3D -printen met koolstofvezel Filament: ultieme gids

Koolstofvezelfilament is een nieuw materiaal dat voor opschudding zorgt in 3D-printen en additieve productie. Zoals de naam al doet vermoeden, is koolstofvezel een solide en lichtgewicht vezel die wordt gebruikt in de lucht- en ruimtevaart en sport, en die is gemaakt van dunne koolstofvezels. Dit maakt koolstofvezelfilament geschikt voor 3D-geprinte onderdelen met uitzonderlijke duurzaamheid die toch licht van gewicht zijn. Maar wat is koolstofvezelfilament precies en waarom zouden 3D-printers zich hier zorgen over moeten maken? Laten we beginnen met de basis.

Geschiedenis en productie van koolstofvezelfilament

Terwijl 3D-printbaar koolstofvezelfilament nu pas net op de markt komt, zijn de fundamenten al gelegd eind jaren vijftig. Dit was de eerste keer dat de mogelijkheden van het in lagen weven en verweven van koolstofvezels in versterkte harsmaterialen werden onderzocht. Snel vooruit naar 1981 - de industrie produceerde de allereerste composietfietsen en golfclubs met behulp van dunne koolstofvezels voor ongekende lichtgewicht sterkte.

De laatste jaren, Fabrikanten hebben deze principes ook toegepast om speciale koolstofvezelfilamenten te ontwikkelen die compatibel zijn met desktop 3D-printers. Tijdens het productieproces worden lange koolstofvezels uitgelijnd in een polymeerbasismateriaal zoals ABS of nylon. Met behulp van 3D-printen worden vervolgens onderdelen gefabriceerd door het met koolstofvezels verrijkte materiaal laag voor laag aan te brengen volgens digitale ontwerpen.

De koolstofvezel verhoogt niet alleen de sterkte en stijfheid, maar vermindert ook het gewicht - De lage thermische uitzettingscoëfficiënt helpt kromtrekken en problemen met maatnauwkeurigheid die gepaard gaan met temperatuurschommelingen tegen te gaan. Deze unieke combinatie van eigenschappen maakt functionelere 3D-geprinte gereedschappen mogelijk in de auto-industrie, de lucht- en ruimtevaart en zelfs sportartikelen waar traditionele materialen tekortschieten.

Soorten koolstofvezelfilament

Nu we de basis hebben besproken van hoe 3D-printbaar koolstofvezelfilament is geëvolueerd van composieten voor de ruimtevaart, gaan we de specifieke soorten bespreken die tegenwoordig verkrijgbaar zijn. Er zijn een paar basisvarianten, onderscheiden op basis van de lengte van de koolstofvezel en de versterkingsmethode.

1. Kort koolstofvezelfilament

Zoals de naam al doet vermoeden, De koolstofvezels in dit filament zijn klein en hebben doorgaans een lengte van 0,1-0,7 mm. Denk aan korte strengen versus langere haarachtige strengen.

De korte lengte bevordert de extrusie en de algehele kwaliteit van het printproces. Er kleven echter wel enkele nadelen aan ten opzichte van langere koolstofvezelfilamenten. Een voordeel is dat de korte koolstofvezel zich gelijkmatig en voorspelbaar door de printlagen verspreidt, zonder het risico dat de vezels zich op bepaalde plekken ophopen. Isotrope eigenschappen zorgen er ook voor dat onderdelen in alle richtingen vergelijkbare sterktes hebben.

De nadelen van het gebruik van korte koolstofvezelfilamenten zijn onder meer de minder dramatische sterktewinst ten opzichte van andere composieten, en de zichtbaardere laaglijnen op hellende bochten of hoeken. De korte strengen hebben simpelweg minder versterkend vermogen dan langere opties.

2. Lange koolstofvezelfilament

Opnieuw trouw aan de naam, Lange koolstofvezelfilamenten maken gebruik van meer haarachtige koolstofvezelstrengen met een lengte van ongeveer 6-12 mm. De langere vezels zorgen voor een grotere versteviging, maar hebben een groter risico op ongelijkmatige verspreiding als ze niet goed worden geoptimaliseerd.

Voordelen zijn onder meer de uitzonderlijke sterkte-gewichtsverhouding dankzij de meer unidirectionele koolstofvezelversterking. Anisotrope eigenschappen zorgen ook voor een aanzienlijke sterktetoename, voornamelijk in lijn met de richting van de printlaag, vergeleken met meer gecompromitteerde eigenschappen bij loodrechte hoeken. Minder zichtbaarheid van de laag verbetert ook de oppervlakteafwerking bij rondingen en afdrukken van hoge kwaliteit.

