Imprimare 3D cu filament din fibră de carbon: Ghid final
Filamentul din fibră de carbon este un material inovator care face furori în imprimarea 3D și fabricația aditivă. După cum sugerează și numele, încorporează fibră de carbon - o fibră solidă și ușoară utilizată în industria aerospațială și sportivă, fabricată din fire subțiri de carbon. Acest lucru permite filamentului din fibră de carbon să producă piese imprimate 3D cu o durabilitate excepțională, care sunt în același timp ușoare. Dar ce este exact filamentul din fibră de carbon și de ce ar trebui să fie atenți cei implicați în imprimarea 3D? Să începem cu elementele de bază.
Istoricul și fabricarea filamentului din fibră de carbon
Deși filamentul din fibră de carbon imprimabil 3D abia acum este în curs de dezvoltare, bazele au fost puse din nou. la sfârșitul anilor 1950. Aceasta a marcat cea mai veche explorare a stratificării și țeserii fibrei de carbon în materiale de rășină armate. Să trecem rapid la 1981 - industria a produs primele biciclete și crose de golf din materiale compozite, utilizând fibre subțiri de carbon pentru o rezistență la greutate redusă fără precedent.
În ultimii ani, Producătorii au folosit aceleași principii pentru a dezvolta filamente speciale din fibră de carbon compatibile cu imprimantele 3D desktop. Procesul de producție aliniază fire lungi de fibră de carbon într-un material polimeric de bază, precum ABS sau nailon. Imprimarea 3D construiește apoi piese prin așezarea strat cu strat a materialului infuzat cu fibră de carbon, conform unor modele digitale.
Fibra de carbon nu numai că sporește rezistența și rigiditatea, reducând în același timp greutatea - coeficientul său scăzut de dilatare termică ajută la combaterea problemelor de deformare și precizie dimensională asociate cu fluctuațiile de temperatură. Această combinație unică de proprietăți permite realizarea unor scule imprimate 3D mai funcționale în industria auto, aerospațială și chiar în industria articolelor sportive, acolo unde materialele tradiționale sunt deficiente.
Tipuri de filamente din fibră de carbon
Acum că am acoperit elementele de bază ale evoluției filamentelor din fibră de carbon imprimabile 3D din compozitele de calitate aerospațială, haideți să trecem în revistă tipurile specifice disponibile astăzi. Există câteva varietăți de bază diferențiate prin lungimea fibrei de carbon și metoda de armare.
1. Filament scurt din fibră de carbon
După cum sugerează și numele, Fibrele de carbon conținute în acest filament sunt mici și măsoară, în general, în jur de 0,1-0,7 mm lungime. Gândește-te la fire scurte versus fire mai lungi, asemănătoare părului.
Lungimea scurtă ajută la extrudare și la calitatea generală a procesului de imprimare. Dar vine cu unele compromisuri în comparație cu filamentele mai lungi din fibră de carbon. Partea pozitivă este că fibra scurtă de carbon se dispersează uniform și previzibil prin straturile de imprimare, fără riscul ca fibrele să se aglomereze în anumite zone. Proprietățile izotrope înseamnă, de asemenea, că piesele au rezistențe similare în toate direcțiile.
Dezavantajele utilizării filamentelor scurte din fibră de carbon includ câștiguri de rezistență mai mici față de alte compozite, precum și linii de stratificare mai vizibile pe curbe sau unghiuri înclinate. Firele scurte au pur și simplu un potențial de armare mai mic decât opțiunile mai lungi.
2. Filament lung din fibră de carbon
Din nou, fidel numelui, Filamentele lungi din fibră de carbon utilizează fire de fibră de carbon mai asemănătoare firelor de păr, cu o lungime de aproximativ 6-12 mm. Fibrele mai lungi permit o armare mai mare, dar au un potențial crescut de dispersie neuniformă dacă nu sunt optimizate corect.
Avantajele includ raporturi excepționale rezistență-greutate, care reflectă o ranforsare mai unidirecțională cu fibră de carbon. Proprietățile anizotrope înseamnă, de asemenea, câștiguri notabile de rezistență, în principal în conformitate cu direcția stratului de imprimare, față de proprietățile mai compromise la unghiuri perpendiculare. Vizibilitatea mai mică a straturilor îmbunătățește, de asemenea, finisajul suprafeței pe curbe și pe imprimări de înaltă calitate.
