3D -udskrivning med kulfiberfilament: Ultimate Guide

Kulfiberfilament er et nyt materiale, der laver bølger i 3D-print og additiv fremstilling. Som navnet antyder, indeholder den kulfiber - en solid og let fiber, der bruges i rumfart og sport og lavet af tynde kulstoftråde. Dette gør det muligt for kulfiberfilament at producere 3D-printede dele med enestående holdbarhed, som stadig er lette. Men hvad er kulfiberfilament helt præcist, og hvorfor skal de, der er involveret i 3D-print, passe på? Lad os starte med det grundlæggende.

Historie og fremstilling af kulfiberfilament

Mens 3D-printbare kulfiberfilamenter lige dukker op nu, var grundlaget lagt tilbage i slutningen af ​​1950'erne. Dette så den tidligste udforskning af lagdeling og vævning af kulfiber til forstærkede harpiksmaterialer. Spol frem til 1981 - industrien producerede de allerførste kompositcykler og golfkøller ved hjælp af tynde kulfiber for en hidtil uset letvægtsstyrke.

I de senere år har producenter har udnyttet de samme principper for at udvikle specialkulfiberfilamenter, der er kompatible med desktop 3D-printere. Produktionsprocessen justerer lange kulfiberstrenge i et polymert basismateriale som ABS eller nylon. 3D-print bygger derefter dele ved at lægge det kulfiber-infunderede materiale ned lag for lag i henhold til digitale designs.

Kulfiberen styrker ikke kun styrke og stivhed, mens den reducerer vægten - dens lave termiske udvidelseskoefficient hjælper med at bekæmpe vridning og dimensionelle nøjagtighedsproblemer forbundet med temperaturudsving. Denne unikke blanding af egenskaber muliggør mere funktionel 3D-printet værktøj i bilindustrien, rumfart og endda sportsartikler, hvor traditionelle materialer kommer til kort.

Typer af kulfiberfilamenter

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

1. Kort kulfiberfilament

Som navnet antyder, kulfibrene i denne filament er små og måler generelt omkring 0,1-0,7 mm i længden. Tænk på korte tråde kontra længere hårlignende tråde.

Den korte længde hjælper med ekstrudering og overordnet printproceskvalitet. Men det kommer med nogle afvejninger sammenlignet med længere kulfiberfilamenter. På plussiden spredes den korte kulfiber jævnt og forudsigeligt gennem printlagene uden risiko for, at fibrene klumper sig i pletter. Isotropiske egenskaber betyder også, at dele har lignende styrker i alle retninger.

Ulemperne ved at bruge kort kulfiberfilament inkluderer mindre dramatiske styrkeforøgelser i forhold til andre kompositter, såvel som mere synlige laglinjer på skrå kurver eller vinkler. De korte tråde har simpelthen mindre forstærkningspotentiale end længere muligheder.

2. Lang kulfiberfilament

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

Fordele inkluderer exceptionelle styrke-til-vægt-forhold, der afspejler mere ensrettet kulfiberforstærkning. Anisotrope egenskaber betyder også bemærkelsesværdige styrkeforøgelser hovedsageligt i overensstemmelse med printlagets retning versus mere kompromitterede egenskaber ved vinkelrette vinkler. Mindre lagsynlighed forbedrer også overfladefinish på kurver og højkvalitetsprint.

Ulemper involverer primært øget omhu for at forhindre dysetilstopninger og ujævn sammenklumpning, når de længere tråde klumper sig eller filtres. Det er også sværere at finde optimale indstillinger og konfigurationer. Den dramatiske retningsmæssige styrkeforspænding kræver, at man overvejer belastningsretningen, når man designer funktionelle dele.

3. Forstærket kulfiberfilament

Forstærkede kulfiberfilamenter tager en hybrid tilgang - infusion af basisline-plast som ABS og nylon med meget korte kulfibre for spredt styrke, og tilføjer derefter yderligere kontinuerlige kulfiberstrenge for endnu mere forstærkning.

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

Som følge heraf forstærkede blandinger letter udskrivningen og optimerer samtidig styrke og visuel kvalitet for mere nybegyndere. Letheden kommer med nogle afvejninger i maksimal mulig styrke i forhold til rene lange fiberfilamenter. Men for de fleste applikationer bringer den hybride tilgang en ideel balance.

