3D -printimine süsinikkiu hõõgniidiga: ülim juhend

Süsinikkiudfilament on uudne materjal, mis tekitab laineid 3D-printimises ja lisandite tootmises. Nagu nimigi ütleb, sisaldab see süsinikkiudu – tahket ja kerget kiudu, mida kasutatakse lennunduses ja spordis ning mis on valmistatud õhukestest süsinikkiududest. See võimaldab süsinikkiust filamendil toota erakordse vastupidavusega 3D-prinditud osi, mis on endiselt kerged. Mis aga täpselt on süsinikkiudfilament ja miks peaksid 3D-printimisega tegelejad sellest hoolima? Alustame põhitõdedest.

Süsinikkiudfilamentide ajalugu ja tootmine

Kuigi 3D-prinditav süsinikkiust hõõgniit on alles tekkimas, pandi alus tagasi 1950. aastate lõpus. Nii hakati kõige varasemalt uurima süsinikkiu kihistamist ja kudumist tugevdatud vaigumaterjalideks. Kiirelt edasi 1981. aastasse - tööstus tootis kõige esimesed komposiitjalgrattad ja golfikepid, milles kasutati õhukesi süsinikkiude enneolematult kerge tugevuse saavutamiseks.

Viimastel aastatel tootjad on kasutanud samu põhimõtteid, et töötada välja spetsiaalsed süsinikkiust kiud, mis ühilduvad lauaarvuti 3D-printeritega. Tootmisprotsessis joondatakse pikad süsinikkiust kiud polümeerse alusmaterjaliga, nagu ABS või nailon. Seejärel koostab 3D-printimine osad, asetades süsinikkiuga infundeeritud materjali kiht-kihilt vastavalt digitaalsele disainile.

Süsinikkiud mitte ainult ei suurenda tugevust ja jäikust, vähendades samal ajal kaalu - selle madal soojuspaisumise koefitsient aitab võidelda temperatuurikõikumistega seotud deformatsiooni ja mõõtmete täpsuse probleemidega. See ainulaadne omaduste kombinatsioon võimaldab kasutada funktsionaalsemaid 3D-prinditud tööriistu autotööstuses, kosmosetööstuses ja isegi spordikaupades, kus traditsioonilised materjalid on puudulikud.

Süsinikkiudfilamentide tüübid

Nüüd, kui oleme käsitlenud põhitõdesid selle kohta, kuidas 3D-prinditav süsinikkiust hõõgniit lennundus- ja kosmosekvaliteediga komposiitidest arenes, käsitleme täna saadaolevaid konkreetseid tüüpe. Süsinikkiu pikkuse ja tugevdusmeetodi järgi eristatakse mõningaid põhilisi sorte.

1. Lühike süsinikkiudfilament

Nagu nimigi ütleb, selles filamendis sisalduvad süsinikkiud on väikesed ja nende pikkus on üldiselt umbes 0,1–0,7 mm. Mõelge lühikestele kiududele võrreldes pikemate juustetaoliste salgudega.

Lühike pikkus aitab kaasa ekstrusioonile ja üldisele printimisprotsessi kvaliteedile. Kuid see sisaldab mõningaid kompromisse võrreldes pikemate süsinikkiust filamentidega. Positiivne on see, et lühike süsinikkiud hajub ühtlaselt ja etteaimatavalt läbi prindikihtide, ilma et oleks oht, et kiud koonduvad laigudesse. Isotroopsed omadused tähendavad ka seda, et osadel on igas suunas sarnane tugevus.

Lühikese süsinikkiust hõõgniidi kasutamise negatiivsed küljed hõlmavad vähem dramaatilist tugevuse kasvu võrreldes teiste komposiitmaterjalidega, samuti nähtavamaid kihijooni kaldus kõveratel või nurkadel. Lühikestel kiududel on lihtsalt vähem tugevduspotentsiaali kui pikematel valikutel.

2. Pikk süsinikkiudfilament

Jälle nimele truuks, pikkades süsinikkiust filamentides kasutatakse rohkem karvasarnaseid süsinikkiust kiude, mille pikkus on ligikaudu 6–12 mm. Pikemad kiud võimaldavad suuremat tugevdamist, kuid neil on suurem võimalus ebaühtlaseks hajutamiseks, kui neid ei optimeerita õigesti.

Plusside hulka kuuluvad erakordsed tugevuse ja kaalu suhted, mis peegeldavad ühesuunalisemat süsinikkiust tugevdamist. Anisotroopsed omadused tähendavad ka märkimisväärset tugevuse suurenemist, mis on peamiselt kooskõlas trükikihi suunaga, võrreldes risti nurga all olevate halvemate omadustega. Väiksem kihtide nähtavus parandab ka kõverate pinnaviimistlust ja kvaliteetseid väljatrükke.

