Impressão 3D com filamento de fibra de carbono: Guia final

O filamento de fibra de carbono é um material inovador que está fazendo sucesso na impressão 3D e na manufatura aditiva. Como o nome sugere, ele incorpora fibra de carbono - uma fibra sólida e leve usada na indústria aeroespacial e esportiva e feita de fios finos de carbono. Isso permite que o filamento de fibra de carbono produza peças impressas em 3D com durabilidade excepcional que ainda são leves. Mas o que exatamente é filamento de fibra de carbono e por que aqueles envolvidos na impressão 3D devem se importar? Vamos começar com o básico.

História e fabricação de filamentos de fibra de carbono

Embora o filamento de fibra de carbono imprimível em 3D esteja apenas surgindo agora, as bases foram lançadas no final da década de 1950. Isso viu a primeira exploração da sobreposição e tecelagem de fibra de carbono em materiais de resina reforçada. Avanço rápido para 1981 - a indústria produziu as primeiras bicicletas e tacos de golfe compostos utilizando fibras de carbono finas para uma resistência leve sem precedentes.

Nos últimos anos, Os fabricantes aproveitaram esses mesmos princípios para desenvolver filamentos especiais de fibra de carbono compatíveis com impressoras 3D de mesa. O processo de produção alinha longos fios de fibra de carbono em um material de base de polímero, como ABS ou náilon. A impressão 3D então constrói as peças depositando o material com infusão de fibra de carbono camada por camada, de acordo com os designs digitais.

A fibra de carbono não só reforça a resistência e a rigidez, como também reduz o peso - seu baixo coeficiente de expansão térmica ajuda a combater problemas de empenamento e precisão dimensional associados a flutuações de temperatura. Essa mistura única de propriedades está permitindo ferramentas impressas em 3D mais funcionais em produtos automotivos, aeroespaciais e até mesmo esportivos, onde os materiais tradicionais ficam aquém.

Tipos de filamentos de fibra de carbono

Agora que cobrimos os conceitos básicos de como o filamento de fibra de carbono imprimível em 3D evoluiu a partir de compósitos de grau aeroespacial, vamos analisar os tipos específicos disponíveis hoje. Existem algumas variedades de núcleo diferenciadas pelo comprimento da fibra de carbono e método de reforço.

1. Filamento curto de fibra de carbono

Como o nome sugere, as fibras de carbono contidas neste filamento são pequenas e medem geralmente cerca de 0,1-0,7 mm de comprimento. Pense em fios curtos em vez de fios mais longos, como cabelos.

O comprimento curto auxilia na extrusão e na qualidade geral do processo de impressão. Mas ele vem com algumas compensações em comparação com filamentos de fibra de carbono mais longos. No lado positivo, a fibra de carbono curta se dispersa uniformemente e previsivelmente pelas camadas de impressão sem o risco de fibras se aglomerarem em pontos. Propriedades isotrópicas também significam que as peças têm resistências semelhantes em todas as direções.

As desvantagens de usar filamentos curtos de fibra de carbono incluem ganhos de resistência menos dramáticos em comparação a outros compostos, bem como linhas de camada mais visíveis em curvas ou ângulos inclinados. Os fios curtos simplesmente têm menos potencial de reforço do que opções mais longas.

2. Filamento longo de fibra de carbono

Fiel ao nome novamente, longos filamentos de fibra de carbono utilizam fios de fibra de carbono mais semelhantes a cabelos, medindo aproximadamente 6-12 mm de comprimento. As fibras mais longas permitem maior reforço, mas têm maior potencial de dispersão irregular se não forem otimizadas corretamente.

As vantagens incluem relações excepcionais de resistência e peso, refletindo um reforço de fibra de carbono mais unidirecional. Propriedades anisotrópicas também significam ganhos de resistência notáveis ​​principalmente em linha com a direção da camada de impressão versus propriedades mais comprometidas em ângulos perpendiculares. Menos visibilidade da camada também melhora o acabamento da superfície em curvas e impressões de alta qualidade.

