3D -udskrivning med kulfiberfilament: Ultimate Guide

Kulfiberfilament er et nyt materiale, der skaber bølger inden for 3D-printning og additiv fremstilling. Som navnet antyder, inkorporerer den kulfiber - en solid og let fiber, der bruges i luftfart og sport og er lavet af tynde kulfibertråde. Dette gør det muligt for kulfiberfilament at producere 3D-printede dele med exceptionel holdbarhed, der stadig er lette. Men hvad er kulfiberfilament præcist, og hvorfor bør de, der er involveret i 3D-printning, være interesserede i det? Lad os starte med det grundlæggende.

Historie og fremstilling af kulfiberfilament

Mens 3D-printbar kulfiberfilament først nu er ved at dukke op, blev fundamentet lagt igen. i slutningen af 1950'erne. Dette var den tidligste udforskning af lagdeling og vævning af kulfiber i forstærkede harpiksmaterialer. Spol frem til 1981 - Industrien producerede de allerførste kompositcykler og golfkøller ved hjælp af tynde kulfibre for hidtil uset letvægtsstyrke.

I de senere år, Producenter har udnyttet de samme principper til at udvikle specialkulfiberfilamenter, der er kompatible med stationære 3D-printere. Produktionsprocessen justerer lange kulfibertråde i et polymerbaseret materiale som ABS eller nylon. 3D-printning bygger derefter dele ved at lægge det kulfiberinfunderede materiale lag for lag i henhold til digitale designs.

Kulfiberen øger ikke kun styrke og stivhed, samtidig med at den reducerer vægten - dens lave termiske udvidelseskoefficient hjælper med at bekæmpe problemer med vridning og dimensionsnøjagtighed forbundet med temperaturudsving. Denne unikke blanding af egenskaber muliggør mere funktionelt 3D-printet værktøj inden for bilindustrien, luftfart og endda sportsudstyr, hvor traditionelle materialer ikke lever op til forventningerne.

Typer af kulfiberfilament

Nu hvor vi har dækket det grundlæggende om, hvordan 3D-printbare kulfiberfilamenter udviklede sig fra kompositmaterialer til luftfart, lad os gennemgå de specifikke typer, der er tilgængelige i dag. Der er et par kernevarianter, der adskiller sig ved kulfiberlængde og forstærkningsmetode.

1. Kort kulfiberfilament

Som navnet antyder, Kulfibrene i dette filament er små og måler generelt omkring 0,1-0,7 mm i længden. Tænk på korte lokker versus længere hårlignende lokker.

Den korte længde forbedrer ekstrudering og den samlede printproceskvalitet. Men det har nogle ulemper sammenlignet med længere kulfiberfilamenter. På den positive side fordeler den korte kulfiber sig jævnt og forudsigeligt gennem printlagene uden risiko for, at fibrene klynger sig sammen i pletter. Isotrope egenskaber betyder også, at delene har lignende styrker i alle retninger.

Ulemperne ved at bruge korte kulfiberfilamenter inkluderer mindre dramatiske styrkeforbedringer i forhold til andre kompositmaterialer, samt mere synlige laglinjer på skrånende kurver eller vinkler. De korte tråde har simpelthen mindre forstærkningspotentiale end længere muligheder.

2. Lang kulfiberfilament

Tro mod navnet igen, Lange kulfiberfilamenter bruger flere hårlignende kulfibertråde, der måler cirka 6-12 mm i længden. De længere fibre giver mulighed for større forstærkning, men har et øget potentiale for ujævn spredning, hvis de ikke optimeres korrekt.

Fordelene inkluderer exceptionelle styrke-til-vægt-forhold, der afspejler mere ensrettet kulfiberforstærkning. Anisotrope egenskaber betyder også bemærkelsesværdige styrkeforbedringer, primært i overensstemmelse med printlagets retning, versus mere kompromitterede egenskaber ved vinkelrette vinkler. Mindre lagsynlighed forbedrer også overfladefinishen på kurver og print af høj kvalitet.