Kan enhver 3D-printer bruge kulfiberfilament?

Kulfiberfilamenter kan være specielt udviklet til 3D-udskrivningsunderstøttelse, men ikke alle desktopprintere kan nødvendigvis bruge dem ud af kassen. Det hårde, slibende materiale stiller nogle unikke krav. Lad os nedbryde printerens egnethedsfaktorer og eventuelle ændringer, der er nødvendige for at bruge kulfiberfilament.

1. Printer egnethed til kulfiberfilament

Takket være materialets slibeevne og tendens til langsomt, men sikkert at erodere vitale komponenter, kræver kulfiberfilament printere lavet med kompatible hærdede dele for blot at håndtere grundlæggende funktionalitet:

• Dyser i hærdet stål: Standard messingdyser slides hurtigt ned under slid fra de stive kulfibre, hvilket risikerer impedans eller total dysefejl. Hærdet stål er næsten påkrævet.
• Indkapslet ramme: Udsatte Bowden-rør slides også med tiden, hvilket forårsager problemer med indføringen eller mislykkede udskrifter. Lukkede rammer beskytter rør.
• Forstærket ekstrudergear: Fodringsstivhed kræver ekstrudergear lavet af slidbestandige metaller for at bevare grebet uden at blive strippet.
• Opvarmede senge: Problemer med vridning og vedhæftning af sengen nødvendiggør opvarmede printbede, der er i stand til 100 ̊C+ for bedre førstelags trækkraft.

Printere, der mangler disse minimumsspecifikationer, kan ikke pålideligt printe funktionelle kulfiberdele ud af æsken, uden at komponenter slides ned til fejl meget hurtigt på grund af slid.QIDI Tech 3D-printere inkluderer både messing- og hærdet ståldyser. Dette giver brugerne mulighed for at udskrive standard- og kulfiberfilamenter uden at skulle foretage ændringer eller tilføjelser.

2. Nødvendige ændringer til brug af kulfiberfilament

For printere uden hærdede komponenter installeret, men ellers teknisk dygtige, er alt håb ikke ude. Nogle ændringer gør det muligt at arbejde med kulfiber:

• Dyseskift: Udskift standarddyser med hærdet stål.
• Bowden og rammebeskyttelse: Tilføj forholdsregler som sleeving for at afskærme rør og forlængelser.
• Ekstruder Gear Opgraderinger: Skift standard gear med metalalternativer på lang sigt.
• Overfladeforberedelse: Yderligere klæbeløsninger kan nogle gange kompensere for manglen på opvarmede senge.

Med omhu og gradvise opgraderinger for at beskytte komponenter, der bliver slidt mest, bliver kulfiberudskrivning mere levedygtig.Men for de nemmeste resultater og vedvarende pålidelighed fjerner valget af specialbyggede desktopprintere med integreret beskyttelse indbygget besvær og frustration, når du arbejder med temperamentsfulde kulfiberfilamenter.

Hvorfor vælge kulfiberfilament til 3D-print?

Nu hvor vi har dækket fremstillingsprocesserne, typer af kulfiberfilamenter og printerkompatibilitetsovervejelser, lad os undersøge beslutningspunktet - hvorfor bruge kulfiberfilament kontra mere traditionelle 3D-printmaterialer? Hvilke unikke fordele og ulemper følger med forstærkede kulfiberfilamenter?

1. Fordele ved at bruge kulfiberfilament

Kulfiberkompositter bringer fire hovedfordele, som ikke kan matches af baseline-plastik:

• Styrke og stivhed:Med styrke-til-vægt-forhold, der overstiger selv metaller som stål og aluminium med op til 5X, giver kulfiberprintede dele en bemærkelsesværdig holdbarhed og belastningsmodstand, mens 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 omgivende temperaturer uden at udvide eller trække sig sammen med mere end 1 %.
• Visuel kvalitet: Kulfiberstrengene forbedrer førstelags trækkraft og efterfølgende vedhæftning mellem printlagene. Dette supplerer dimensionsstabiliteten med en smuk visuel lagbindingskvalitet, der mangler synlige trin og forbedrede overfladefinisher.
• Varme- og flammemodstand: Kulfibers høje kemiske resistens, der allerede bruges i rumfart og motorsport, konverteres til trykte dele, der modstår ekstremt høje temperaturer på over 150°C før blødgøring samt ikke-brændbare egenskaber.

