird, desto mehr Energie hat der Prüfkörper bei Verformung und Bruch aufgenommen. Derselbe Prüfstand wurde sowohl für Izod- als auch für Charpy-Versuche konfiguriert, sodass die Materialien unter zwei verschiedenen Auflager- und Lastanordnungen verglichen werden konnten.

In der Izod-Konfiguration stand der Prüfkörper senkrecht und war an einem Ende eingespannt, der obere Abschnitt blieb frei. Das Pendel traf den freien Teil des Prüfkörpers und erzeugte eine dynamische Kragbiegung. Diese Anordnung konzentriert die Spannungen nahe der Einspannung und erlaubt einen guten Vergleich der Beständigkeit gegen plötzliche, örtlich begrenzte Belastung. Prüfkörperlage, Einspanntiefe, Auslöseposition des Pendels und Schlagrichtung relativ zu den Druckschichten wurden zwischen den Versuchen konstant gehalten.

In der Charpy-Konfiguration lag der Prüfkörper waagerecht auf zwei Auflagern und wurde vom Pendel dazwischen getroffen. Das erzeugt eine dynamische Biegebelastung, die in der Grundanordnung dem Dreipunkt-Biegeversuch ähnelt, aber mit Schlaggeschwindigkeit aufgebracht wird. Der Prüfkörper kann sich über die gestützte Länge verformen, bevor er bricht, sodass das Ergebnis sowohl die Bruchbeständigkeit als auch die Fähigkeit des Materials widerspiegelt, Energie durch Biegung aufzunehmen. Izod- und Charpy-Ergebnisse wurden getrennt bewertet, da beide Anordnungen unterschiedliche Spannungsverteilungen erzeugen und nicht als unmittelbar austauschbare Messgrößen zu behandeln sind.

Die Pendelskala diente als relative Messgröße und nicht als kalibrierter Energiewert. Der relative Index der aufgenommenen Energie wurde als 100 minus dem Skalenwert nach dem Schlag berechnet; ein höherer Wert bedeutet also mehr Energieaufnahme innerhalb dieses Aufbaus. Die Ergebnisse sind daher als Vergleich zwischen Prüfkörpern zu verstehen, die auf demselben Prüfstand unter gleichen Bedingungen geprüft wurden, und nicht als genormte Schlagzähigkeitswerte in Joule oder Kilojoule je Quadratmeter.

Für die Schlagprüfkörper wurden dieselben Filamenttypen und Druckbedingungen wie in den übrigen Versuchen beibehalten. Standard-PLA und -PETG wurden im frisch gedruckten Zustand geprüft, jedes carbonfaserverstärkte Filament dagegen sowohl gedruckt als auch getempert. Die getemperten Prüfkörper wurden mit den materialspezifischen Temperaturen und Dauern aus Tabelle 2 vorbereitet.

Ergebnisse der Dreipunkt-Biegesteifigkeit

Unter den frisch gedruckten Prüfkörpern zeigten Creality PLA-CF und Fiberon PET-CF17 die höchste Steifigkeit mit berechneten Biegemoduln von 2898 MPa bzw. 2891 MPa. Beide Materialien wiesen die geringste Durchbiegung unter Last auf und waren damit im gedruckten Zustand am besten. CC3D PETG-CF folgte auf Platz drei mit 2319 MPa und übertraf sowohl Standard-PETG als auch Standard-PLA.

Die Referenzmaterialien zeigen, dass eine Carbonfaserverstärkung allein keine bessere Leistung garantiert. Creality PETG (2029 MPa) und Soleyin PLA (1862 MPa) waren deutlich steifer als Bambu Lab PETG-CF (1595 MPa), obwohl sie keine Carbonfasern enthalten. Das unterstreicht die Bedeutung des Basispolymers und der Gesamtrezeptur gegenüber dem reinen Faseranteil.

#	Filament	Biegemodul E (MPa)	Max. Durchbiegung (mm)
1	Creality PLA-CF normal	2898.32	1.58
2	Fiberon PET-CF17 normal	2891.47	1.50
3	Soleyin PLA	1862.16	2.40
4	Bambu Lab PETG-CF normal	1594.96	2.80
5	Creality PETG	2029.01	2.40
6	CC3D PETG-CF normal	2319.00	2.00
7	Fiberon PET-CF17 getempert	3480.37	1.20
8	Bambu Lab PETG-CF getempert	1831.19	2.50
9	Creality PLA-CF getempert	2948.27	1.50
10	CC3D PETG-CF getempert	2495.82	1.90

Tabelle 3. Dreipunkt-Biegesteifigkeit und maximale Durchbiegung.

