3D печат с нишка от въглеродни влакна: Ultimate Guide

Въглеродните влакна са нов материал, който прави вълни в 3D печата и адитивното производство. Както подсказва името, то съдържа въглеродни влакна - твърдо и леко влакно, използвано в аерокосмическата индустрия и спорта, изработено от тънки въглеродни нишки. Това позволява на въглеродните влакна да произвеждат 3D-принтирани части с изключителна издръжливост, които същевременно са леки. Но какво точно представляват въглеродните влакна и защо тези, които се занимават с 3D печат, трябва да се интересуват от това? Нека започнем с основите.

История и производство на въглеродни влакна

Въпреки че 3D печатаемите въглеродни влакна едва сега се появяват, основите бяха положени още в миналото. в края на 50-те години на миналия век. Това е началото на най-ранното изследване на наслояването и втъкаването на въглеродни влакна в подсилени смолни материали. Превъртаме се напред към 1981 г. - индустрията произведе първите композитни велосипеди и стикове за голф, използващи тънки въглеродни влакна за безпрецедентно леко тегло и здравина.

През последните години, Производителите са използвали същите тези принципи, за да разработят специални филаменти от въглеродни влакна, съвместими с настолни 3D принтери. Производственият процес подравнява дълги нишки от въглеродни влакна в полимерен основен материал като ABS или найлон. След това 3D печатът изгражда части чрез полагане на материала, напоен с въглеродни влакна, слой по слой, според цифровите дизайни.

Въглеродните влакна не само увеличават здравината и твърдостта, като същевременно намаляват теглото - ниският му коефициент на термично разширение помага за борба с проблемите с деформацията и точността на размерите, свързани с температурните колебания. Тази уникална комбинация от свойства позволява по-функционални 3D-принтирани инструменти в автомобилната, аерокосмическата и дори спортната промишленост, където традиционните материали не са достатъчни.

Видове въглеродни влакна

След като разгледахме основите на това как 3D-принтируемите въглеродни влакна са еволюирали от композити за аерокосмическо приложение, нека разгледаме конкретните видове, които са налични днес. Има няколко разновидности на сърцевината, които се различават по дължина на въглеродните влакна и метод на армиране.

1. Къса нишка от въглеродни влакна

Както подсказва името, Въглеродните влакна, съдържащи се в тази нишка, са малки и обикновено са с дължина около 0,1-0,7 мм. Помислете за къси кичури спрямо по-дълги кичури, подобни на коса.

Късата дължина спомага за екструдирането и цялостното качество на печата. Но това е свързано с някои компромиси в сравнение с по-дългите въглеродни влакна. От положителната страна, късите въглеродни влакна се разпръскват равномерно и предвидимо през печатните слоеве, без риск от струпване на влакна на точки. Изотропните свойства също така означават, че частите имат сходна якост във всички посоки.

Недостатъците на използването на къси въглеродни влакна включват по-малко драматично увеличение на якостта в сравнение с други композити, както и по-видими линии на слоевете по наклонени извивки или ъгли. Късите нишки просто имат по-малък потенциал за подсилване от по-дългите опции.

2. Дълга нишка от въглеродни влакна

Верен на името си отново, Дългите въглеродни влакна използват по-космоподобни въглеродни влакна с дължина приблизително 6-12 мм. По-дългите влакна позволяват по-голямо армиране, но имат повишен потенциал за неравномерно разпръскване, ако не са оптимизирани правилно.

Предимствата включват изключително съотношение якост-тегло, отразяващо по-еднопосочно подсилване с въглеродни влакна. Анизотропните свойства означават и забележително увеличение на якостта, главно в съответствие с посоката на печатния слой, в сравнение с по-компромислени свойства под перпендикулярни ъгли. По-малката видимост на слоя също подобрява повърхностното покритие при криви и висококачествени отпечатъци.