As desvantagens envolvem principalmente maior cuidado para evitar entupimentos no bico e aglomerações irregulares quando os fios mais longos ficam presos ou emaranhados. Encontrar configurações e ajustes ideais também é mais complicado. O viés dramático da força direcional requer considerar a direção da carga ao projetar peças funcionais.

3. Filamento de fibra de carbono reforçado

Os filamentos de fibra de carbono reforçados adotam uma abordagem híbrida: infundem plásticos básicos como ABS e náilon com fibras de carbono muito curtas para resistência dispersa e, em seguida, adicionam fios de fibra de carbono contínuos adicionais para reforço ainda maior.

Isso permite um forte desempenho mecânico semelhante ao dos filamentos de fibras longas puras, graças aos fios de fibra manuais. Mas evita problemas imprevisíveis de aglomeração, pois o material base já tem reforço de fibra curta uniformemente disperso como base.

Como resultado, misturas reforçadas facilitam a impressão ao mesmo tempo em que otimizam a resistência e a qualidade visual para usuários mais novatos. A facilidade vem com algumas compensações na força máxima possível versus filamentos de fibra longa pura. Mas para a maioria das aplicações, a abordagem híbrida traz um equilíbrio ideal.

Qualquer impressora 3D pode usar filamento de fibra de carbono?

Os filamentos de fibra de carbono podem ser especialmente projetados para oferecer suporte à impressão 3D, mas nem todas as impressoras de mesa podem necessariamente utilizá-los imediatamente. O material resistente e abrasivo impõe algumas exigências únicas. Vamos analisar os fatores de adequação da impressora e quaisquer modificações necessárias para usar filamento de fibra de carbono.

1. Adequação da impressora para filamento de fibra de carbono

Devido à abrasividade do material e à tendência de corroer componentes vitais de forma lenta, mas segura, o filamento de fibra de carbono exige impressoras feitas com peças endurecidas compatíveis apenas para lidar com a funcionalidade básica:

• Bicos de aço temperado: Bicos de latão padrão desgastam-se rapidamente sob abrasão das fibras de carbono rígidas, arriscando impedância ou falha total do bico. Aço temperado é quase obrigatório.
• Moldura fechada: Tubos Bowden expostos também se desgastam com o tempo, causando problemas de alimentação ou impressões com falha. Molduras fechadas protegem os tubos.
• Engrenagem Extrusora Reforçada: A rigidez da alimentação requer engrenagens extrusoras feitas de metais resistentes à abrasão para manter a aderência sem descascar.
• Camas aquecidas: Problemas de deformação e adesão da cama exigem camas de impressão aquecidas com capacidade para 100 °C+ para melhor tração da primeira camada.

Impressoras que não possuem essas especificações mínimas não conseguem imprimir peças funcionais de fibra de carbono prontas para uso sem que os componentes se desgastem muito rapidamente devido à abrasão.As impressoras 3D da QIDI Tech incluem bicos de latão e aço temperado. Isso permite que os usuários imprimam filamentos de fibra de carbono e padrão sem precisar fazer modificações ou adições.

2. Modificações necessárias para uso de filamento de fibra de carbono

Para impressoras sem componentes endurecidos instalados, mas tecnicamente capazes, nem tudo está perdido. Algumas modificações permitem trabalhar com fibra de carbono:

• Trocas de bicos: Substitua os bicos padrão por bicos de aço temperado.
• Proteção Bowden & Frame: Adicione precauções como proteção de tubos e extensões.
• Atualizações de engrenagens da extrusora: Troque engrenagens padrão por alternativas de metal a longo prazo.
• Preparação da superfície: Soluções de adesão adicionais podem, às vezes, compensar a falta de leitos aquecidos.

Com cuidado e atualizações graduais para proteger os componentes que sofrem maior desgaste, a impressão em fibra de carbono se torna mais viável.Mas para resultados mais fáceis e confiabilidade sustentada, optar por impressoras de mesa especialmente projetadas com proteção integrada elimina o incômodo e a frustração ao trabalhar com filamentos de fibra de carbono temperamentais.