Ulemper involverer primært øget omhu for at forhindre tilstopninger i dyserne og ujævn klumpning, når de længere tråde vikles eller sammenfiltres. Det er også vanskeligere at finde optimale indstillinger og konfigurationer. Den dramatiske retningsbestemte styrkeforskel kræver, at man tager belastningsretningen i betragtning ved design af funktionelle dele.

3. Forstærket kulfiberfilament

Forstærkede kulfiberfilamenter har en hybrid tilgang - de blander basisplast som ABS og nylon med meget korte kulfibre for at opnå spredt styrke og tilføjer derefter yderligere kontinuerlige kulfibertråde for endnu mere forstærkning.

Dette muliggør stærk mekanisk ydeevne svarende til rene lange fiberfilamenter takket være de manuelle fibertråde. Men det undgår uforudsigelige problemer med klumpning, da basismaterialet allerede har en jævnt fordelt kortfiberforstærkning som fundament.

Som følge heraf, Forstærkede blandinger letter udskrivningen, samtidig med at de optimerer styrke og visuel kvalitet for mere uerfarne brugere. Denne lethed kommer dog med nogle kompromiser i forhold til maksimal mulig styrke versus rene lange fiberfilamenter. Men til de fleste anvendelser giver hybridtilgangen en ideel balance.

Kan enhver 3D-printer bruge kulfiberfilament?

Kulfiberfilamenter kan være specielt konstrueret til 3D-printning, men ikke alle desktopprintere kan nødvendigvis bruge dem direkte fra æsken. Det hårde, slibende materiale stiller nogle unikke krav. Lad os gennemgå faktorer, der gør printeren egnet, og eventuelle ændringer, der er nødvendige for at bruge kulfiberfilament.

1. Printerens egnethed til kulfiberfilament

På grund af materialets slidstyrke og tendens til langsomt, men sikkert at erodere vitale komponenter, kræver kulfiberfilament printere lavet med kompatible, hærdede dele blot for at kunne håndtere grundlæggende funktionalitet:

• Hærdede ståldyser: Standard messingdyser slides hurtigt under slid fra de stive kulfibre, hvilket risikerer impedans eller totalt dysesvigt. Hærdet stål er stort set påkrævet.
• Lukket ramme: Eksponerede Bowden-rør slides også med tiden, hvilket forårsager fremføringsproblemer eller mislykkede udskrifter. Lukkede rammer beskytter rørene.
• Forstærket ekstrudergear: Fremføringsstivhed kræver ekstrudergear lavet af slidbestandige metaller for at opretholde grebet uden at afstrippe.
• Opvarmede senge: Problemer med vridning og vedhæftning af printlejet nødvendiggør opvarmede printlejer, der kan klare 100°C+, for bedre trækkraft i det første lag.

Printere, der mangler disse minimumsspecifikationer, kan ikke pålideligt udskrive funktionelle kulfiberdele direkte fra æsken, uden at komponenterne slides ned og svigter meget hurtigt på grund af sliddet.QIDI Tech 3D-printere har dyser i både messing og hærdet stål. Dette giver brugerne mulighed for at printe standard- og kulfiberfilamenter uden at skulle foretage ændringer eller tilføjelser.

2. Nødvendige ændringer for brug af kulfiberfilament

For printere uden installerede hærdede komponenter, men som ellers er teknisk kompatible, er alt håb ikke ude. Nogle modifikationer muliggør arbejde med kulfiber:

• Dyseskift: Udskift standarddyser med hærdet stål.
• Bowden- og stelbeskyttelse: Tilføj forholdsregler som f.eks. muffer til at afskærme rør og forlængere.
• Opgraderinger af ekstrudergear: Skift standardgear ud med metalalternativer på lang sigt.
• Overfladeforberedelse: Yderligere klæbeløsninger kan nogle gange kompensere for manglen på opvarmede lejer.

