Drukowanie 3D z włóknem węglowym: Ultimate Guide

Włókno węglowe to nowy materiał, który robi furorę w druku 3D i produkcji addytywnej. Jak sama nazwa wskazuje, zawiera włókno węglowe — solidne i lekkie włókno stosowane w lotnictwie i sporcie, wykonane z cienkich pasm węgla. Dzięki temu filament z włókna węglowego może wytwarzać elementy drukowane w technologii 3D o wyjątkowej trwałości, które są jednocześnie lekkie. Ale czym dokładnie jest filament z włókna węglowego i dlaczego osoby zajmujące się drukiem 3D powinny się tym przejmować? Zacznijmy od podstaw.

Historia i produkcja włókien węglowych

Chociaż filament z włókna węglowego nadający się do druku w technologii 3D dopiero się pojawia, podwaliny zostały już dawno porzucone pod koniec lat 50. Zaczęto wówczas eksperymentować z warstwowym układaniem i wplataniem włókna węglowego w materiały wzmacniane żywicą. Przewińmy do roku 1981 - przemysł wyprodukował pierwsze kompozytowe rowery i kije golfowe, wykorzystując cienkie włókna węglowe, co pozwoliło uzyskać niespotykaną dotąd lekkość i wytrzymałość.

W ostatnich latach Producenci wykorzystali te same zasady, aby opracować specjalistyczne filamenty z włókna węglowego kompatybilne z drukarkami 3D. Proces produkcyjny polega na układaniu długich włókien węglowych w materiale na bazie polimeru, takiego jak ABS lub nylon. Następnie, dzięki drukowi 3D, powstają części poprzez nakładanie materiału z dodatkiem włókna węglowego warstwa po warstwie zgodnie z projektami cyfrowymi.

Włókno węglowe nie tylko zwiększa wytrzymałość i sztywność, ale także zmniejsza wagę - niski współczynnik rozszerzalności cieplnej pomaga zwalczać problemy z odkształcaniem i dokładnością wymiarową związane z wahaniami temperatury. Ta unikalna mieszanka właściwości umożliwia bardziej funkcjonalne narzędzia drukowane w technologii 3D w motoryzacji, lotnictwie, a nawet sprzęcie sportowym, w którym tradycyjne materiały zawodzą.

Rodzaje włókien węglowych

Teraz, gdy omówiliśmy podstawy ewolucji włókien węglowych do druku 3D z kompozytów klasy lotniczej, przyjrzyjmy się konkretnym typom dostępnym obecnie. Istnieje kilka podstawowych odmian różniących się długością włókna węglowego i metodą wzmocnienia.

1. Krótkie włókno węglowe

Jak sama nazwa wskazuje, Włókna węglowe zawarte w tym filamentcie są małe i mierzą zazwyczaj około 0,1-0,7 mm długości. Pomyśl o krótkich pasmach i o dłuższych pasmach przypominających włosy.

Krótsza długość wspomaga wytłaczanie i ogólną jakość procesu drukowania. Jednak wiąże się z pewnymi kompromisami w porównaniu do dłuższych włókien węglowych. Pozytywną stroną jest to, że krótkie włókno węglowe rozprasza się równomiernie i przewidywalnie przez warstwy wydruku bez ryzyka skupienia włókien w punktach. Właściwości izotropowe oznaczają również, że części mają podobną wytrzymałość we wszystkich kierunkach.

Wady stosowania krótkich włókien węglowych obejmują mniej dramatyczne zyski wytrzymałości w porównaniu z innymi kompozytami, a także bardziej widoczne linie warstw na pochyłych łukach lub kątach. Krótkie pasma mają po prostu mniejszy potencjał wzmacniający niż dłuższe opcje.

2. Długie włókno węglowe

Ponownie wierni nazwie, długie włókna węglowe wykorzystują pasma przypominające włosy, o długości około 6-12 mm. Dłuższe włókna pozwalają na lepsze wzmocnienie, ale mają większe ryzyko nierównomiernego rozproszenia, jeśli nie zostaną odpowiednio zoptymalizowane.

Do zalet można zaliczyć wyjątkowy stosunek wytrzymałości do masy, wynikający z zastosowania bardziej jednokierunkowego wzmocnienia z włókna węglowego. Właściwości anizotropowe oznaczają również zauważalne zyski wytrzymałości, głównie w kierunku zgodnym z kierunkiem warstwy wydruku, w porównaniu z bardziej zagrożonymi właściwościami pod kątami prostopadłymi. Mniejsza widoczność warstwy poprawia również wykończenie powierzchni na krzywych i wydrukach wysokiej jakości.

