3D -tulostus hiilikuitufilamentilla: Ultimate Guide

Hiilikuitufilamentti on uusi materiaali, joka luo aaltoja 3D-tulostuksessa ja lisäainevalmistuksessa. Kuten nimestä voi päätellä, se sisältää hiilikuitua - kiinteää ja kevyttä kuitua, jota käytetään ilmailussa ja urheilussa ja joka on valmistettu ohuista hiilisäikeistä. Tämän ansiosta hiilikuitufilamentti voi tuottaa 3D-tulostettuja osia, jotka ovat poikkeuksellisen kestäviä ja jotka ovat edelleen kevyitä. Mutta mitä hiilikuitufilamentti tarkalleen ottaen on ja miksi 3D-tulostukseen osallistuvien pitäisi välittää? Aloitetaan perusasioista.

Hiilikuitufilamentin historia ja valmistus

Vaikka 3D-tulostettava hiilikuitufilamentti on vasta syntymässä, perustuksia luotiin 1950-luvun lopulla. Tämä oli varhaisin tutkimus hiilikuidun kerrostamisesta ja kutomisesta vahvistetuiksi hartsimateriaaleiksi. Pikakelaus eteenpäin vuoteen 1981 - Teollisuus valmisti ensimmäiset komposiittipolkupyörät ja golfmailat käyttämällä ohuita hiilikuituja ennennäkemättömän kevyen lujuuden saavuttamiseksi.

Viime vuosina, valmistajat ovat hyödyntäneet näitä samoja periaatteita kehittääkseen erikoishiilikuitufilamentteja, jotka ovat yhteensopivia pöytätietokoneiden 3D-tulostimien kanssa. Tuotantoprosessissa linjataan pitkät hiilikuitunauhat polymeeripohjaisessa materiaalissa, kuten ABS tai nailon. 3D-tulostus rakentaa sitten osia asettamalla hiilikuitua sisältävää materiaalia kerros kerrokselta digitaalisten mallien mukaan.

Hiilikuitu ei vain lisää lujuutta ja jäykkyyttä samalla kun se vähentää painoa - Sen alhainen lämpölaajenemiskerroin auttaa torjumaan vääntymistä ja lämpötilanvaihteluihin liittyviä mittatarkkuutta koskevia ongelmia. Tämä ainutlaatuinen ominaisuuksien yhdistelmä mahdollistaa toimivammat 3D-tulostetut työkalut auto-, ilmailu- ja jopa urheiluvälineissä, joissa perinteiset materiaalit jäävät vajaaksi.

Hiilikuitufilamenttien tyypit

Nyt kun olemme käsitelleet perusasiat siitä, miten 3D-tulostettava hiilikuitufilamentti kehittyi ilmailu-avaruuskäyttöön soveltuvista komposiiteista, käydään läpi tänään saatavilla olevat tyypit. On olemassa muutamia ydinlajikkeita, jotka erotetaan hiilikuidun pituuden ja vahvistusmenetelmän mukaan.

1. Lyhyt hiilikuitufilamentti

Kuten nimestä voi päätellä, tämän filamentin sisältämät hiilikuidut ovat pieniä ja ovat yleensä noin 0,1-0,7 mm pitkiä. Ajattele lyhyitä säikeitä vai pidempiä hiuksia muistuttavia säikeitä.

Lyhyt pituus auttaa ekstruusiota ja yleistä tulostusprosessin laatua. Mutta se sisältää joitain kompromisseja pidempiin hiilikuitufilamentteihin verrattuna. Plussaa on, että lyhyt hiilikuitu leviää tasaisesti ja ennustettavasti painokerrosten läpi ilman kuitujen klusteroitumisen riskiä. Isotrooppiset ominaisuudet tarkoittavat myös, että osilla on samanlainen vahvuus kaikkiin suuntiin.

Lyhyen hiilikuitufilamentin käytön haittapuolia ovat vähemmän dramaattiset lujuuden lisäykset muihin komposiitteihin verrattuna sekä näkyvämmät kerrosviivat kaltevissa käyrissä tai kulmissa. Lyhyillä säikeillä on yksinkertaisesti vähemmän vahvistuspotentiaalia kuin pidemmillä vaihtoehdoilla.