Nadelen zijn vooral dat u extra voorzichtig moet zijn om verstoppingen in de spuitmonden en ongelijkmatige klontering te voorkomen wanneer de langere strengen in elkaar gaan zitten of in de war raken. Het vinden van optimale instellingen en configuraties is ook lastiger. De dramatische richtingsafhankelijke sterkteafwijking vereist dat er rekening wordt gehouden met de belastingsrichting bij het ontwerpen van functionele onderdelen.

3. Versterkt koolstofvezelfilament

Versterkte koolstofvezelfilamenten hanteren een hybride aanpak. Hierbij worden basiskunststoffen zoals ABS en nylon voorzien van zeer korte koolstofvezels voor verspreide sterkte. Vervolgens worden extra, doorlopende koolstofvezelstrengen toegevoegd voor nog meer versterking.

Dit zorgt voor sterke mechanische prestaties die vergelijkbaar zijn met die van zuivere lange vezelfilamenten, dankzij de handmatige vezelstrengen. Maar het voorkomt onvoorspelbare klonteringsproblemen omdat het basismateriaal al gelijkmatig verdeelde korte vezelversterking als fundering heeft.

Als gevolg hiervan, Versterkte mengsels vereenvoudigen het printen en optimaliseren de sterkte en visuele kwaliteit voor meer onervaren gebruikers. Het gemak gaat wel gepaard met enkele compromissen wat betreft de maximale sterkte ten opzichte van pure lange vezelfilamenten. Maar voor de meeste toepassingen biedt de hybride aanpak een ideale balans.

Kan elke 3D-printer koolstofvezelfilament gebruiken?

Koolstofvezelfilamenten zijn weliswaar speciaal ontworpen voor 3D-printen, maar niet alle desktopprinters kunnen ze standaard gebruiken. Het taaie, schurende materiaal stelt een aantal unieke eisen. Laten we de factoren voor printergeschiktheid en de benodigde aanpassingen voor het gebruik van koolstofvezelfilament eens bekijken.

1. Geschiktheid van koolstofvezelfilament voor printers

Omdat het materiaal schurend is en de neiging heeft om vitale onderdelen langzaam maar zeker te eroderen, zijn voor het printen van koolstofvezelfilament printers nodig die zijn uitgerust met compatibele geharde onderdelen, alleen al om de basisfunctionaliteit uit te kunnen voeren:

• Gehard stalen spuitmonden: Standaard messing nozzles slijten snel door slijtage door de stijve koolstofvezels, waardoor impedantie of een volledig defect van de nozzle kan ontstaan. Gehard staal is vrijwel vereist.
• Gesloten frame: Blootgestelde Bowden-buizen slijten na verloop van tijd ook, wat kan leiden tot problemen met de invoer of mislukte afdrukken. Gesloten frames beschermen de buizen.
• Versterkte extrudeertandwielen: Om de stijfheid van de extruder te waarborgen, moeten de tandwielen van de extruder van slijtvaste metalen zijn gemaakt, zodat de grip behouden blijft zonder dat de extruder afbladdert.
• Verwarmde bedden: Vanwege kromtrekken en problemen met de hechting aan het printbed zijn verwarmde printbedden nodig die temperaturen tot 100 ̊C+ kunnen bereiken voor een betere grip op de eerste laag.

Printers die niet over deze minimumspecificaties beschikken, kunnen niet betrouwbaar functionele koolstofvezelonderdelen printen zonder dat deze door slijtage snel kapotgaan.QIDI Tech 3D-printers zijn voorzien van zowel messing als gehard stalen nozzles. Hierdoor kunnen gebruikers standaard- en koolstofvezelfilamenten printen zonder dat ze wijzigingen of toevoegingen hoeven aan te brengen.

2. Noodzakelijke aanpassingen voor het gebruik van koolstofvezelfilament

Voor printers zonder geharde componenten, maar verder technisch in orde, is de hoop nog niet verloren. Enkele aanpassingen maken het mogelijk om met koolstofvezel te werken:

• Mondstukwissels: Vervang standaard spuitmonden door spuitmonden van gehard staal.
• Bowden & Frame Bescherming: Neem voorzorgsmaatregelen zoals het afschermen van buizen en verlengstukken.
• Upgrades voor extruderapparatuur: Vervang standaard tandwielen op de lange termijn door metalen alternatieven.
• Oppervlaktevoorbereiding: Soms kunnen aanvullende hechtingsoplossingen het gebrek aan verwarmde bedden compenseren.