Wady obejmują przede wszystkim konieczność większej ostrożności, aby zapobiec zatykaniu się dyszy i nierównomiernemu splątywaniu się włosów, gdy dłuższe pasma się plączą. Znalezienie optymalnych ustawień i konfiguracji jest również trudniejsze. Dramatyczne odchylenie siły kierunkowej wymaga uwzględnienia kierunku obciążenia podczas projektowania części funkcjonalnych.

3. Wzmocnione włókno węglowe

Wzmocnione włókna węglowe powstają w oparciu o podejście hybrydowe — do podstawowych tworzyw sztucznych, takich jak ABS i nylon, dodawane są bardzo krótkie włókna węglowe w celu uzyskania rozproszonej wytrzymałości, a następnie dodawane są dodatkowe, ciągłe pasma włókna węglowego w celu uzyskania jeszcze większego wzmocnienia.

Dzięki zastosowaniu ręcznych włókien możliwe jest uzyskanie wysokiej wydajności mechanicznej podobnej do uzyskiwanej w przypadku czystych włókien długowłóknistych. Jednakże pozwala to uniknąć nieprzewidywalnych problemów z grudkowaniem, ponieważ materiał bazowy ma już równomiernie rozłożone krótkie włókna wzmacniające jako fundament.

W rezultacie, Wzmocnione mieszanki ułatwiają drukowanie, a jednocześnie optymalizują wytrzymałość i jakość wizualną dla początkujących użytkowników. Łatwość wiąże się z pewnymi kompromisami w maksymalnej możliwej wytrzymałości w porównaniu z czystymi długimi włóknami. Jednak w przypadku większości zastosowań podejście hybrydowe zapewnia idealną równowagę.

Czy każda drukarka 3D może wykorzystywać filament z włókna węglowego?

Włókna z włókna węglowego mogą być specjalnie zaprojektowane do druku 3D, ale nie wszystkie drukarki stacjonarne mogą je od razu wykorzystywać. Wytrzymały, ścierny materiał stawia pewne wyjątkowe wymagania. Rozłóżmy czynniki przydatności drukarki i wszelkie modyfikacje potrzebne do użycia filamentu z włókna węglowego.

1. Przydatność drukarki do filamentu z włókna węglowego

Ze względu na ścieralność materiału i tendencję do powolnego, acz skutecznego niszczenia ważnych elementów, filament z włókna węglowego wymaga drukarek wykonanych z kompatybilnych, utwardzonych części, aby móc obsługiwać podstawowe funkcje:

• Dysze ze stali hartowanej: Standardowe dysze mosiężne szybko się zużywają pod wpływem ścierania przez sztywne włókna węglowe, co grozi impedancją lub całkowitą awarią dyszy. Hartowana stal jest niemal wymagana.
• Załączona rama: Odsłonięte rurki Bowdena również zużywają się z czasem, powodując problemy z podawaniem lub nieudane wydruki. Zamknięte ramy chronią rurki.
• Wzmocnione koło zębate wytłaczarki: Aby zapewnić sztywność podawania, koła zębate wytłaczarki muszą być wykonane z metali odpornych na ścieranie, aby zachować przyczepność bez zrywania.
• Łóżka podgrzewane: Problemy z odkształcaniem się i przyleganiem do podłoża powodują konieczność stosowania podgrzewanych łóżek drukujących w temperaturze 100°C+, aby zapewnić lepszą przyczepność pierwszej warstwy.

Drukarki niespełniające tych minimalnych wymagań nie są w stanie niezawodnie drukować funkcjonalnych części z włókna węglowego od razu po wyjęciu z pudełka, gdyż wskutek ścierania elementy bardzo szybko się zużywają i ulegają uszkodzeniu.Drukarki 3D QIDI Tech wyposażone są w dysze zarówno mosiężne, jak i ze stali hartowanej. Dzięki temu użytkownicy mogą drukować z filamentów standardowych i z włókna węglowego bez konieczności wprowadzania jakichkolwiek modyfikacji lub dodatków.

2. Niezbędne modyfikacje w celu wykorzystania włókna węglowego

W przypadku drukarek bez zainstalowanych utwardzonych komponentów, ale technicznie sprawnych, nie wszystko stracone. Niektóre modyfikacje umożliwiają pracę z włóknem węglowym:

• Zamiana dysz: Wymień standardowe dysze na dysze ze stali hartowanej.
• Ochrona Bowdena i ramy: Należy zastosować środki ostrożności, takie jak osłony rur i przedłużek.
• Ulepszenia przekładni wytłaczarki: Zamień standardowe koła zębate na metalowe alternatywy na dłuższy okres.
• Przygotowanie powierzchni: Dodatkowe rozwiązania adhezyjne mogą czasami zrekompensować brak podgrzewanych stołów.