Die Kraft-Durchbiegungs-Kurven zeigen dieselben Tendenzen anschaulich. Fiberon PET-CF17 (getempert) wies über den gesamten Lastbereich durchgehend die geringste Durchbiegung auf, gefolgt von Creality PLA-CF. Bambu Lab PETG-CF blieb vor und nach dem Tempern das nachgiebigste Material, die übrigen Materialien lagen dazwischen.

Einfluss des Temperns auf die Biegesteifigkeit

Das Tempern erhöhte die Biegesteifigkeit aller geprüften carbonfaserverstärkten Filamente, das Ausmaß hing jedoch stark vom Material ab. Wie die Diagramme zeigen, reichte die Reaktion von kaum messbar bis zu einem deutlichen Steifigkeitszuwachs.

Am stärksten profitierte Fiberon PET-CF17: Der Biegemodul stieg von 2891 MPa auf 3480 MPa, also um 20%. Damit rückte es vom praktischen Gleichstand mit Creality PLA-CF im gedruckten Zustand zum steifsten Material des gesamten Vergleichs auf.

Bambu Lab PETG-CF verbesserte sich ebenfalls deutlich, um 15% von 1595 MPa auf 1831 MPa. Es blieb zwar das am wenigsten steife der geprüften Carbon-Verbundwerkstoffe, doch der Zuwachs zeigt, dass Tempern die Steifigkeit von PETG-CF-Materialien spürbar erhöhen kann.

CC3D PETG-CF reagierte moderater mit einem Anstieg des Biegemoduls um 8% (von 2319 MPa auf 2496 MPa).

Creality PLA-CF veränderte sich nur um 2% (von 2898 MPa auf 2948 MPa); das empfohlene Temperverfahren bringt diesem Material also kaum zusätzliche Steifigkeit.

Diese Ergebnisse zeigen, dass sich der Nutzen des Temperns nicht auf alle carbonfaserverstärkten Filamente verallgemeinern lässt. Zwar wurde jedes Material steifer, doch der Zuwachs reichte je nach Basispolymer und Rezeptur von vernachlässigbar bis erheblich. Wo maximale Steifigkeit das Hauptziel ist, hatte Fiberon PET-CF17 unter den geprüften Bedingungen den größten praktischen Nutzen vom Tempern.

Wärmeformbeständigkeit

Servomotoren können im Dauerbetrieb 65–70 °C erreichen, besonders unter Dauerlast oder in geschlossenen Robotergelenken. Tragende Teile in Motornähe müssen ihre Form daher auch bei erhöhter Temperatur behalten, damit Positioniergenauigkeit erhalten bleibt und keine mechanischen Behinderungen auftreten. Diese Prüfung bewertet die praktische Fähigkeit jedes Materials, seine Geometrie unter konstanter Last bei betriebstypischen Temperaturen zu halten.

Die Prüfkörper wurden 1 Stunde lang bei 65–70 °C mit derselben Nenngeometrie wie im Dreipunkt-Biegeversuch geprüft. Jeder Prüfkörper lag auf einer Stützweite von 100 mm auf und wurde mittig mit 110 g (etwa 1,08 N) belastet. Die nach dem Versuch gemessene Durchbiegung in der Mitte diente als Kennwert der Wärmeformbeständigkeit unter Last.

Filament	Normal (mm)	Getempert (mm)	Verbesserung
Fiberon PET-CF17	3.4	0.3	11.3×
Bambu Lab PETG-CF	5.9	2.5	2.4×
CC3D PETG-CF	6.0	2.3	2.6×

Tabelle 4. Wärmebedingte Durchbiegung bei 65–70 °C nach 1 Stunde unter 1,08 N Last.

Creality PLA-CF, Soleyin PLA und ungefülltes Creality PETG verformten sich unter diesen Bedingungen so stark, dass keine sinnvoll vergleichbaren Messwerte möglich waren.