Недостатъците включват предимно повишена грижа, за да се предотврати запушване на дюзите и неравномерно образуване на бучки, когато по-дългите кичури се сгъват или заплитат. Намирането на оптимални настройки и конфигурации също е по-трудно. Драматичното отклонение в посоката на якост изисква отчитане на посоката на натоварване при проектирането на функционални части.

3. Подсилени въглеродни влакна

Подсилените въглеродни влакна използват хибриден подход - вливат базови пластмаси като ABS и найлон с много къси въглеродни влакна за разпръсната здравина, след което добавят допълнителни непрекъснати нишки от въглеродни влакна за още по-голямо подсилване.

Това позволява силни механични характеристики, подобни на чистите дълги влакнести нишки, благодарение на ръчно изработените влакнести нишки. Но това избягва непредсказуеми проблеми с бучките, тъй като основният материал вече има равномерно разпределена армировка от къси влакна като основа.

В резултат на това, Подсилените смеси улесняват печата, като същевременно оптимизират здравината и визуалното качество за по-начинаещи потребители. Лекотата идва с някои компромиси по отношение на максималната възможна здравина в сравнение с чистите дълги влакнести нишки. Но за повечето приложения хибридният подход предлага идеален баланс.

Може ли всеки 3D принтер да използва въглеродни влакна?

Въглеродните влакна може да са специално проектирани за поддръжка на 3D печат, но не всички настолни принтери могат непременно да ги използват веднага щом ги разопаковат. Здравият, абразивен материал поставя някои уникални изисквания. Нека разгледаме факторите за пригодност на принтера и всички необходими модификации за използване на въглеродни влакна.

1. Подходящ принтер за въглеродни влакна

Поради абразивността на материала и склонността му бавно, но сигурно да ерозира жизненоважни компоненти, въглеродните влакна изискват принтери, изработени със съвместими закалени части, само за да се справят с основната си функционалност:

• Дюзи от закалена стомана: Стандартните месингови дюзи се износват бързо под въздействието на твърдите въглеродни влакна, рискувайки импеданс или пълна повреда на дюзата. Закалената стомана е почти задължителна.
• Затворена рамка: Откритите тръби на Боудън също се износват с времето, което води до проблеми с подаването или неуспешен печат. Затворените рамки предпазват тръбите.
• Подсилена екструдерна предавка: Твърдостта на подаване изисква зъбни колела на екструдера, изработени от устойчиви на износване метали, за да се поддържа сцепление без оголване.
• Отопляеми легла: Проблемите с изкривяването и адхезията на леглото изискват нагряване на печатащите легла, способни на 100 °C+, за по-добро сцепление на първия слой.

Принтерите, които нямат тези минимални спецификации, не могат надеждно да печатат функционални части от въглеродни влакна веднага след изваждане от кутията, без компонентите да се износят до повреда много бързо от абразията.3D принтерите QIDI Tech включват дюзи както от месинг, така и от закалена стомана. Това позволява на потребителите да печатат стандартни и въглеродни влакна, без да е необходимо да правят каквито и да било модификации или допълнения.

2. Необходими модификации за използване на въглеродни влакна

За принтери без инсталирани закалени компоненти, но иначе технически годни, надеждата не е загубена. Някои модификации позволяват работа с въглеродни влакна:

• Смяна на дюзи: Сменете стандартните дюзи със закалена стомана.
• Защита на Боудън и рамката: Добавете предпазни мерки, като например обшивка, за да защитите тръбите и удължителите.
• Подобрения на екструдерното оборудване: Сменете стандартните зъбни колела с метални алтернативи в дългосрочен план.
• Подготовка на повърхността: Допълнителните адхезионни решения понякога могат да компенсират липсата на отопляеми легла.

С грижа и постепенни подобрения за защита на компонентите, които са най-износени, печатът с въглеродни влакна става все по-рентабилен. Но за най-лесни резултати и устойчива надеждност, изборът на специално създадени настолни принтери с вградена защита премахва затрудненията и разочарованието при работа с нестабилни въглеродни влакна.