Negatiivsed küljed hõlmavad peamiselt suuremat hoolt, et vältida düüside ummistumist ja ebaühtlast kokkukleepumist, kui pikemad kiud kimbuvad või sassi lähevad. Optimaalsete sätete ja konfiguratsioonide leidmine on samuti keerulisem. Dramaatiline suunatugevuse nihe nõuab funktsionaalsete osade projekteerimisel koormuse suuna arvestamist.

3. Tugevdatud süsinikkiudfilament

Tugevdatud süsinikkiust kiududel on hübriidne lähenemine – baasplastidesse, nagu ABS ja nailon, lisatakse hajutatud tugevuse tagamiseks väga lühikesi süsinikkiude, seejärel lisatakse täiendavaid pidevaid süsinikkiust kiude, et veelgi tugevdada.

Tänu käsitsi valmistatud kiududele võimaldab see tugevat mehaanilist jõudlust, mis sarnaneb puhaste pikkade kiududega. Kuid see väldib ettearvamatuid kokkukleepumist, kuna alusmaterjalil on vundamendina juba ühtlaselt hajutatud lühike kiudarmeering.

Selle tulemusena tugevdatud segud hõlbustavad printimist, optimeerides samal ajal tugevust ja visuaalset kvaliteeti algajatele kasutajatele. Lihtsusega kaasnevad mõningad kompromissid maksimaalse võimaliku tugevuse ja puhaste pikkade kiudude vahel. Kuid enamiku rakenduste jaoks loob hübriidmeetod ideaalse tasakaalu.

Kas iga 3D-printer saab kasutada süsinikkiudfilamenti?

Süsinikkiudfilamendid võivad olla spetsiaalselt konstrueeritud 3D-printimise toetamiseks, kuid mitte kõik lauaarvutiprinterid ei saa neid tingimata kasutada. Tugev, abrasiivne materjal esitab unikaalseid nõudmisi. Jaotame printeri sobivuse tegurid ja kõik süsinikkiust hõõgniidi kasutamiseks vajalikud muudatused.

1. Printeri sobivus süsinikkiudfilamendi jaoks

Tänu materjali abrasiivsusele ja kalduvusele aeglaselt, kuid kindlalt hävitada elutähtsaid komponente, vajavad süsinikkiudfilament printerid, mis on valmistatud ühilduvate karastatud osadega, et täita põhifunktsioone:

• Karastatud terasest düüsid: Standardsed messingist pihustid kuluvad jäikade süsinikkiudude hõõrdumise tõttu kiiresti, riskides impedantsi või düüsi täieliku rikkega. Karastatud teras on kõik peale kohustuslik.
• Suletud raam: Ka paljastatud Bowdeni torud kuluvad aja jooksul, põhjustades söötmisprobleeme või ebaõnnestunud väljatrükke. Suletud raamid kaitsevad torusid.
• Tugevdatud ekstruuderi käik: Toitejäikuse tagamiseks on vaja kulumiskindlast metallist valmistatud ekstruuderi hammasrattaid, et säilitada haarduvust ilma eemaldamiseta.
• Soojendusega voodid: Väändumis- ja aluspinna nakkumise probleemid nõuavad esimese kihi parema veojõu tagamiseks kuumutatud prindialuseid, mis suudavad 100 ̊C+.

Printerid, millel need minimaalsed spetsifikatsioonid puuduvad, ei suuda funktsionaalseid süsinikkiust osi usaldusväärselt välja printida, ilma et komponendid kuluksid väga kiiresti kulumise tõttu rikki.QIDI Tech 3D-printerid sisaldavad nii messingist kui ka karastatud terasest otsikuid. See võimaldab kasutajatel printida standardseid ja süsinikkiust filamente, ilma et oleks vaja teha muudatusi või täiendusi.

2. Vajalikud muudatused süsinikkiudfilamendi kasutamiseks

Printerite puhul, millel pole paigaldatud karastatud komponente, kuid mis on muidu tehniliselt võimekad, pole lootus kadunud. Mõned muudatused võimaldavad töötada süsinikkiuga:

• Düüside vahetus: Asendage standarddüüsid karastatud terasega.
• Bowden ja raami kaitse: Lisage varjestustorudele ja pikendustele ettevaatusabinõusid, nagu ümbrised.
• Ekstruuderi varustuse versiooniuuendused: Vahetage standardsed käigud pikaks ajaks metalli alternatiivide vastu.
• Pinna ettevalmistamine: Täiendavad nakkelahendused võivad mõnikord kompenseerida soojendusega voodite puudumist.