Die Ergebnisse zeigen, dass Tempern die Wärmeformbeständigkeit weit stärker beeinflusst als die Steifigkeit bei Raumtemperatur. Fiberon PET-CF17 verbesserte sich am deutlichsten: Die Durchbiegung sank von 3,4 mm auf 0,3 mm — eine elffach bessere Formhaltung. Beide PETG-CF-Materialien profitierten ebenfalls erheblich vom Tempern und reduzierten ihre Durchbiegung um mehr als die Hälfte, blieben aber merklich weniger stabil als getempertes Fiberon PET-CF17.

Die übrigen Materialien konnten ihre Form unter den Prüfbedingungen nicht halten. Das heißt nicht zwangsläufig, dass sie für jede Anwendung ungeeignet sind, doch sie sollten nicht für tragende Bauteile in der Nähe dauerhaft laufender Servomotoren gewählt werden, sofern sich die Betriebstemperatur nicht deutlich unter dem geprüften Bereich halten lässt.

Langzeitverformung

Roboterarm-Bauteile stehen häufig unter Dauerlast, während sie das Gewicht des Arms oder der Nutzlast tragen. Selbst ein ausreichend steifes Material kann sich mit der Zeit allmählich verformen und nach der Entlastung nicht vollständig zurückfedern. Diese Prüfung bewertet die Beständigkeit des Materials gegen zeitabhängige Verformung (Kriechen) und seine Fähigkeit, nach längerer Belastung wieder die ursprüngliche Form anzunehmen.

Jeder Prüfkörper wurde 30 Minuten lang mit einem mittigen Gewicht von 1 kg in derselben zuvor beschriebenen Dreipunkt-Auflagerung belastet. Die Anfangsdurchbiegung wurde unmittelbar nach dem Aufbringen der Last erfasst, eine zweite Messung nach 30 Minuten quantifizierte das Kriechen. Nach dem Entfernen der Last erholte sich der Prüfkörper 2 Minuten lang, danach wurde die verbleibende Restdurchbiegung gemessen.

Filament	Anfangsdurchbiegung (mm)	Nach 30 min (mm)	Restdurchbiegung (mm)
Fiberon PET-CF17 N	1.08	1.18	0.10
Fiberon PET-CF17 G	0.82	0.92	0.02
Bambu Lab PETG-CF N	1.88	2.12	0.20
Bambu Lab PETG-CF G	1.80	2.00	0.15
CC3D PETG-CF N	1.60	1.64	0.14
CC3D PETG-CF G	1.57	1.63	0.20
Creality PLA-CF N	1.15	1.37	0.29
Creality PLA-CF G	1.00	1.13	0.40
Soleyin PLA N	1.60	2.05	0.30
Creality PETG N	1.70	1.83	0.10

Tabelle 5. Langzeitverformung unter 1 kg Last und Restdurchbiegung nach 2 Minuten Erholung.

Von allen geprüften Materialien zeigte Fiberon PET-CF17 die beste Langzeit-Maßhaltigkeit. Das Tempern verringerte seine Anfangsdurchbiegung von 1,08 mm auf 0,82 mm, während das Kriechen über die 30-minütige Belastung in beiden Zuständen gering blieb (0,10 mm). Wichtiger noch: Die Restdurchbiegung sank von 0,10 mm auf nur 0,02 mm — also nahezu vollständige Rückverformung nach der Entlastung.

Bambu Lab PETG-CF profitierte ebenfalls vom Tempern und verringerte seine Restdurchbiegung von 0,20 mm auf 0,15 mm. CC3D PETG-CF zeigte in dieser Prüfung dagegen kaum Nutzen: Die Restdurchbiegung stieg nach dem Tempern sogar leicht von 0,14 mm auf 0,20 mm. Die größte bleibende Verformung unter den Carbon-Verbundwerkstoffen wies Creality PLA-CF auf — Anstieg von 0,29 mm auf 0,40 mm nach dem Tempern.

Diese Ergebnisse verdeutlichen einen wichtigen Unterschied zwischen Steifigkeit und Langzeit-Maßhaltigkeit. Zwar erhöhte das Tempern den Biegemodul jedes geprüften Carbonfaser-Filaments, doch die Rückverformung nach Dauerlast verbesserte sich nicht durchgängig. Für Roboterarm-Bauteile, die über längere Zeit Lasten tragen sollen, war Fiberon PET-CF17 das einzige Material mit einer klaren Verbesserung bei Steifigkeit, Wärmeformbeständigkeit und Langzeit-Maßhaltigkeit zugleich.