Med omhu og gradvise opgraderinger for at beskytte komponenter, der slides mest, bliver kulfiberprint mere rentabelt. Men for at opnå de nemmeste resultater og vedvarende pålidelighed, fjerner valget af specialbyggede desktopprintere med indbygget beskyttelse besvær og frustration, når man arbejder med ustabile kulfiberfilamenter.

Hvorfor vælge kulfiberfilament til 3D-printning?

Nu hvor vi har dækket fremstillingsprocesserne, typerne af kulfiberfilamenter og overvejelser om printerkompatibilitet, lad os undersøge beslutningspunktet - hvorfor bruge kulfiberfilament versus mere traditionelle 3D-printmaterialer? Hvilke unikke fordele og ulemper er der ved forstærkede kulfiberfilamenter?

1. Fordele ved at bruge kulfiberfilament

Kulfiberkompositter giver fire hovedfordele, som ikke kan matches af baseline-plast:

• Styrke og stivhed:Med styrke-til-vægt-forhold, der overstiger selv metaller som stål og aluminium med op til 5 gange, tilbyder kulfiberprintede dele bemærkelsesværdig holdbarhed og belastningsmodstand, samtidig med at de bevarer en meget let samlet masse.
• Dimensionsstabilitet: Ekstremt lav termisk udvidelseskoefficient takket være den stive kulfiberforstærkning betyder, at trykte dele holder præcise tolerancer over et bredt delta af omgivelsestemperaturer uden at udvide sig eller trække sig sammen med mere end 1%.
• Visuel kvalitet: Kulfibertrådene forbedrer det første lags trækkraft og den efterfølgende vedhæftning mellem printlagene. Dette supplerer dimensionsstabiliteten med en smuk visuel lagbindingskvalitet uden synlige trin og forbedrede overfladefinisher.
• Varme- og flammemodstand: Kulfiber, der allerede anvendes inden for luftfart og motorsport, omdannes med sin høje kemiske resistens til trykte dele, der kan modstå ekstremt høje temperaturer på over 150 °C, før de blødgøres, samt opnår ikke-brandbare egenskaber.

Fra ekstrem letvægtsstyrke til modstandsdygtighed over for temperatur- eller kemisk nedbrydning muliggør kulfiberfilamenter anvendelser langt ud over almindelige anvendelser. PLA og ABS udskriver gennem egenskaber, der simpelthen ikke findes i husholdningsplast.

2. Ulemper ved kulfiberfilament

At realisere disse eftertragtede præstationsfordele kommer dog også med nogle praktiske ulemper, man skal overveje:

• Slidstyrke: De robuste kulfibertråde nedbryder hurtigt dyser, gear og komponenter, der ikke er specielt hærdede, hvilket begrænser bred printerkompatibilitet og delenes levetid.
• Sprødhed og stivhed: Selvom de er stærke og stive, mangler kulfiberkompositter fleksibilitet og slagfasthed. Til sammenligning svigter de pludseligt under for meget kraft i stedet for at bøje midlertidigt som ABS eller nylon.
• Ledningsevne: Den høje termiske og elektriske ledningsevne kan komplicere lukket udskrivning i mangel af termisk styring og risikere overophedning eller kortslutninger.

Med sin smarte fiberforstærkning minimerer den vridning, lav fugtabsorption og densitet, plus slidstyrke, QIDI Techs PA12-CF kulfiberfilament giver en fremragende løsning på problemer med sprødhed, varmeledningsevne og slidstyrke, som standard kulstofkompositter står over for. Dette gør det muligt at udnytte flere af de nævnte fordele med færre af de typiske ulemper.

Tips til 3D-printning med kulfiberfilament

Vi har dækket baggrunden, typerne, egnethedsfaktorerne og afvejningerne ved forstærkede kulfiberfilamenter. Lad os nu dykke ned i, hvordan man printer med dette specielle materiale ved hjælp af stationære 3D-printere. Følg disse tips og bedste praksisser for problemfri og effektiv brug af kulfiberfilamenter.