Ettevaatliku ja järkjärgulise uuendamisega, et kaitsta kõige rohkem kuluvaid komponente, muutub süsinikkiust trükkimine elujõulisemaks.Kuid kõige lihtsamate tulemuste ja püsiva töökindluse huvides eemaldab sisseehitatud kaitsega spetsiaalselt ehitatud lauaprinterite valimine temperamentsete süsinikkiust filamentidega töötamisel tüli ja frustratsiooni.

Miks valida 3D-printimiseks süsinikkiudfilament?

Nüüd, kui oleme käsitlenud tootmisprotsesse, süsinikkiust filamentide tüüpe ja printeri ühilduvuse kaalutlusi, uurime otsustuspunkti – miks kasutada süsinikkiust filamenti võrreldes traditsioonilisemate 3D-printimismaterjalidega? Millised ainulaadsed eelised ja miinused kaasnevad tugevdatud süsinikkiust filamentidega?

1. Süsinikkiudfilamenti kasutamise eelised

Süsinikkiust komposiitmaterjalidel on neli peamist eelist, millele pole võrreldav algtaseme plastiga:

• Tugevus ja jäikus:Tänu tugevuse ja kaalu suhtele, mis ületab isegi metalle, nagu teras ja alumiinium, kuni 5 korda, pakuvad süsinikkiust trükitud osad märkimisväärset vastupidavust ja koormustaluvust, säilitades samas väga väikese üldmassi.
• Mõõtmete stabiilsus: Äärmiselt madal soojuspaisumise koefitsient tänu jäigale süsinikkiust tugevdusele tähendab, et trükitud osad säilitavad täpsed tolerantsid ümbritseva keskkonna temperatuuride laias deltas ilma, et need paisuksid või kokku tõmbuksid rohkem kui 1%.
• Visuaalne kvaliteet: Süsinikkiust kiud parandavad esimese kihi haardumist ja sellele järgnevat nakkumist trükikihtide vahel. See täiendab mõõtmete stabiilsust suurepärase visuaalse kihi sidumiskvaliteediga, millel puuduvad nähtavad sammud ja täiustatud pinnaviimistlus.
• Kuumus- ja leegikindlus: Kosmose- ja motospordis juba kasutatud süsinikkiu kõrge keemiline vastupidavus muundub trükitud osadeks, mis peavad enne pehmenemist vastu ülikõrgeid temperatuure üle 150 °C, samuti mittesüttivaid omadusi.

Süsinikkiudfilamendid võimaldavad kasutada äärmuslikult kerget tugevust kuni temperatuuri või keemilise lagunemise talumiseni. PLA ja ABS prindib läbi omadused, mida majapidamises kasutatavates plastides lihtsalt ei leidu.

2. Süsinikkiudfilamendi puudused

Nende ihaldatud jõudluseeliste realiseerimisel tuleb aga arvestada ka mõne praktilise varjuküljega:

• Abrasiivsus: Vastupidavad süsinikkiust kiud kulutavad kiiresti pihustid, hammasrattad ja spetsiaalselt karastamata komponendid, piirates printeri laialdast ühilduvust ja osade pikaealisust.
• Haprus ja jäikus: Kuigi süsinikkiust komposiitmaterjalid on tugevad ja jäigad, ei ole neil paindlikkust ja löögikindlust, kuid need ebaõnnestuvad ootamatult liiga suure jõu mõjul, mitte ei paindu ajutiselt nagu ABS või nailon.
• Juhtivus: Kõrge soojus- ja elektrijuhtivus võib termoregulaatorite puudumisel raskendada suletud printimist, mis võib põhjustada ülekuumenemist või lühiseid.

Tänu nutikale kiudtugevdusele, mis minimeerib väändumist, madalat niiskuse neeldumist ja tihedust ning kulumiskindlust, QIDI Techi PA12-CF süsinikkiudfilament pakub suurepärast lahendust standardsete süsinikkomposiitide rabeduse, soojusjuhtivuse ja abrasiivsuse probleemidele. See võimaldab tabada rohkem mainitud eeliseid ja vähem tüüpilisi varjukülgi.

Näpunäiteid 3D-printimiseks süsinikkiudfilamendiga

Oleme käsitlenud tugevdatud süsinikkiust filamentide tausta, tüüpe, sobivustegureid ja kompromisse. Nüüd uurime selle erimaterjaliga edukat printimist lauaarvuti 3D-printerite abil.Süsinikkiust hõõgniidi sujuvaks ja tõhusaks kasutamiseks järgige neid nõuandeid ja parimaid tavasid.