2. Pitkä hiilikuitufilamentti

Jälleen nimelle uskollisena, pitkät hiilikuitufilamentit käyttävät enemmän hiuksia muistuttavia hiilikuitulankoja, joiden pituus on noin 6-12 mm. Pidemmät kuidut mahdollistavat suuremman vahvistuksen, mutta niillä on lisääntynyt mahdollisuus epätasaiseen leviämiseen, jos niitä ei optimoida oikein.

Hyviä puolia ovat poikkeukselliset lujuus-paino-suhteet, jotka heijastavat yksisuuntaisempaa hiilikuituvahvistusta. Anisotrooppiset ominaisuudet tarkoittavat myös huomattavaa lujuuden kasvua pääasiassa painokerroksen suunnan mukaisesti verrattuna kohtisuorassa kulmassa oleviin huonompiin ominaisuuksiin. Vähemmän kerrosten näkyvyyttä parantaa myös kaarevien pinnan viimeistelyä ja korkealaatuisia tulosteita.

Haittapuolia ovat ensisijaisesti lisääntynyt huolellisuus suuttimien tukkeutumisen ja epätasaisen paakkuuntumisen estämiseksi, kun pidemmät säikeet nippuvat tai sotkeutuvat. Optimaalisten asetusten ja kokoonpanojen löytäminen on myös vaikeampaa. Dramaattinen suuntalujuuden poikkeama vaatii kuorman suunnan huomioon ottamista toiminnallisia osia suunniteltaessa.

3. Vahvistettu hiilikuitufilamentti

Vahvistetut hiilikuitufilamentit käyttävät hybridilähestymistapaa – perusmuoveihin, kuten ABS:ään ja nyloniin, lisätään erittäin lyhyitä hiilikuituja hajaantuneen lujuuden saamiseksi, ja sitten lisätään jatkuvia hiilikuitulankoja vieläkin enemmän vahvistamiseksi.

Tämä mahdollistaa vahvan mekaanisen suorituskyvyn, joka muistuttaa puhtaita pitkiä kuitufilamentteja manuaalisten kuitulankojen ansiosta. Mutta se välttää arvaamattomat paakkuuntumisen ongelmat, koska pohjamateriaalissa on jo tasaisesti hajallaan lyhytkuituvahvike perustana.

Seurauksena, vahvistetut sekoitukset helpottavat tulostusta ja optimoivat samalla vahvuuden ja visuaalisen laadun aloitteleville käyttäjille. Helppous sisältää joitakin kompromisseja suurimmassa mahdollisessa lujuudessa verrattuna puhtaisiin pitkiin kuitufilamentteihin. Mutta useimpiin sovelluksiin hybridilähestymistapa tuo ihanteellisen tasapainon.

Voiko mikä tahansa 3D-tulostin käyttää hiilikuitufilamenttia?

Hiilikuitufilamentit voidaan erityisesti suunniteltu tukemaan 3D-tulostusta, mutta kaikki pöytätulostimet eivät välttämättä voi käyttää niitä heti valmiina. Kova, hankaava materiaali asettaa ainutlaatuisia vaatimuksia. Selvitetään tulostimen soveltuvuustekijät ja hiilikuitufilamentin käyttämiseen tarvittavat muutokset.

1. Tulostimen soveltuvuus hiilikuitufilamentille

Materiaalin hankaavuuden ja taipumuksensa kuluttaa elintärkeitä osia hitaasti mutta varmasti, hiilikuitufilamentti vaatii tulostimia, jotka on valmistettu yhteensopivista karkaistuista osista vain perustoimintojen hoitamiseksi:

• Karkaistu terässuuttimet: Tavalliset messingisuuttimet kuluvat nopeasti jäykkien hiilikuitujen aiheuttaman hankauksen seurauksena, mikä voi aiheuttaa impedanssin tai suuttimen täydellisen rikkoutumisen. Karkaistu teräs on kaikki paitsi pakollinen.
• Suljettu kehys: Myös paljaat Bowden-putket kuluvat ajan myötä, mikä aiheuttaa syöttöongelmia tai epäonnistuneita tulosteita. Suljetut kehykset suojaavat putkia.
• Vahvistettu ekstruuderivaihde: Syöttöjäykkyys vaatii kulutusta kestävistä metalleista valmistettuja ekstruuderin hammaspyöriä pidon säilyttämiseksi ilman kuorimista.
• Lämmitetyt sängyt: Vääntymis- ja alustan kiinnittymisongelmat edellyttävät lämmitettyjä tulostusalustoja, jotka kestävät yli 100 ̊C paremman ensimmäisen kerroksen pidon.

Tulostimet, joilta puuttuvat nämä vähimmäisvaatimukset, eivät voi luotettavasti tulostaa toimivia hiilikuituosia heti valmiiksi ilman, että komponentit kuluvat rikki hyvin nopeasti hankauksen seurauksena.QIDI Tech 3D -tulostimissa on sekä messinki- että karkaistu terässuuttimet. Tämän ansiosta käyttäjät voivat tulostaa vakio- ja hiilikuitufilamentteja ilman, että tarvitsee tehdä muutoksia tai lisäyksiä.

2. Tarvittavat muutokset hiilikuitufilamentin käyttöä varten

Kaikki toivo ei ole menetetty tulostimissa, joihin ei ole asennettu karkaistuja komponentteja, mutta jotka ovat muuten teknisesti kykeneviä. Jotkut muutokset mahdollistavat työskentelyn hiilikuidun kanssa:

• Suuttimien vaihto: Vaihda vakiosuuttimet karkaistuun teräkseen.
• Bowden ja kehyssuojaus: Lisää varotoimia, kuten suojukset suojaputkiin ja jatkeisiin.
• Ekstruuderin vaihdepäivitykset: Vaihda vakiovaihteet metallivaihtoehtoihin pitkällä aikavälillä.
• Pinnan valmistelu: Lisäadheesioratkaisut voivat joskus kompensoida lämmitettyjen sänkyjen puutetta.

Huolellisella ja asteittaisilla päivityksillä, jotka suojaavat eniten kuluvia komponentteja, hiilikuitutulostus kasvaa kannattavammaksi.Mutta helpoimpien tulosten ja jatkuvan luotettavuuden saavuttamiseksi tarkoitukseen valmistettujen pöytätulostimien valitseminen, joissa on sisäänrakennettu suojaus, poistaa vaivan ja turhautumisen temperamenttisten hiilikuitufilamenttien kanssa työskentelyssä.

Miksi valita hiilikuitufilamentti 3D-tulostukseen?

Nyt kun olemme käsitelleet valmistusprosessit, hiilikuitufilamenttityypit ja tulostimen yhteensopivuusnäkökohdat, tutkitaanpa päätöskohtaa - miksi käyttää hiilikuitufilamenttia verrattuna perinteisempiin 3D-tulostusmateriaaleihin? Mitä ainutlaatuisia etuja ja haittoja vahvistetuilla hiilikuitufilamenteilla on?

1. Hiilikuitufilamentin käytön edut

Hiilikuitukomposiiteilla on neljä pääetua, joita ei voi verrata perusmuoveihin:

• Vahvuus ja jäykkyys:Kun lujuus-painosuhde ylittää jopa metallit, kuten teräksen ja alumiinin, jopa 5X, hiilikuitupainetut osat tarjoavat huomattavan kestävyyden ja kuormituksen kestävyyden säilyttäen samalla erittäin kevyen kokonaismassan.
• Mittojen vakaus: Äärimmäisen alhainen lämpölaajenemiskerroin jäykän hiilikuituvahvistuksen ansiosta tarkoittaa, että painetut osat pitävät tarkat toleranssit laajalla ympäristön lämpötilojen deltalla ilman, että ne laajenevat tai supistuisivat enemmän kuin 1%.
• Visuaalinen laatu: Hiilikuitunauhat parantavat ensimmäisen kerroksen pitoa ja myöhempää adheesiota painokerrosten välillä. Tämä täydentää mittavakautta upealla visuaalisella kerrosliitoslaadulla, josta puuttuu näkyvä askelma ja parannettu pintakäsittely.
• Lämmön- ja liekinkestävyys: Ilmailu- ja moottoriurheilussa jo käytetty hiilikuidun korkea kemiallinen kestävyys muuttuu painetuiksi osiksi, jotka kestävät äärimmäisen korkeita yli 150°C lämpötiloja ennen pehmenemistä sekä syttymättömiä ominaisuuksia.