• Langsomme udskrivningshastigheder ned: Det stive materiale flyder ikke let, så reducer hastighederne med 30-50% for at lette ekstruderingen. 45-80 mm/s fungerer godt.
• Maksimer udskrivningstemperaturer:Varme blødgør filamentstrømmen fra dysen, så skub til den øvre grænse for din hot endes sikkerhedsklassificering for nemmere ekstrudering uden risiko for blokeringer. 250‒320 ̊C er ideelt.
• Lukket opvarmet kammer: Isoler udskriftsområdet, og tilfør ekstra varme for at holde den omgivende temperatur høj. QIDI Tech 3D-printere har et avanceret lukket kammer med aktiv varmestyring. Dette letter yderligere flowet og forhindrer, at delene vrider sig. 50-80 °C anbefales.
• Aktivér tilbagetrækningsindstillinger:Træk filamentet let tilbage mellem printbevægelser for at afbøde problemer med snore, der stammer fra den overdrevne sivening, der er almindelig fra stive kompositmaterialer.
• Perfekt plan seng: Verificer det første lags klemning og platformens nivellering for at sikre korrekt vedhæftning for kulfiberens reducerede trækkraft i forhold til andre plasttyper.

Medregn variabler fra materialevidenskaben bag kulfiber, iterer baseret på testprint, og det bliver nemmere at opnå smukke, stærke, forstærkede print over tid gennem øvelse.

Frigør kulfibers potentiale til dine 3D-printbehov!

Kulfiber åbner op for nye 3D-printmuligheder for lette, holdbare og varmebestandige dele, hvilket er umuligt med almindelig plast. Selvom det ikke er så simpelt som standardmaterialer, åbner kulfiber døre for udvikling af skræddersyede løsninger, der opfylder særlige krav, som basisplast ikke kan opfylde. Efterhånden som flere forstærkede filamenter dukker op, kan du drage fordel af at undersøge muligheder, opgradere printere, optimere profiler gennem gentagelse og i sidste ende finde de ideelle parametre til dine applikationsbehov.

Ofte stillede spørgsmål om kulfiberfilament til 3D-printning

Q: Hvor stærk er kulfiberfilament?

A: Kulfiberfilament kan være 5 gange stærkere end stål og aluminium efter vægt. Dele trykt med kulfiberfilament tilbyder enestående holdbarhed og belastningsmodstand, samtidig med at de bevarer en meget let samlet masse.

Q: Hvordan opbevarer man kulfiberfilamenter?

A: Opbevar kulfiberfilament et køligt, tørt sted væk fra fugt. Ideelle opbevaringsforhold er omkring 18-25 °C og 35-55 % relativ luftfugtighed. Undgå temperatursvingninger og direkte sollys.

Q: Er 3D-printet kulfiber bedre end ABS?

A: Ja, kulfiberfilament er generelt stærkere og mere stift end ABS-plast. Det har også lavere termisk udvidelse, bedre varmebestandighed og forbedret visuel kvalitet med mindre synlige laglinjer. Ulempen er, at kulfiber er mere sprødt.

Q: Er 3D-printning med kulfiber det værd?

A: Til anvendelser, der kræver høj styrke, lav vægt, dimensionsstabilitet og varmebestandighed, kan kulfiber muliggøre løsninger, der ikke er mulige med almindelig plast, så det er værd at undersøge. Det kræver mere optimerede printere og indbyggede indstillinger.

Q: Er det sikkert at printe på kulfiber?

A: Med korrekte dyse- og maskinopgraderinger til at håndtere det slibende materiale er printning af kulfiberfilament sikkert. Korrekt ventilation anbefales som med alt 3D-printmateriale.

Q: Er kulfiberfilament stærkere end PLA?

A: Ja, kulfiberforstærkede filamenter er meget stærkere end standard PLA med hensyn til trækstyrke, stivhed og maksimal bæreevne.

Læs mere

• QIDI Nye Filamenter
• 3D-printerfilamenttyper: En komplet guide (2024)
• 3D-printerfilament vs. resin: Begyndervejledning