Met zorg en geleidelijke upgrades om componenten die het meest slijten te beschermen, wordt printen met koolstofvezel steeds rendabeler. Maar voor de beste resultaten en langdurige betrouwbaarheid kiest u voor speciaal gebouwde desktopprinters met ingebouwde bescherming. Dit voorkomt gedoe en frustratie bij het werken met onstabiele koolstofvezelfilamenten.

Waarom koolstofvezelfilament kiezen voor 3D-printen?

Nu we de productieprocessen, de soorten koolstofvezelfilamenten en de compatibiliteit van printers hebben besproken, gaan we het beslissingsmoment bekijken: waarom koolstofvezelfilament gebruiken vergeleken met meer traditionele 3D-printmaterialen? Welke unieke voor- en nadelen hebben versterkte koolstofvezels?

1. Voordelen van het gebruik van koolstofvezelfilament

Koolstofvezelcomposieten bieden vier belangrijke voordelen die andere kunststoffen niet kunnen evenaren:

• Sterkte en stijfheid:Met koolstofvezel geprinte onderdelen zijn de sterkte-gewichtsverhoudingen zelfs vijf keer hoger dan die van metalen als staal en aluminium. Ze zijn bijzonder duurzaam en bestand tegen zware belasting, terwijl de totale massa toch heel licht blijft.
• Dimensionale stabiliteit: Dankzij de extreem lage thermische uitzettingscoëfficiënt door de stevige koolstofvezelversterking behouden geprinte onderdelen nauwkeurige toleranties bij een groot temperatuurverschil, zonder dat ze meer dan 1% uitzetten of krimpen.
• Visuele kwaliteit: De koolstofvezels verbeteren de grip van de eerste laag en de daaropvolgende hechting tussen de printlagen. Dit draagt ​​bij aan de maatvastheid met een prachtige visuele hechting van de lagen zonder zichtbare overgangen en een verbeterde oppervlakteafwerking.
• Hitte- en vlambestendigheid: Koolstofvezel wordt al gebruikt in de lucht- en ruimtevaart en de motorsport. De hoge chemische bestendigheid maakt het geschikt voor geprinte onderdelen die bestand zijn tegen extreem hoge temperaturen van meer dan 150°C voordat ze zacht worden. Ook heeft het niet-ontvlambare eigenschappen.

Van het benutten van extreem lichtgewicht sterkte tot het weerstaan ​​van temperatuur- of chemische degradatie, koolstofvezelfilamenten maken toepassingen mogelijk die veel verder gaan dan de alledaagse toepassingen. PLA en ABS afdrukken met eigenschappen die eenvoudigweg niet in huishoudelijk plastic voorkomen.

2. Nadelen van koolstofvezelfilament

Het realiseren van die felbegeerde prestatievoordelen brengt echter ook enkele praktische nadelen met zich mee die u in overweging moet nemen:

• Schurend vermogen: De robuuste koolstofvezels eroderen snel spuitmonden, tandwielen en onderdelen die niet speciaal gehard zijn, waardoor de brede compatibiliteit van de printer en de levensduur van de onderdelen beperkt worden.
• Broosheid en stijfheid: Hoewel koolstofvezelcomposieten sterk en stijf zijn, missen ze flexibiliteit en slagvastheid. Ter vergelijking: ze zullen plotseling bezwijken onder te veel kracht in plaats van tijdelijk te buigen zoals ABS of nylon.
• Geleidbaarheid: De hoge thermische en elektrische geleidbaarheid kan het printen in een gesloten ruimte bemoeilijken als er geen thermische controle aanwezig is, waardoor het risico op oververhitting of kortsluiting ontstaat.

Dankzij de slimme vezelversterking die kromtrekken minimaliseert, een lage vochtopname en dichtheid, plus slijtvastheid, PA12-CF koolstofvezelfilament van QIDI Tech Biedt een uitstekende oplossing voor de problemen met broosheid, thermische geleidbaarheid en abrasiviteit waarmee standaard koolstofcomposieten kampen. Dit maakt het mogelijk om meer van de genoemde voordelen te benutten met minder van de typische nadelen.

Tips voor 3D-printen met koolstofvezelfilament

We hebben de achtergrond, soorten, geschiktheidsfactoren en voor- en nadelen van versterkte koolstofvezelfilamenten besproken. Laten we nu dieper ingaan op het succesvol printen met dit speciale materiaal met desktop 3D-printers. Volg deze tips en best practices voor soepel en effectief gebruik van koolstofvezelfilament.