Ergebnisse der Schlagversuche

Mit den Pendelschlagversuchen wurde verglichen, wie die geprüften Materialien in zwei verschiedenen Anordnungen auf plötzliche Belastung reagieren. In der Izod-Konfiguration wurde jeder Prüfkörper als senkrecht eingespannter Kragarm belastet, in der Charpy-Konfiguration lag er waagerecht auf zwei Auflagern und wurde dazwischen getroffen. Da beide Anordnungen unterschiedliche Spannungsverteilungen erzeugen und unterschiedlich große Verformungen zulassen, werden die Ergebnisse getrennt dargestellt.

Die erfassten Werte sind als relativer Index der aufgenommenen Energie aus der Pendelskala angegeben. Ein höherer Wert bedeutet, dass dem Pendel beim Schlag mehr Energie entzogen wurde. Diese Werte dienen ausschließlich dem Vergleich von Prüfkörpern auf demselben Prüfstand und sind nicht als genormte Schlagzähigkeitswerte zu interpretieren.

Filament	Zustand	Izod	Charpy
Creality PLA-CF	normal	20	12
Fiberon PET-CF17	normal	15	5
Soleyin PLA	normal	17	15
Bambu Lab PETG-CF	normal	29	65
Creality PETG	normal	24	60
CC3D PETG-CF	normal	20	8
Fiberon PET-CF17	getempert	8	10
Bambu Lab PETG-CF	getempert	25	22
Creality PLA-CF	getempert	18	12
CC3D PETG-CF	getempert	21	13

Tabelle 6. Relativer Index der aufgenommenen Energie aus Izod- und Charpy-Schlagversuchen. Höhere Werte bedeuten mehr Energieaufnahme.

Das deutlichste Ergebnis war die erheblich höhere Charpy-Energieaufnahme von Bambu Lab PETG-CF und Standard-Creality PETG im normalen Zustand mit relativen Indizes von 65 und 60. Alle anderen normalen Prüfkörper blieben in derselben Anordnung bei 15 oder darunter. Die Izod-Ergebnisse lagen enger beieinander, wobei erneut Bambu Lab PETG-CF den höchsten Wert erzielte, gefolgt von Standard-PETG.

Das Tempern bewirkte mehrere deutliche Veränderungen, allen voran den Rückgang des Charpy-Ergebnisses von Bambu Lab PETG-CF von 65 auf 22 sowie den Rückgang des Izod-Ergebnisses von Fiberon PET-CF17 von 15 auf 8. Kleine Unterschiede von etwa 5% zwischen normalen und getemperten Prüfkörpern liegen dagegen innerhalb der praktischen Grenzen dieses Aufbaus und sind nicht als gesicherte Verbesserung oder Verschlechterung zu werten.

Diskussion der Ergebnisse

Steifigkeit versus Schlagzähigkeit

Die Ergebnisse zeigen, dass Steifigkeit und Schlagzähigkeit eigenständige Materialeigenschaften sind und nicht gleichgesetzt werden dürfen. Der Dreipunkt-Biegeversuch misst, wie stark ein Prüfkörper der elastischen Verformung unter allmählich aufgebrachter Last widersteht, während der Pendelversuch bewertet, wie viel Energie er bei einem plötzlichen Schlag aufnimmt. Ein Material kann daher im Normalbetrieb sehr starr sein und dennoch bei einem Schlag schlagartig versagen.

Besonders deutlich wird das beim Vergleich von Fiberon PET-CF17 mit den PETG-basierten Materialien. Fiberon gehörte zu den steifsten Prüfkörpern und war nach dem Tempern der steifste überhaupt, doch seine Schlagergebnisse fielen vergleichsweise niedrig aus. Umgekehrt war Bambu Lab PETG-CF im Biegeversuch das am wenigsten steife CF-Material, erzielte aber unter den normalen Prüfkörpern die höchsten Schlagindizes. Standard-Creality PETG folgte demselben Muster und verband mäßige Steifigkeit mit sehr hoher Charpy-Energieaufnahme.