Dzięki dbałości i stopniowym ulepszeniom mającym na celu ochronę podzespołów najbardziej narażonych na zużycie, druk z włókna węglowego staje się coraz bardziej opłacalny.Jednak jeśli zależy Ci na najłatwiejszych wynikach i długotrwałej niezawodności, warto zdecydować się na specjalnie zaprojektowane drukarki stacjonarne ze zintegrowaną ochroną. Dzięki temu unikniesz kłopotów i frustracji związanych z pracą z kapryśnymi włóknami węglowymi.

Dlaczego warto wybrać filament z włókna węglowego do druku 3D?

Teraz, gdy omówiliśmy już procesy produkcyjne, rodzaje włókien węglowych i kwestie kompatybilności z drukarkami, przyjrzyjmy się punktowi decyzyjnemu – dlaczego warto używać włókna węglowego w porównaniu z bardziej tradycyjnymi materiałami do druku 3D? Jakie wyjątkowe zalety i wady mają wzmocnione włókna węglowe?

1. Zalety stosowania włókna węglowego

Kompozyty z włókna węglowego oferują cztery główne zalety, których nie mają standardowe tworzywa sztuczne:

• Wytrzymałość i sztywność:Części drukowane z włókna węglowego charakteryzują się stosunkiem wytrzymałości do masy, który nawet pięciokrotnie przewyższa metale, takie jak stal i aluminium. Charakteryzują się one niezwykłą trwałością i odpornością na obciążenia, zachowując przy tym bardzo niską masę całkowitą.
• Stabilność wymiarowa: Dzięki zastosowaniu sztywnego wzmocnienia z włókna węglowego wyjątkowo niski współczynnik rozszerzalności cieplnej oznacza, że ​​drukowane części zachowują precyzyjne tolerancje w szerokim zakresie temperatur otoczenia, nie rozszerzając się ani nie kurcząc o więcej niż 1%.
• Jakość wizualna: Włókna węglowe zwiększają przyczepność pierwszej warstwy i późniejszą przyczepność między warstwami wydruku. Uzupełnia to stabilność wymiarową o wspaniałą jakość wizualnego łączenia warstw bez widocznego chodzenia i ulepszone wykończenie powierzchni.
• Odporność na ciepło i ogień: Włókno węglowe, wykorzystywane już w przemyśle lotniczym i sportach motorowych, charakteryzuje się wysoką odpornością chemiczną, co sprawia, że ​​drukowane części wytrzymują ekstremalnie wysokie temperatury przekraczające 150°C przed zmięknięciem, a ponadto są niepalne.

Dzięki wykorzystaniu ekstremalnie lekkiej wytrzymałości i odporności na temperaturę lub degradację chemiczną włókna węglowe umożliwiają zastosowania wykraczające poza standardowe PLA i ABS drukuje dzięki właściwościom, których po prostu nie mają tworzywa sztuczne stosowane w gospodarstwach domowych.

2. Wady włókna węglowego

Jednak osiągnięcie tych pożądanych korzyści w zakresie wydajności niesie za sobą również pewne praktyczne wady, które należy wziąć pod uwagę:

• Ścieralność: Wytrzymałe włókna węglowe szybko powodują korozję dysz, kół zębatych i nieutwardzonych specjalnie komponentów, co ogranicza szeroką kompatybilność drukarek i żywotność części.
• Kruchość i sztywność: Choć wytrzymałe i sztywne, kompozyty z włókna węglowego nie są wystarczająco elastyczne i odporne na uderzenia, w porównaniu z nimi ulegają nagłemu uszkodzeniu pod wpływem zbyt dużej siły, zamiast wyginać się chwilowo jak ABS lub nylon.
• Przewodność: Wysoka przewodność cieplna i elektryczna może utrudniać drukowanie w zamkniętych obudowach w przypadku braku kontroli termicznej, stwarzając ryzyko przegrzania lub zwarć.

Dzięki inteligentnemu wzmocnieniu włókien, które minimalizuje odkształcanie, niskiemu wchłanianiu wilgoci i gęstości, a także odporności na zużycie, Włókno węglowe PA12-CF firmy QIDI Tech zapewnia doskonałe rozwiązanie problemów kruchości, przewodnictwa cieplnego i ścieralności, z którymi borykają się standardowe kompozyty węglowe. Pozwala to na uzyskanie większej liczby wspomnianych korzyści przy mniejszej liczbie typowych wad.

Wskazówki dotyczące drukowania 3D z filamentu z włókna węglowego

Omówiliśmy tło, typy, czynniki przydatności i kompromisy wzmocnionych włókien węglowych. Teraz przeanalizujmy dokładniej, jak drukować z tego specjalnego materiału przy użyciu stacjonarnych drukarek 3D.Stosuj się do poniższych wskazówek i najlepszych praktyk, aby zapewnić sobie płynne i efektywne wykorzystanie włókna węglowego.

