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 pozwala na produkcję elementów drukowanych w technologii 3D o wyjątkowej wytrzymałości, a jednocześnie niewielkiej masie. Ale czym właściwie jest filament z włókna węglowego i dlaczego osoby zajmujące się drukiem 3D powinny się tym zainteresować? Zacznijmy od podstaw.

Historia i produkcja włókien węglowych

Chociaż filament z włókna węglowego do druku 3D dopiero się pojawia, podwaliny zostały już położone pod koniec lat 50. Zaczęto wówczas po raz pierwszy badać metodę warstwowego nakładania i wplatania włókna węglowego w materiały wzmacniane żywicą. Przenieśmy się do roku 1981 - przemysł wyprodukował pierwsze kompozytowe rowery i kije golfowe, wykorzystując cienkie włókna węglowe, co pozwoliło uzyskać niespotykaną 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 polimerowym, takim jak ABS lub nylon. Następnie, dzięki drukowi 3D, powstają części poprzez nakładanie materiału z dodatkiem włókna węglowego warstwa po warstwie zgodnie z cyfrowymi projektami.

Włókno węglowe nie tylko zwiększa wytrzymałość i sztywność, ale także redukuje wagę - niski współczynnik rozszerzalności cieplnej pomaga w walce z odkształceniami i problemami z dokładnością wymiarową związanymi z wahaniami temperatury. To unikalne połączenie właściwości umożliwia tworzenie bardziej funkcjonalnych narzędzi drukowanych w technologii 3D w przemyśle motoryzacyjnym, lotniczym, a nawet sportowym, gdzie tradycyjne materiały nie spełniają swoich funkcji.

Rodzaje włókien węglowych

Skoro omówiliśmy już podstawy ewolucji filamentu z włókna węglowego do druku 3D z kompozytów klasy lotniczej, przyjrzyjmy się bliżej dostępnym obecnie rodzajom. 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 żarniku są małe i zazwyczaj mierzą około 0,1–0,7 mm długości. Wyobraź sobie krótkie pasma i dłuższe pasma przypominające włosy.

Krótsza długość poprawia wytłaczanie i ogólną jakość procesu drukowania. Wiąże się to jednak z pewnymi kompromisami w porównaniu z dłuższymi włóknami węglowymi. Zaletą jest to, że krótkie włókno węglowe rozprasza się równomiernie i przewidywalnie w warstwach wydruku, bez ryzyka punktowego skupiania się włókien. Właściwości izotropowe oznaczają również, że elementy mają podobną wytrzymałość we wszystkich kierunkach.

Wadami stosowania krótkich włókien węglowych są mniej spektakularny wzrost wytrzymałości w porównaniu z innymi kompozytami, a także bardziej widoczne linie warstw na pochyłych łukach lub kątach. Krótkie włókna mają po prostu mniejszy potencjał wzmacniający niż dłuższe opcje.

2. Długie włókno węglowe

Ponownie wierny nazwie, długie włókna węglowe wykorzystują pasma przypominające włosy, o długości około 6-12 mm. Dłuższe włókna pozwalają na uzyskanie większego wzmocnienia, 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 znaczny wzrost wytrzymałości, głównie w kierunku zgodnym z kierunkiem ułożenia warstw druku, w porównaniu z bardziej niekorzystnymi właściwościami przy kątach prostopadłych. Mniejsza widoczność warstw poprawia również wykończenie powierzchni na zakrzywionych powierzchniach i zapewnia wysoką jakość wydruków.

Wady obejmują przede wszystkim konieczność zachowania 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. Dramatyczna zmiana wytrzymałości kierunkowej wymaga uwzględnienia kierunku obciążenia podczas projektowania części funkcjonalnych.

3. Wzmocnione włókno węglowe

Wzmocnione włókna węglowe powstają w oparciu o podejście hybrydowe — łączą podstawowe tworzywa sztuczne, takie jak ABS i nylon, z bardzo krótkimi włóknami węglowymi w celu uzyskania rozproszonej wytrzymałości, a następnie dodają dodatkowe ciągłe pasma włókna węglowego w celu uzyskania jeszcze większego wzmocnienia.

Dzięki zastosowaniu ręcznych pasm włókien możliwe jest uzyskanie wysokiej wydajności mechanicznej zbliżonej 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 ta wiąże się z pewnymi kompromisami w zakresie maksymalnej możliwej wytrzymałości w porównaniu z czystymi włóknami długowłóknistymi. Jednak w 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 z nich korzystać od razu. Ten wytrzymały, ścierny materiał stawia pewne wyjątkowe wymagania. Przyjrzyjmy się czynnikom decydującym o przydatności drukarki i wszelkim modyfikacjom potrzebnym do użycia filamentu z włókna węglowego.