Защо да изберете въглеродни влакна за 3D печат?

След като разгледахме производствените процеси, видовете въглеродни влакна и съображенията за съвместимост с принтери, нека разгледаме точката на вземане на решение - защо да използваме въглеродни влакна в сравнение с по-традиционните материали за 3D печат? Какви уникални предимства и недостатъци идват с подсилените въглеродни влакна?

1. Предимства на използването на въглеродни влакна

Композитните материали от въглеродни влакна носят четири основни предимства, несравними с базовите пластмаси:

• Здравина и твърдост:Със съотношение на якост към тегло, надвишаващо дори метали като стомана и алуминий до 5 пъти, частите, отпечатани с въглеродни влакна, предлагат забележителна издръжливост и устойчивост на натоварване, като същевременно запазват много лека обща маса.
• Размерна стабилност: Изключително ниският коефициент на термично разширение, благодарение на твърдата армировка от въглеродни влакна, означава, че отпечатаните части поддържат прецизни допуски в широк диапазон от температури на околната среда, без да се разширяват или свиват с повече от 1%.
• Визуално качество: Въглеродните влакна подобряват сцеплението на първия слой и последващата адхезия между печатните слоеве. Това допълва размерната стабилност с великолепно визуално качество на свързване на слоевете, без видими стъпала, и подобрени повърхностни покрития.
• Устойчивост на топлина и пламък: Вече използвана в аерокосмическата индустрия и моторните спортове, високата химическа устойчивост на въглеродните влакна позволява печатни части да издържат на изключително високи температури над 150°C преди омекване, както и да се отличават с незапалими характеристики.

От използването на изключително лека здравина до устойчивост на температура или химическо разграждане, въглеродните влакна позволяват приложения далеч отвъд обикновените PLA и ABS отпечатва чрез свойства, които просто не се срещат в домакинските пластмаси.

2. Недостатъци на въглеродните влакна

Въпреки това, реализирането на тези желани предимства в производителността е съпроводено и с някои практически недостатъци, които трябва да се вземат предвид:

• Абразивност: Здравите въглеродни влакна бързо ерозират дюзите, зъбните колела и компонентите, които не са специално закалени, което ограничава широката съвместимост с принтерите и дълготрайността на частите.
• Крехкост и твърдост: Макар и здрави и твърди, композитите от въглеродни влакна нямат гъвкавост и устойчивост на удар, в сравнение с тях, като се разпадат внезапно под твърде голяма сила, вместо да се огъват временно като ABS или... найлон.
• Проводимост: Високата топло- и електрическа проводимост може да усложни печатането в затворени помещения при липса на термичен контрол, рискувайки прегряване или късо съединение.

С интелигентното си армиране от влакна, което минимизира деформацията, ниската абсорбция на влага и плътността, плюс устойчивост на износване, Карбонови влакна PA12-CF на QIDI Tech предоставя отлично решение на проблемите с крехкостта, топлопроводимостта и абразивността, пред които са изправени стандартните въглеродни композити. Това позволява да се възползват от повече от споменатите предимства с по-малко типични недостатъци.

Съвети за 3D печат с въглеродни влакна

Разгледахме предисторията, видовете, факторите за пригодност и компромисите на подсилените въглеродни влакна. Сега нека разгледаме по-подробно успешното печатане с този специален материал, използвайки настолни 3D принтери. Следвайте тези съвети и най-добри практики за безпроблемно и ефективно използване на въглеродни влакна.