Äärimmäisen kevyen lujuuden hyödyntämisestä lämpötilan tai kemiallisen hajoamisen kestämiseen hiilikuitufilamentit mahdollistavat sovellukset paljon tavanomaista pidemmälle. PLA ja ABS tulostaa ominaisuuksia, joita ei yksinkertaisesti löydy kotitalouksien muovista.

2. Hiilikuitufilamentin haitat

Näiden haluttujen suorituskykyetujen ymmärtämisessä on kuitenkin myös joitain käytännön haittoja, jotka on otettava huomioon:

• Hankauskyky: Kestävät hiilikuitulangat kuluttavat nopeasti suuttimia, hammaspyöriä ja komponentteja, joita ei ole erityisesti karkaistu, mikä rajoittaa laajaa tulostimen yhteensopivuutta ja osien pitkäikäisyyttä.
• Hauraus ja jäykkyys: Vaikka hiilikuitukomposiitit ovat vahvoja ja jäykkiä, niiltä puuttuu joustavuus ja iskunkestävyys, mutta ne epäonnistuvat yhtäkkiä liian suuren voiman vaikutuksesta sen sijaan, että ne taipuvat tilapäisesti kuten ABS tai nylon.
• Johtavuus: Korkea lämmön- ja sähkönjohtavuus voi monimutkaistaa suljettua tulostamista ilman lämpösäätimiä, mikä voi aiheuttaa ylikuumenemisen tai oikosulun.

Sen älykäs kuituvahvistus minimoi vääntymisen, alhainen kosteuden imeytyminen ja tiheys sekä kulutuskestävyys, QIDI Techin PA12-CF hiilikuitufilamentti tarjoaa erinomaisen ratkaisun standardihiilikomposiittien hauraus-, lämmönjohtavuus- ja hankausongelmiin. Tämä mahdollistaa enemmän mainittujen etujen vangitsemisen vähemmällä tyypillisillä haitoilla.

Vinkkejä 3D-tulostukseen hiilikuitufilamentilla

Olemme käsitelleet vahvistettujen hiilikuitufilamenttien taustaa, tyyppejä, soveltuvuustekijöitä ja kompromisseja. Tarkastellaan nyt onnistuneesti tulostamista tällä erikoismateriaalilla pöytätietokoneiden 3D-tulostimilla.Noudata näitä vinkkejä ja parhaita käytäntöjä hiilikuitufilamentin tasaiseen ja tehokkaaseen käyttöön.

• Hitaat tulostusnopeudet hidastuvat: Jäykkä materiaali vastustaa valumista helposti, joten vähennä nopeuksia 30-50% suulakepuristuksen helpottamiseksi.45-80mm/s toimii hyvin.
• Maksimoi tulostuslämpötilat:Lämpö pehmentää filamentin virtausta suuttimesta, joten työnnä kuuman pään turvaluokituksen ylärajaan helpottaaksesi ekstruusiota ilman tukosten vaaraa. 250-320 ̊C on ihanteellinen.
• Suljettu lämmitetty kammio: Eristä tulostusalue ja lisää lämpöä, jotta ympäristön lämpötila pysyy korkeana. QIDI Tech 3D-tulostimet niissä on edistyksellinen suljettu kammio aktiivisella lämmityksen ohjauksella. Tämä helpottaa edelleen virtausta ja estää osien vääntymisen. 50-80 ̊C suositellaan.
• Ota peruutusasetukset käyttöön:Vedä filamenttia hieman taaksepäin painatusmatkojen välillä lieventämään jäykkien komposiittien liiallisesta tihkumisesta johtuvia jousto-ongelmia.
• Tasosänky täydellisesti: Tarkista uudelleen ensimmäisen kerroksen puristus ja alustan tasaus varmistaaksesi, että hiilikuidun pitokyky on heikentynyt muihin muoveihin verrattuna.