• Aeglane printimiskiirus väheneb: Jäik materjal takistab kergesti voolamist, seega vähendage ekstrusiooni hõlbustamiseks kiirust 30–50%.45–80 mm/s töötab hästi.
• Maksimeeri printimistemperatuurid:Kuumus pehmendab hõõgniidi voolu düüsist, nii et suruge oma kuuma otsa ohutustaseme ülempiirini, et ekstrusioon oleks lihtsam ilma ummistusriskita. Ideaalne on 250‒320 ̊C.
• Suletud soojendusega kamber: Isoleerige prindiala ja lisage lisasoojust, et hoida ümbritsevat temperatuuri kõrgel. QIDI Tech 3D-printerid neil on täiustatud suletud kamber koos aktiivse kütte juhtimisega. See hõlbustab veelgi voolu ja hoiab ära osade kõverdumise. Soovitav on 50-80 ̊C.
• Luba tagasitõmbamisseaded:Tõmmake hõõgniit trükikäikude vahel veidi tagasi, et leevendada jäikade komposiitide puhul tavapärasest liigsest nõrgumist põhjustatud nööriprobleeme.
• Täiuslikult tasandatud voodi: Kontrollige uuesti esimese kihi libisemist ja platvormi tasandamist, et tagada süsinikkiu vähenenud kihi veojõu õige nakkumine võrreldes teiste plastidega.

Süsinikkiu taga oleva materjaliteaduse muutujate arvessevõtmine, katseprintide iteratsioon ja kaunite tugevate tugevdatud väljatrükkide saavutamine muutub aja jooksul praktikaga lihtsamaks.

Avage süsinikkiu potentsiaal oma 3D-printimise vajaduste jaoks!

Süsinikkiud avab uued 3D-printimisvõimalused kergete, vastupidavate ja kuumakindlate osade jaoks, mida tavalise plastiga pole võimalik kasutada. Kuigi see pole nii lihtne kui standardmaterjalid, avab süsinikkiud uksed kohandatud lahenduste väljatöötamiseks, mis vastavad konkreetsetele nõudmistele, mida põhiplast ei suuda täita. Kui kerkib esile rohkem tugevdatud filamente, kasutage eeliseid, uurides võimalusi, uuendades printereid, optimeerides profiile kordamise teel ja lõpuks avastades oma rakenduse vajadustele sobivad parameetrid.

KKK 3D-printimiseks mõeldud süsinikkiudfilamentide kohta

K: Kui tugev on süsinikkiust hõõgniit?

V: Süsinikkiust hõõgniit võib kaalu järgi olla 5 korda tugevam kui teras ja alumiinium. Süsinikkiust filamendiga trükitud osad pakuvad erakordset vastupidavust ja koormustaluvust, säilitades samas väga kerge üldmassi.

K: Kuidas säilitate süsinikkiust filamente?

V: Hoidke süsinikkiust filamenti jahedas ja kuivas kohas, eemal niiskusest. Ideaalsed säilitustingimused on umbes 18-25°C ja suhteline õhuniiskus 35-55%. Vältige temperatuurikõikumisi ja otsest päikesevalgust.

K: Kas 3D-prinditud süsinikkiud on parem kui ABS?

V: Jah, süsinikkiust hõõgniit on üldiselt tugevam ja jäigem kui ABS-plast. Sellel on ka väiksem soojuspaisumine, parem kuumakindlus ja parem visuaalne kvaliteet vähem nähtavate kihijoontega. Kompromiss on see, et süsinikkiud on rabedam.

K: Kas süsinikkiust 3D-printimine on seda väärt?

V: Suurt tugevust, väikest kaalu, mõõtmete stabiilsust ja kuumakindlust nõudvate rakenduste puhul võib süsinikkiud võimaldada lahendusi, mis pole tavaliste plastide puhul võimalikud, seega tasub seda uurida. See nõuab optimeeritud printereid ja sissehelistamisseadeid.

K: Kas süsinikkiule printimine on ohutu?

V: Abrasiivse materjali käsitsemiseks sobivate otsikute ja masinate uuendustega on süsinikkiust hõõgniidi trükkimine ohutu. Nagu kõigi 3D-printimismaterjalide puhul, on soovitatav korralik ventilatsioon.

K: Kas süsinikkiudfilament on tugevam kui PLA?

V: Jah, süsinikkiuga tugevdatud kiud on tõmbetugevuse, jäikuse ja maksimaalse kandevõime poolest palju tugevamad kui standardne PLA.

Loe edasi

• QIDI uued kiud
• 3D-printeri hõõgniidi tüübid: täielik juhend (2024)
• 3D-printeri hõõgniit vs vaik: juhend algajatele