Por que escolher filamento de fibra de carbono para impressão 3D?

Agora que abordamos os processos de fabricação, os tipos de filamentos de fibra de carbono e as considerações sobre compatibilidade da impressora, vamos explorar o ponto de decisão: por que usar filamento de fibra de carbono em comparação com materiais de impressão 3D mais tradicionais? Quais são os benefícios e desvantagens exclusivos dos filamentos de fibra de carbono reforçados?

1. Vantagens de usar filamento de fibra de carbono

Os compósitos de fibra de carbono oferecem quatro vantagens principais inigualáveis ​​aos plásticos básicos:

• Resistência e rigidez:Com relações resistência-peso que excedem até mesmo metais como aço e alumínio em até 5 vezes, as peças impressas em fibra de carbono oferecem durabilidade e resistência à carga notáveis, mantendo ao mesmo tempo uma massa geral muito leve.
• Estabilidade dimensional: O coeficiente de expansão térmica extremamente baixo graças ao reforço rígido de fibra de carbono significa que as peças impressas mantêm tolerâncias precisas em uma ampla faixa de temperaturas ambientes sem expandir ou contrair mais de 1%.
• Qualidade visual: Os fios de fibra de carbono melhoram a tração da primeira camada e a adesão subsequente entre as camadas de impressão. Isso complementa a estabilidade dimensional com uma qualidade de colagem de camada visual deslumbrante, sem degraus visíveis e acabamentos de superfície aprimorados.
• Resistência ao calor e à chama: Já utilizada na indústria aeroespacial e no automobilismo, a alta resistência química da fibra de carbono faz com que as peças impressas suportem temperaturas extremamente altas, acima de 150 °C antes de amolecer, além de apresentar características não inflamáveis.

Desde a alavancagem da resistência extremamente leve até a resistência à temperatura ou à degradação química, os filamentos de fibra de carbono permitem aplicações muito além das comuns PLA e ABS impressões através de propriedades simplesmente não encontradas em plásticos domésticos.

2. Desvantagens do filamento de fibra de carbono

No entanto, perceber esses cobiçados benefícios de desempenho também traz algumas desvantagens práticas a serem consideradas:

• Abrasividade: Os fios de fibra de carbono resistentes corroem rapidamente bicos, engrenagens e componentes não especialmente endurecidos, limitando a compatibilidade ampla da impressora e a longevidade das peças.
• Fragilidade e rigidez: Embora fortes e rígidos, os compostos de fibra de carbono carecem de flexibilidade e resistência ao impacto, em comparação, falhando repentinamente sob muita força em vez de dobrar temporariamente como ABS ou nylon.
• Condutividade: A alta condutividade térmica e elétrica pode complicar a impressão em ambientes fechados na ausência de controles térmicos, causando risco de superaquecimento ou curto-circuitos.

Com seu reforço de fibra inteligente minimizando empenamento, baixa absorção de umidade e densidade, além de resistência ao desgaste, Filamento de fibra de carbono PA12-CF da QIDI Tech fornece uma excelente solução para os problemas de fragilidade, condutividade térmica e abrasividade enfrentados pelos compósitos de carbono padrão. Isso permite capturar mais dos benefícios mencionados com menos desvantagens típicas.

Dicas para impressão 3D com filamento de fibra de carbono

Abordamos o contexto, os tipos, os fatores de adequação e as compensações dos filamentos de fibra de carbono reforçados. Agora, vamos detalhar a impressão bem-sucedida com esse material especial usando impressoras 3D de mesa.Siga estas dicas e práticas recomendadas para um uso suave e eficaz do filamento de fibra de carbono.