1. Przydatność drukarki do filamentów z włókna węglowego

Ze względu na ścieralność materiału i tendencję do powolnego, ale skutecznego niszczenia ważnych komponentów, 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 tarcia spowodowanego przez sztywne włókna węglowe, co grozi utratą impedancji lub całkowitą awarią dyszy. Hartowana stal jest praktycznie niezbędna.
• Załączona rama: Odsłonięte rurki Bowdena również z czasem ulegają zużyciu, powodując problemy z podawaniem papieru lub nieudane wydruki. Zamknięte ramy chronią rurki.
• Wzmocnione koło zębate wytłaczarki: Sztywność podawania wymaga stosowania kół zębatych wytłaczarki wykonanych z metali odpornych na ścieranie, aby zachować przyczepność bez zrywania.
• Podgrzewane łóżka: Problemy z odkształcaniem i przyleganiem do podłoża powodują konieczność stosowania podgrzewanych łóżek drukujących w temperaturze powyżej 100°C, aby zapewnić lepszą przyczepność pierwszej warstwy.

Drukarki pozbawione tych minimalnych parametrów nie są w stanie niezawodnie drukować funkcjonalnych części z włókna węglowego od razu po wyjęciu z pudełka, gdyż wskutek ścierania podzespoły bardzo szybko ulegają zużyciu i awarii.Drukarki 3D QIDI Tech są wyposażone 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 przypadku stosowania włókna węglowego

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

• Zamiana dysz: Wymień standardowe dysze na te ze stali hartowanej.
• Bowden &Ochrona ramki: Należy zastosować środki ostrożności, takie jak osłony rur i przedłużek.
• Modernizacja przekładni wytłaczarki: Zamień standardowe przekładnie na metalowe alternatywy na dłuższą metę.
• Przygotowanie powierzchni: Dodatkowe rozwiązania adhezyjne mogą czasami zrekompensować brak podgrzewanych stołów.

Dzięki starannej i stopniowej modernizacji, chroniącej komponenty narażone na największe zużycie, druk z włókna węglowego staje się coraz bardziej opłacalny. Jednak dla uzyskania najłatwiejszych rezultatów i długotrwałej niezawodności, warto wybrać specjalnie zaprojektowane drukarki stacjonarne z wbudowaną ochroną, co eliminuje problemy i frustrację związane z pracą z kapryśnymi filamentami z włókna węglowego.

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

Teraz, gdy omówiliśmy 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 przynoszą cztery główne zalety, których nie dorównują standardowe tworzywa sztuczne:

• Wytrzymałość &Sztywność:Części drukowane z włókna węglowego charakteryzują się stosunkiem wytrzymałości do masy nawet pięciokrotnie większym niż metale takie jak stal i aluminium, co sprawia, że ​​charakteryzują się niezwykłą trwałością i odpornością na obciążenia, zachowując przy tym bardzo niską masę całkowitą.
• Stabilność wymiarowa: Niezwykle niski współczynnik rozszerzalności cieplnej uzyskany dzięki wzmocnieniu sztywnym włóknem węglowym 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 poprawiają przyczepność pierwszej warstwy i późniejszą przyczepność między warstwami wydruku. Uzupełnia to stabilność wymiarową, zapewniając doskonałą jakość wizualnego łączenia warstw, brak widocznych schodków i lepsze wykończenie powierzchni.
• Ciepło &Odporność na płomienie: Włókno węglowe, wykorzystywane już w przemyśle lotniczym i sportach motorowych, charakteryzuje się wysoką odpornością chemiczną, dzięki czemu drukowane części wytrzymują ekstremalnie wysokie temperatury przekraczające 150°C przed zmięknięciem, a ponadto jest niepalne.

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

2. Wady włókna węglowego

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

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

Dzięki inteligentnemu wzmocnieniu włókien minimalizującemu odkształcanie, niskiej absorpcji wilgoci i gęstości, a także odporności na zużycie, Włókno węglowe PA12-CF firmy QIDI Tech stanowi doskonałe rozwiązanie problemów kruchości, przewodności cieplnej i ścierności, z którymi borykają się standardowe kompozyty węglowe. Pozwala to na osiągnięcie większej liczby wspomnianych korzyści przy mniejszej liczbie typowych wad.

Wskazówki dotyczące drukowania 3D z użyciem filamentu z włókna węglowego

Omówiliśmy tło, rodzaje, czynniki przydatności i wady wzmocnionych filamentów węglowych. Teraz przyjrzyjmy się bliżej skutecznemu drukowaniu z tego specjalnego materiału za pomocą stacjonarnych drukarek 3D. Postępuj zgodnie z tymi wskazówkami i najlepszymi praktykami, aby płynnie i efektywnie wykorzystać filament węglowy.