• Lage afdruksnelheden verlagen: Het stijve materiaal is vloeibestendig, dus verlaag de snelheid met 30-50% om de extrusie te vergemakkelijken. 45-80 mm/s werkt goed.
• Maximaliseer afdruktemperaturen:Hitte zorgt ervoor dat het filament zachter wordt en uit de nozzle stroomt. Daarom raden we aan om de bovenste veiligheidslimieten van uw hot-end te overschrijden om gemakkelijker te kunnen extruderen zonder risico op vastlopen. 250-320 ̊C is ideaal.
• Gesloten verwarmde kamer: Isoleer het printgebied en zorg voor extra warmte om de omgevingstemperatuur hoog te houden. QIDI Tech 3D-printers beschikken over een geavanceerde, afgesloten kamer met actieve verwarmingsregeling. Dit vergemakkelijkt de stroming en voorkomt kromtrekken van onderdelen. Aanbevolen temperatuur: 50-80 ̊C.
• Intrekkingsinstellingen inschakelen:Trek het filament tussen de printbewegingen iets terug om problemen met draadvorming te voorkomen die worden veroorzaakt door overmatige lekkage die veel voorkomt bij stijve composieten.
• Perfect waterpas bed: Controleer de squish van de eerste laag en het nivelleren van het platform opnieuw om zeker te zijn van een goede hechting gezien de verminderde grip van koolstofvezels in vergelijking met andere kunststoffen.

Houd rekening met variabelen uit de materiaalkunde achter koolstofvezel, herhaal op basis van testprints en het maken van mooie, sterke, versterkte prints wordt steeds eenvoudiger door oefening.

Ontdek de mogelijkheden van koolstofvezel voor uw 3D-printbehoeften!

Koolstofvezel opent nieuwe 3D-printmogelijkheden voor lichtgewicht, duurzame en hittebestendige onderdelen die onmogelijk zijn met gewone kunststoffen. Hoewel koolstofvezel niet zo eenvoudig is als standaardmaterialen, opent het de weg naar de ontwikkeling van oplossingen op maat die voldoen aan specifieke eisen waaraan basiskunststoffen niet kunnen voldoen. Profiteer van de komst van meer versterkte filamenten door opties te onderzoeken, printers te upgraden, profielen te optimaliseren door herhaling en uiteindelijk de ideale parameters voor uw toepassingsbehoeften te ontdekken.

Veelgestelde vragen over koolstofvezelfilament voor 3D-printen

V: Hoe sterk is koolstofvezelfilament?

A: Koolstofvezelfilament kan qua gewicht vijf keer sterker zijn dan staal en aluminium. Onderdelen die met koolstofvezelfilament zijn geprint, bieden uitzonderlijke duurzaamheid en belastingsweerstand, terwijl ze een zeer lichte totale massa behouden.

V: Hoe bewaar je koolstofvezelfilamenten?

A: Bewaar koolstofvezelfilament op een koele, droge plaats, uit de buurt van vocht. Ideale bewaaromstandigheden zijn rond de 18-25 °C en 35-55% relatieve luchtvochtigheid. Vermijd temperatuurschommelingen en blootstelling aan direct zonlicht.

V: Is 3D-geprinte koolstofvezel beter dan ABS?

A: Ja, koolstofvezelfilament is over het algemeen sterker en stijver dan ABS-kunststof. Het heeft ook een lagere thermische uitzetting, betere hittebestendigheid en een verbeterde visuele kwaliteit met minder zichtbare laaglijnen. Het nadeel is dat koolstofvezel brozer is.

V: Is 3D-printen met koolstofvezels de moeite waard?

A: Voor toepassingen die hoge sterkte, een laag gewicht, maatvastheid en hittebestendigheid vereisen, kan koolstofvezel oplossingen bieden die met gewone kunststoffen niet mogelijk zijn. Het is dus de moeite waard om te onderzoeken. Het vereist wel geoptimaliseerde printers en nauwkeurige instellingen.

V: Is het veilig om op koolstofvezel te printen?

A: Met de juiste nozzles en machine-upgrades om het schurende materiaal te verwerken, is het printen van koolstofvezelfilament veilig. Goede ventilatie wordt aanbevolen, net als bij elk 3D-printmateriaal.

V: Is koolstofvezelfilament sterker dan PLA?

A: Ja, koolstofvezelversterkte filamenten zijn veel sterker dan standaard PLA wat betreft treksterkte, stijfheid en maximale draagkracht.

Lees meer

• QIDI Nieuwe Filamenten
• Filamenttypen voor 3D-printers: een complete gids (2024)
• Filament versus hars voor 3D-printers: beginnersgids