• Velocidades de impressão lentas diminuem: O material rígido resiste ao fluxo facilmente, então reduza a velocidade em 30-50% para facilitar a extrusão. 45-80 mm/s funciona bem.
• Maximizar temperaturas de impressão:O calor suaviza o fluxo do filamento do bico, então vá até os limites superiores da classificação de segurança da sua extremidade quente para uma extrusão mais fácil sem risco de atolamentos. 250‒320 ̊C é o ideal.
• Câmara aquecida fechada: Isole a área de impressão e introduza calor suplementar para manter a temperatura ambiente alta. Impressoras 3D QIDI Tech apresentam uma câmara fechada avançada com controle de aquecimento ativo. Isso facilita ainda mais o fluxo e evita a deformação das peças. Recomenda-se 50-80 ̊C.
• Habilitar configurações de retração:Puxe o filamento ligeiramente para trás entre as viagens de impressão para atenuar problemas de encadeamento decorrentes do excesso de vazamento comum em compósitos rígidos.
• Cama nivelada perfeitamente: Verifique novamente o esmagamento da primeira camada e o nivelamento da plataforma para garantir a aderência adequada para a tração reduzida da cama de fibra de carbono em comparação com outros plásticos.

Considere variáveis ​​da ciência dos materiais por trás da fibra de carbono, repita com base em impressões de teste e, com o tempo, com a prática, será mais fácil obter impressões bonitas e reforçadas.

Libere o potencial da fibra de carbono para suas necessidades de impressão 3D!

A fibra de carbono abre novas possibilidades de impressão 3D para peças leves, duráveis ​​e resistentes ao calor, impossíveis com plásticos comuns. Embora não seja tão simples quanto os materiais padrão, a fibra de carbono abre portas para o desenvolvimento de soluções personalizadas que atendem a demandas específicas que os plásticos básicos não conseguem atingir. À medida que mais filamentos reforçados surgem, aproveite investigando opções, atualizando impressoras, otimizando perfis por meio da repetição e, finalmente, descobrindo os parâmetros ideais para suas necessidades de aplicação.

Perguntas frequentes sobre filamento de fibra de carbono para impressão 3D

P: Quão forte é o filamento de fibra de carbono?

A: O filamento de fibra de carbono pode ser 5 vezes mais forte que o aço e o alumínio em peso. As peças impressas com filamento de fibra de carbono oferecem durabilidade e resistência à carga excepcionais, mantendo uma massa geral muito leve.

P: Como você armazena filamentos de fibra de carbono?

A: Armazene o filamento de fibra de carbono em um local fresco e seco, longe da umidade. As condições ideais de armazenamento são em torno de 18-25°C e 35-55% de umidade relativa. Evite oscilações de temperatura e exposição direta à luz solar.

P: A fibra de carbono impressa em 3D é melhor que o ABS?

R: Sim, o filamento de fibra de carbono é geralmente mais forte e mais rígido do que o plástico ABS. Ele também tem menor expansão térmica, melhor resistência ao calor e melhor qualidade visual com menos linhas de camada visíveis. A desvantagem é que a fibra de carbono é mais quebradiça.

P: A impressão 3D em fibra de carbono vale a pena?

R: Para aplicações que precisam de alta resistência, baixo peso, estabilidade dimensional e resistência ao calor, a fibra de carbono pode permitir soluções não possíveis com plásticos comuns, então vale a pena explorar. Ela requer impressoras mais otimizadas e configurações discadas.

P: É seguro imprimir em fibra de carbono?

R: Com atualizações adequadas de bico e máquina para lidar com o material abrasivo, a impressão de filamento de fibra de carbono é segura. Ventilação adequada é recomendada, assim como com qualquer material de impressão 3D.

P: O filamento de fibra de carbono é mais forte que o PLA?

R: Sim, os filamentos reforçados com fibra de carbono são muito mais fortes que o PLA padrão em termos de resistência à tração, rigidez e capacidade máxima de carga.

Ler mais

• QIDI Novos Filamentos
• Tipos de filamentos para impressoras 3D: um guia completo (2024)
• Filamento de impressora 3D vs resina: guia para iniciantes