• Бавни скорости на печат: Твърдият материал е устойчив на лесно течене, така че намалете скоростта с 30-50%, за да улесните екструдирането. 45-80 мм/с работи добре.
• Максимизиране на температурите на печат:Топлината омекотява потока на филамента от дюзата, така че натиснете до горните граници на безопасността на вашия хотенд за по-лесно екструдиране, без риск от засядане. 250‒320 ̊C е идеално.
• Затворена отопляема камера: Изолирайте зоната за печат и осигурете допълнително отопление, за да поддържате високи температури на околната среда. 3D принтери QIDI Tech разполагат с усъвършенствана затворена камера с активен контрол на нагряването. Това допълнително улеснява потока и предотвратява деформацията на детайлите. Препоръчва се температура 50-80 °C.
• Активиране на настройките за отдръпване:Издърпайте леко нишката назад между движенията на печат, за да смекчите проблемите с оплитането, произтичащи от прекомерното протичане, характерно за твърдите композити.
• Перфектно нивелирано легло: Проверете отново дали първият слой е смачкан и платформата е нивелирана, за да осигурите правилно сцепление на въглеродните влакна с намаленото сцепление на леглото в сравнение с други пластмаси.

Вземете предвид променливите от материалознанието, което стои зад въглеродните влакна, итерирайте въз основа на тестови отпечатъци и постигането на красиви, здрави, подсилени отпечатъци става все по-лесно с течение на времето чрез практиката.

Отключете потенциала на въглеродните влакна за вашите нужди от 3D печат!

Въглеродните влакна отварят нови възможности за 3D печат за леки, издръжливи и топлоустойчиви части, невъзможни с обикновените пластмаси. Въпреки че не са толкова прости, колкото стандартните материали, въглеродните влакна отварят врати за разработване на персонализирани решения, отговарящи на специфични изисквания, които базовите пластмаси не могат да постигнат. С появата на все повече подсилени филаменти, възползвайте се от тях, като проучите опции, надстроите принтерите, оптимизирате профилите чрез повторение и в крайна сметка откриете идеалните параметри за нуждите на вашето приложение.

Често задавани въпроси за въглеродните влакна за 3D печат

В: Колко здрава е нишката от въглеродни влакна?

A: Карбонните влакна могат да бъдат 5 пъти по-здрави от стоманата и алуминия по тегло. Частите, отпечатани с карбонни влакна, предлагат изключителна издръжливост и устойчивост на натоварване, като същевременно запазват много лека обща маса.

В: Как съхранявате въглеродни влакна?

A: Съхранявайте въглеродните влакна на хладно и сухо място, далеч от влага. Идеалните условия за съхранение са около 18-25°C и 35-55% относителна влажност. Избягвайте температурни колебания и пряка слънчева светлина.

В: По-добри ли са 3D-принтираните въглеродни влакна от ABS?

A: Да, въглеродните влакна обикновено са по-здрави и по-твърди от ABS пластмасата. Те също така имат по-ниско термично разширение, по-добра устойчивост на топлина и подобрено визуално качество с по-малко видими линии на слоевете. Недостатъкът е, че въглеродните влакна са по-крехки.

В: Струва ли си 3D печатът с въглеродни влакна?

A: За приложения, изискващи висока якост, ниско тегло, размерна стабилност и устойчивост на топлина, въглеродните влакна могат да позволят решения, които не са възможни с обикновените пластмаси, така че си струва да се проучи. Това изисква по-оптимизирани принтери и предварително зададени настройки.

В: Безопасно ли е да се печата върху въглеродни влакна?

A: С подходящи дюзи и подобрения на машината за работа с абразивния материал, печатът с въглеродни влакна е безопасен. Препоръчва се правилна вентилация, както при всеки 3D печатащ материал.

В: По-здрав ли е филаментът от въглеродни влакна от PLA?

A: Да, филаментите, подсилени с въглеродни влакна, са много по-здрави от стандартния PLA по отношение на якост на опън, твърдост и максимална товароносимост.

Прочетете още

• QIDI Нови филаменти
• Видове филаменти за 3D принтери: Пълно ръководство (2024)
• 3D принтер с филамент срещу смола: Ръководство за начинаещи