• Niższe prędkości drukowania: Sztywny materiał stawia łatwy opór płynięciu, dlatego należy zmniejszyć prędkość o 30-50%, aby ułatwić wytłaczanie. Najlepiej sprawdza się prędkość 45-80 mm/s.
• Maksymalizacja temperatur druku:Pod wpływem ciepła filament wypływający z dyszy zmiękcza się, dlatego należy naciskać na górne granice bezpieczeństwa końcówki gorącej, aby ułatwić wytłaczanie bez ryzyka zacięć. Idealna temperatura to 250–320°C.
• Zamknięta komora grzewcza: Zaizoluj obszar drukowania i zapewnij dodatkowe źródło ciepła, aby utrzymać wysoką temperaturę otoczenia. Drukarki 3D QIDI Tech posiadają zaawansowaną, zamkniętą komorę z aktywną kontrolą ogrzewania. Ułatwia to przepływ i zapobiega odkształcaniu się części. Zalecana temperatura to 50–80°C.
• Włącz ustawienia cofania:Delikatnie odciągnij filament pomiędzy kolejnymi wydrukami, aby uniknąć problemów z nitkowaniem, wynikających z nadmiernego wyciekania, typowego dla sztywnych materiałów kompozytowych.
• Idealnie wypoziomuj łóżko: Ponownie sprawdź spłaszczenie pierwszej warstwy i wypoziomowanie platformy, aby upewnić się, że przyczepność włókna węglowego jest odpowiednia w porównaniu z innymi tworzywami sztucznymi.

Weź pod uwagę zmienne z zakresu materiałoznawstwa włókna węglowego, przeprowadź iterację w oparciu o wydruki testowe, a dzięki praktyce osiągnięcie pięknych, mocnych i wzmocnionych wydruków stanie się z czasem prostsze.

Odkryj potencjał włókna węglowego dla swoich potrzeb druku 3D!

Włókno węglowe otwiera nowe możliwości druku 3D dla lekkich, trwałych, odpornych na ciepło części, których nie można uzyskać przy użyciu zwykłych tworzyw sztucznych. Choć nie jest tak proste jak standardowe materiały, włókno węglowe otwiera drzwi do opracowywania niestandardowych rozwiązań spełniających szczególne wymagania, których nie mogą spełnić podstawowe tworzywa sztuczne. W miarę pojawiania się coraz większej liczby wzmocnionych włókien, skorzystaj z tego, badając opcje, ulepszając drukarki, optymalizując profile poprzez powtarzanie i ostatecznie odkrywając idealne parametry dla potrzeb Twojej aplikacji.

FAQ na temat filamentów z włókna węglowego do druku 3D

P: Jak wytrzymałe jest włókno węglowe?

A: Włókno węglowe może być 5 razy mocniejsze od stali i aluminium pod względem masy. Części drukowane z włókna węglowego oferują wyjątkową trwałość i odporność na obciążenia, zachowując jednocześnie bardzo lekką masę całkowitą.

P: Jak przechowywać włókna węglowe?

A: Przechowuj włókno węglowe w chłodnym, suchym miejscu, z dala od wilgoci. Idealne warunki przechowywania to około 18-25°C i 35-55% wilgotności względnej. Unikaj wahań temperatury i bezpośredniego narażenia na działanie promieni słonecznych.

P: Czy drukowane w technologii 3D włókno węglowe jest lepsze od ABS?

A: Tak, włókno węglowe jest generalnie mocniejsze i sztywniejsze niż plastik ABS. Ma również niższą rozszerzalność cieplną, lepszą odporność na ciepło i lepszą jakość wizualną z mniej widocznymi liniami warstw. Kompromisem jest to, że włókno węglowe jest bardziej kruche.

P: Czy druk 3D włókna węglowego jest tego wart?

A: W przypadku zastosowań wymagających wysokiej wytrzymałości, niskiej wagi, stabilności wymiarowej i odporności na ciepło włókno węglowe może umożliwić rozwiązania niemożliwe do uzyskania przy użyciu zwykłych tworzyw sztucznych, dlatego warto je zbadać. Wymaga to bardziej zoptymalizowanych drukarek i ustawień.

P: Czy drukowanie na włóknie węglowym jest bezpieczne?

A: Przy odpowiednich ulepszeniach dyszy i maszyny do obsługi materiału ściernego drukowanie filamentem z włókna węglowego jest bezpieczne. Zalecana jest odpowiednia wentylacja, tak jak w przypadku każdego materiału do druku 3D.

P: Czy filament z włókna węglowego jest mocniejszy od PLA?

O: Tak, włókna wzmacniane włóknem węglowym są znacznie mocniejsze niż standardowe PLA pod względem wytrzymałości na rozciąganie, sztywności i maksymalnej nośności.

Przeczytaj więcej

• Nowe włókna QIDI
• Typy filamentów do drukarek 3D: kompletny przewodnik (2024)
• Filament do drukarek 3D kontra żywica: przewodnik dla początkujących