Daraus folgt, dass die Materialwahl von den erwarteten Belastungsbedingungen des Bauteils abhängen sollte. Steife Glieder, Servohalterungen und Strukturen, die Positioniergenauigkeit wahren müssen, profitieren vor allem von hoher Steifigkeit und geringem Kriechen. Abdeckungen, Schutzelemente, Greiferbauteile und kollisionsgefährdete Teile profitieren eher von einem zähen PETG-Material, das Schlagenergie aufnehmen kann. Wenn beide Eigenschaften wichtig sind, wirken Bauteilgeometrie, Wandstärke, lokale Verstärkungen und austauschbare Schutzelemente oft wirksamer als die Materialwahl nach einem einzelnen Prüfergebnis.

Carbonfaserverstärkte versus Standardfilamente

Die Ergebnisse bestätigen, dass eine Carbonfaserverstärkung die Eigenschaften gedruckter tragender Bauteile deutlich verbessern kann, dass die Verbesserung aber nicht allein durch das Hinzufügen von Fasern garantiert ist. Basispolymer und Gesamtrezeptur scheinen stärker zu wirken als die bloße Anwesenheit von Carbonfasern.

Unter den frisch gedruckten Prüfkörpern waren Fiberon PET-CF17 und Creality PLA-CF deutlich steifer als die Referenzmaterialien PLA und PETG. CC3D PETG-CF übertraf im Dreipunkt-Biegeversuch ebenfalls Standard-PETG. Bambu Lab PETG-CF war dagegen weniger steif als beide Referenzen — ein carbonfaserverstärktes Filament ist also nicht automatisch steifer als ein ungefülltes Polymer.

Die Schlagergebnisse zeigen einen weiteren wichtigen Unterschied. Standard-Creality PETG erreichte einen der höchsten Charpy-Indizes der Untersuchung, nur knapp unter Bambu Lab PETG-CF und weit über den übrigen CF-Verbundwerkstoffen. Das deutet darauf hin, dass eine Carbonfaserverstärkung die Schlagbeständigkeit nicht zwingend verbessert und die Fähigkeit des Materials, sich vor dem Bruch zu verformen und Energie aufzunehmen, sogar verringern kann. Der Effekt hängt stark von der Rezeptur ab: Bambu Lab PETG-CF zeigte unter den normalen Prüfkörpern die höchste Schlagenergieaufnahme, während CC3D PETG-CF und Fiberon PET-CF17 deutlich niedrigere Charpy-Werte lieferten.

Die Carbonfaserverstärkung erzeugte außerdem eine merklich bessere Oberfläche. Alle geprüften CF-Materialien zeigten ein gleichmäßig mattes Erscheinungsbild mit weniger sichtbaren Schichtlinien, sodass die gedruckten Teile kaum kosmetische Nachbearbeitung benötigten. Insgesamt sind CF-Filamente als eigenständige Konstruktionswerkstoffe mit spezifischen Kombinationen aus Steifigkeit, Wärmestabilität, Kriechbeständigkeit und Schlagverhalten zu betrachten und nicht als bloße Verbesserung ihrer unverstärkten Gegenstücke.

Tempern in der Praxis

Das Tempern verbesserte Steifigkeit und Wärmeformbeständigkeit aller geprüften carbonfaserverstärkten Materialien, doch Ausmaß und Gesamtnutzen hingen stark vom Filament ab. Den größten Vorteil zeigte Fiberon PET-CF17, das Biegesteifigkeit, Wärmeformbeständigkeit und Langzeit-Maßhaltigkeit zugleich verbesserte. Bambu Lab PETG-CF und CC3D PETG-CF wurden ebenfalls steifer und hielten ihre Form bei erhöhter Temperatur besser, ihre Verbesserungen fielen jedoch weniger umfassend aus.

Die Langzeitverformungs- und Schlagversuche zeigen, dass Tempern nicht als universelle Verbesserung gelten kann. Höhere Steifigkeit führte nicht immer zu besserer Rückverformung nach Dauerlast, und die Schlagzähigkeit konnte je nach Material und Prüfanordnung steigen oder sinken. Das deutlichste negative Ergebnis zeigte Bambu Lab PETG-CF, dessen Charpy-Index nach dem Tempern von 65 auf 22 fiel. Auch Fiberon PET-CF17 verlor beim Izod-Ergebnis erheblich.