• Niższa prędkość drukowania: Sztywny materiał stawia łatwy opór płynięciu, dlatego należy zmniejszyć prędkość o 30-50%, aby ułatwić wytłaczanie. Dobrze sprawdza się prędkość 45-80 mm/s.
• Maksymalna temperatura druku:Pod wpływem ciepła filament wypływający z dyszy staje się mniej gęsty, dlatego należy naciskać na górne granice bezpieczeństwa końcówki gorącej, aby ułatwić wytłaczanie i uniknąć ryzyka zacięć. 250–320°C to idealna temperatura.
• 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:Nieznacznie cofaj filament pomiędzy kolejnymi etapami drukowania, aby uniknąć problemów z ciągnięciem się, wynikających z nadmiernego wyciekania, co jest częste w przypadku sztywnych materiałów kompozytowych.
• Idealnie wypoziomuj łóżko: Ponownie sprawdź spłaszczenie pierwszej warstwy i wypoziomowanie platformy, aby upewnić się, że przyczepność włókna węglowego na podłożu jest odpowiednia w porównaniu z innymi tworzywami sztucznymi.

Weź pod uwagę zmienne z zakresu materiałoznawstwa włókna węglowego, przeprowadź iterację na podstawie wydruków testowych, a osiągnięcie pięknych, mocnych i wzmocnionych wydruków stanie się z czasem, dzięki praktyce, prostsze.

Odkryj potencjał włókna węglowego dla swoich potrzeb druku 3D!

Włókno węglowe otwiera nowe możliwości druku 3D dla lekkich, trwałych i odpornych na ciepło elementów, niemożliwych do uzyskania przy użyciu zwykłych tworzyw sztucznych. Choć nie jest tak proste, jak standardowe materiały, włókno węglowe otwiera drzwi do tworzenia niestandardowych rozwiązań, spełniających szczególne wymagania, których nie są w stanie spełnić tworzywa sztuczne. Wraz z pojawianiem się coraz większej liczby wzmocnionych filamentów, warto wykorzystać tę szansę, badając dostępne opcje, modernizując drukarki, optymalizując profile poprzez powtarzanie i ostatecznie odkrywając idealne parametry dla potrzeb danego zastosowania.

Najczęściej zadawane pytania dotyczące filamentów z włókna węglowego do druku 3D

P: Jak wytrzymałe jest włókno węglowe?

A: Włókno węglowe może być 5 razy mocniejsze niż stal i aluminium pod względem masy. Elementy drukowane z włókna węglowego charakteryzują się wyjątkową trwałością i odpornością na obciążenia, zachowując jednocześnie bardzo niską masę całkowitą.

P: Jak przechowywać włókna węglowe?

A: Przechowuj filament z włókna węglowego w chłodnym, suchym miejscu, z dala od wilgoci. Idealne warunki przechowywania to temperatura około 18-25°C i wilgotność względna 35-55%. Unikaj wahań temperatury i bezpośredniego nasłonecznienia.

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

O: Tak, filament z włókna węglowego jest generalnie mocniejszy i sztywniejszy niż tworzywo ABS. Charakteryzuje się również niższą rozszerzalnością cieplną, lepszą odpornością na ciepło i lepszą jakością wizualną dzięki mniej widocznym liniom warstw. Wadą jest to, że włókno węglowe jest bardziej kruche.

P: Czy druk 3D włókna węglowego jest wart swojej ceny?

A: W zastosowaniach wymagających wysokiej wytrzymałości, niskiej wagi, stabilności wymiarowej i odporności na ciepło, włókno węglowe może umożliwić rozwiązania nieosiągalne w przypadku zwykłych tworzyw sztucznych, dlatego warto je rozważyć. Wymaga to jednak bardziej zoptymalizowanych drukarek i precyzyjnie dobranych ustawień.

P: Czy drukowanie na włóknie węglowym jest bezpieczne?

A: Przy odpowiedniej dyszy i ulepszeniu maszyny do obróbki materiału ściernego, drukowanie filamentem z włókna węglowego jest bezpieczne. Zaleca się odpowiednią wentylację, tak jak w przypadku każdego materiału do druku 3D.

P: Czy włókno węglowe jest mocniejsze od PLA?

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

Przeczytaj więcej

• Nowe filamenty QIDI
• Rodzaje filamentów do drukarek 3D: kompletny przewodnik (2024)
• Filament do drukarek 3D a żywica: przewodnik dla początkujących