Hiilikuidun taustalla olevien materiaalitieteen muuttujien ottaminen huomioon, testitulosteisiin perustuva iterointi ja kauniiden, vahvistettujen tulosteiden saavuttaminen helpottuu ajan myötä käytännössä.

Avaa hiilikuidun potentiaali 3D-tulostustarpeisiisi!

Hiilikuitu avaa uusia 3D-tulostusmahdollisuuksia kevyille, kestäville, kuumuutta kestäville osille, joita tavallisella muovilla ei ole mahdollista käyttää. Vaikka hiilikuitu ei olekaan niin yksinkertaista kuin vakiomateriaalit, se avaa ovet räätälöityjen ratkaisujen kehittämiseen, jotka täyttävät erityisvaatimukset, joita perusmuoveilla ei voida saavuttaa. Kun tulee lisää vahvistettuja filamentteja, hyödynnä niitä tutkimalla vaihtoehtoja, päivittämällä tulostimia, optimoimalla profiileja toiston avulla ja lopulta löytämällä ihanteelliset parametrit sovelluksesi tarpeisiin.

Usein kysyttyä hiilikuitufilamentista 3D-tulostukseen

K: Kuinka vahva hiilikuitufilamentti on?

V: Hiilikuitufilamentti voi olla painoltaan viisi kertaa vahvempi kuin teräs ja alumiini. Hiilikuitufilamentilla painetut osat tarjoavat poikkeuksellisen kestävyyden ja kuormituksenkestävyyden säilyttäen samalla erittäin kevyen kokonaismassan.

K: Kuinka säilytät hiilikuitufilamentteja?

V: Säilytä hiilikuitufilamenttia viileässä, kuivassa paikassa poissa kosteudelta. Ihanteelliset säilytysolosuhteet ovat noin 18-25°C ja 35-55% suhteellinen kosteus. Vältä lämpötilan vaihteluita ja suoraa auringonvaloa.

K: Onko 3D-painettu hiilikuitu parempi kuin ABS?

V: Kyllä, hiilikuitufilamentti on yleensä vahvempi ja jäykempi kuin ABS-muovi. Sillä on myös pienempi lämpölaajeneminen, parempi lämmönkestävyys ja parempi visuaalinen laatu ja vähemmän näkyviä kerrosviivoja. Kompromissi on, että hiilikuitu on hauraampaa.

K: Onko hiilikuitujen 3D-tulostus sen arvoista?

V: Sovelluksissa, jotka vaativat suurta lujuutta, keveyttä, mittojen vakautta ja lämmönkestävyyttä, hiilikuitu voi mahdollistaa ratkaisuja, jotka eivät ole mahdollisia tavallisilla muoveilla, joten sitä kannattaa tutkia. Se vaatii enemmän optimoituja tulostimia ja soitettuja asetuksia.

K: Onko turvallista tulostaa hiilikuidulle?

V: Hiomakuitufilamentin tulostaminen on turvallista, kun suutin ja kone on päivitetty asianmukaisesti hankaavan materiaalin käsittelemiseksi. Asianmukaista ilmanvaihtoa suositellaan, kuten minkä tahansa 3D-tulostusmateriaalin kanssa.

K: Onko hiilikuitufilamentti vahvempi kuin PLA?

V: Kyllä, hiilikuituvahvisteiset filamentit ovat paljon vahvempia kuin standardi PLA vetolujuuden, jäykkyyden ja maksimaalisen kuormituksen kantokyvyn suhteen.

Lue lisää

• QIDI uudet filamentit
• 3D-tulostimen filamenttityypit: täydellinen opas (2024)
• 3D-tulostinfilamentti vs hartsi: Aloittelijan opas