Das Tempern sollte daher nach der dominierenden Anforderung des fertigen Bauteils gewählt werden. Es ist sehr vorteilhaft, wenn Wärmestabilität, Steifigkeit und Beständigkeit gegen allmähliche Verformung im Vordergrund stehen — insbesondere bei Fiberon PET-CF17. Für Teile, die Kollisionen oder plötzliche Lasten aufnehmen sollen, kann Tempern jedoch nützliche Zähigkeit verringern und sollte sorgfältig abgewogen werden. Die Wirksamkeit hängt vom Basispolymer, vom Faseranteil, von der Herstellerrezeptur und vom geforderten Eigenschaftsprofil des jeweiligen Roboterbauteils ab.

Fazit

Diese Untersuchung verglich mehrere marktübliche carbonfaserverstärkte Filamente mit vier sich ergänzenden Prüfungen: Dreipunkt-Biegesteifigkeit, Wärmeformbeständigkeit unter Last, Langzeitverformung sowie Pendelschlagversuche in Izod- und Charpy-Konfiguration. Die Ergebnisse zeigen, dass keine einzelne Eigenschaft ausreicht, um das beste Filament für jedes Roboterarm-Bauteil zu bestimmen. Steifigkeit, Wärmestabilität, Kriechbeständigkeit und Schlagtoleranz müssen getrennt betrachtet werden.

Für steife tragende Teile in Motornähe oder unter Dauerlast lieferte Fiberon PET-CF17 die beste Gesamtleistung. Es verband sehr hohe Steifigkeit mit ausgezeichneter Wärmestabilität und der geringsten bleibenden Verformung nach längerer Belastung. Das Tempern brachte einen erheblichen Zusatznutzen und machte es in dieser Untersuchung zum geeignetsten Material für Glieder, Servohalterungen und andere präzisionskritische Strukturbauteile. Seine vergleichsweise niedrigen Schlagwerte machen es jedoch weniger geeignet, wenn Kollisionsfestigkeit die dominierende Anforderung ist.

CC3D PETG-CF ist eine praktische zweite Wahl, wenn mäßige Steifigkeit, verbesserte Wärmeformbeständigkeit nach dem Tempern, PETG-typische Druckbarkeit und gute Oberflächenqualität gefragt sind. Es erreichte Fiberon weder bei Steifigkeit noch bei Wärmebeständigkeit oder Langzeit-Maßhaltigkeit, und seine Schlagwerte blieben begrenzt, doch als Kompromiss für allgemeine tragende Teile ist es durchaus brauchbar.

Für Bauteile, die plötzlicher Biegung, Kollisionen oder versehentlichen Stößen ausgesetzt sind, zeigten Bambu Lab PETG-CF und Standard-Creality PETG im normalen Zustand die besten Charpy-Ergebnisse. Ihre geringere Steifigkeit und schwächere Wärmeleistung begrenzen den Einsatz in präzisen Strukturteilen nahe warmer Motoren, doch für Abdeckungen, Schutzelemente, Greiferteile, Stoßfänger und andere Bauteile, die Energie aufnehmen statt hochsteif bleiben sollen, sind sie besser geeignet.

Creality PLA-CF bot im gedruckten Zustand hervorragende Steifigkeit, zeigte aber geringe Beständigkeit gegen erhöhte Temperatur und nur mäßige Schlagenergieaufnahme. Es eignet sich daher am besten für passive oder gering belastete Strukturen, die deutlich unterhalb des Erweichungsbereichs von PLA arbeiten und bei denen hohe Steifigkeit und einfache Verarbeitung wichtiger sind als Wärme- oder Schlagverhalten.

Tempern ist nicht als universelle Verbesserung zu betrachten. Es steigerte Steifigkeit und Wärmestabilität mehrerer Materialien erheblich, insbesondere bei Fiberon PET-CF17, verbesserte aber die Langzeit-Rückverformung nicht durchgängig und konnte die Schlagenergieaufnahme verringern. Die Wärmebehandlung sollte daher nach der dominierenden Anforderung des Endbauteils gewählt und nicht automatisch angewendet werden.

Insgesamt hängt das beste Material vom erwarteten Versagensmodus ab. Fiberon PET-CF17 ist die bevorzugte Wahl für steife und thermisch belastete Strukturen, CC3D PETG-CF eine praktische zweite Option, und Bambu Lab PETG-CF oder Standard-PETG sind dort vorzuziehen, wo Schlagtoleranz wichtiger ist als maximale Steifigkeit. Die Materialwahl sollte bauteilweise erfolgen — nach Betriebstemperatur, Dauerlast, geforderter Positioniergenauigkeit und Gefahr plötzlicher Stöße.