Fra at udnytte ekstrem letvægtsstyrke til at modstå temperatur eller kemisk nedbrydning muliggør kulfiberfilamenter applikationer langt ud over det normale PLA og ABS udskriver gennem egenskaber, der simpelthen ikke findes i husholdningsplast.

2. Ulemper ved Carbon Fiber Filament

Men at indse disse eftertragtede præstationsfordele kommer med nogle praktiske ulemper at overveje også:

• Slibeevne: De robuste kulfiberstrenge eroderer hurtigt dyser, gear og komponenter, der ikke er specielt hærdede, hvilket begrænser bred printerkompatibilitet og deles levetid.
• Skørhed og stivhed: Selvom de er stærke og stive, mangler kulfiberkompositter fleksibilitet og slagfasthed, til sammenligning fejler de pludseligt under for meget kraft i stedet for at bøje sig midlertidigt som ABS eller nylon.
• Ledningsevne: Den høje termiske og elektriske ledningsevne kan komplicere lukket udskrivning i mangel af termiske styringer, risikerer overophedning eller kortslutning.

Med sin smarte fiberforstærkning, der minimerer vridning, lav fugtabsorption og tæthed, plus slidstyrke, QIDI Techs PA12-CF kulfiberfilament giver en fremragende løsning på problemerne med skørhed, termisk ledningsevne og slibeevne, som standard kulstofkompositter står over for. Dette gør det muligt at fange flere af de nævnte fordele med færre af de typiske ulemper.

Tips til 3D-print med kulfiberfilament

Vi har dækket baggrunden, typer, egnethedsfaktorer og afvejninger af forstærkede kulfiberfilamenter. Lad os nu se nærmere på succesfuld udskrivning med dette specielle materiale ved hjælp af desktop 3D-printere.Følg disse tips og bedste praksis for jævn, effektiv brug af kulfiberfilament.

• Langsom udskrivningshastighed ned: Det stive materiale modstår let at flyde, så reducer hastighederne 30-50% for at lette ekstruderingen. 45-80 mm/s fungerer godt.
• Maksimer udskriftstemperaturer:Varme blødgør filamentstrømmen fra dysen, så skub til de øvre grænser af din varme endes sikkerhedsklassificering for nemmere ekstrudering uden at risikere at det sidder fast. 250‒320 ̊C er ideelt.
• Lukket opvarmet kammer: Isoler printområdet og indfør supplerende varme for at holde omgivelsestemperaturerne høje. QIDI Tech 3D-printere har et avanceret lukket kammer med aktiv varmestyring. Dette letter flowet yderligere og forhindrer delevridning. 50-80 ̊C anbefales.
• Aktiver tilbagetrækningsindstillinger:Træk filamentet lidt tilbage mellem udskrivningsvandringerne for at afbøde problemer med snore, der stammer fra overskydende udsivning, der er almindeligt med stive kompositter.
• Niveau seng perfekt: Genbekræft førstelags squish- og platformsnivellering for at sikre korrekt klæbeevne for kulfibers formindskede lejetræk i forhold til anden plast.

Indregn variabler fra materialevidenskaben bag kulfiber, gentag baseret på testprint, og opnåelse af smukke stærke forstærkede print bliver lettere over tid gennem praksis.

Lås op for kulfibers potentiale til dine 3D-udskrivningsbehov!

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

Ofte stillede spørgsmål om kulfiberfilament til 3D-print

Q: Hvor stærk er kulfiberfilament?

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

Q: Hvordan opbevarer du kulfiberfilamenter?

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

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

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

Spørgsmål: Er 3D-udskrivning af kulfiber det værd?

A: Til applikationer, 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 opkaldte indstillinger.

Q: Er det sikkert at udskrive på kulfiber?

A: Med korrekte dyse- og maskinopgraderinger til at håndtere det slibende materiale er udskrivning af kulfiberfilament sikkert. Korrekt ventilation anbefales som med ethvert 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 vejledning (2024)
• 3D Printer Filament vs Resin: Begyndervejledning