Dezavantajele implică în principal o atenție sporită pentru a preveni înfundarea duzelor și aglomerarea neuniformă atunci când firele mai lungi se strâng sau se încurcă. Găsirea setărilor și configurațiilor optime este, de asemenea, mai dificilă. Prejudecata dramatică a rezistenței direcționale necesită luarea în considerare a direcției sarcinii la proiectarea pieselor funcționale.
3. Filament din fibră de carbon armat
Filamentele din fibră de carbon ranforsată adoptă o abordare hibridă - infuzând materiale plastice de bază, precum ABS și nailon, cu fibre de carbon foarte scurte pentru o rezistență dispersată, apoi adăugând fire continue suplimentare de fibră de carbon pentru o ranforsare și mai mare.
Acest lucru permite o performanță mecanică puternică, similară filamentelor din fibre lungi pure, datorită firelor de fibre prelucrate manual. Dar evită problemele imprevizibile de aglomerare, deoarece materialul de bază are deja o armătură cu fibre scurte dispersate uniform ca fundație.
Ca urmare, Amestecurile ranforsate facilitează imprimarea, optimizând în același timp rezistența și calitatea vizuală pentru utilizatorii mai începători. Ușurința vine la pachet cu unele compromisuri în ceea ce privește rezistența maximă posibilă față de filamentele cu fibre lungi. Dar pentru majoritatea aplicațiilor, abordarea hibridă aduce un echilibru ideal.
Poate orice imprimantă 3D să folosească filament din fibră de carbon?
Filamentele din fibră de carbon pot fi special proiectate pentru imprimarea 3D, dar nu toate imprimantele desktop le pot utiliza neapărat din fabrică. Materialul dur și abraziv prezintă cerințe unice. Să analizăm factorii de compatibilitate ai imprimantei și orice modificări necesare pentru utilizarea filamentului din fibră de carbon.
1. Compatibilitatea imprimantei cu filamentul din fibră de carbon
Datorită abrazivității materialului și tendinței sale de a eroda lent, dar sigur, componentele vitale, filamentul din fibră de carbon necesită imprimante fabricate cu piese compatibile, călite, doar pentru a putea funcționa de bază:
- Duze din oțel călit: Duzele standard din alamă se uzează rapid sub abraziunea fibrelor rigide de carbon, riscând impedanța sau defectarea totală a duzei. Oțelul călit este aproape obligatoriu.
- Cadru închis: Tuburile Bowden expuse se uzează și ele în timp, cauzând probleme de alimentare sau imprimări eșuate. Ramele închise protejează tuburile.
- Angrenaj extruder ranforsat: Rigiditatea alimentării necesită angrenaje ale extruderului fabricate din metale rezistente la abraziune pentru a menține aderența fără a se deteriora.
- Paturi încălzite: Problemele de deformare și aderență a patului de imprimare necesită paturi de imprimare încălzite, capabile de peste 100 °C, pentru o tracțiune mai bună a primului strat.
Imprimantele care nu au aceste specificații minime nu pot imprima în mod fiabil piese funcționale din fibră de carbon direct din cutie, fără ca componentele să se uzeze foarte repede și să se deterioreze din cauza abraziunii.Imprimantele 3D QIDI Tech includ duze atât din alamă, cât și din oțel călit. Acest lucru permite utilizatorilor să imprime filamente standard și din fibră de carbon fără a fi nevoie să facă modificări sau adăugiri.
2. Modificări necesare pentru utilizarea filamentului din fibră de carbon
Pentru imprimantele fără componente securizate instalate, dar care sunt altfel capabile din punct de vedere tehnic, nu se pierde toată speranța. Unele modificări permit lucrul cu fibră de carbon:
- Schimbări de duze: Înlocuiți duzele standard cu cele din oțel călit.
- Protecție Bowden și a cadrului: Adăugați măsuri de precauție precum manșoanele pentru a proteja tuburile și extensiile.
- Upgrade-uri ale angrenajului extruderului: Schimbați angrenajele standard cu alternative metalice pe termen lung.
- Pregătirea suprafeței: Soluțiile suplimentare de aderență pot compensa uneori lipsa paturilor încălzite.
Cu grijă și îmbunătățiri graduale pentru a proteja componentele cele mai uzate, imprimarea cu fibră de carbon devine mai viabilă. Dar pentru cele mai simple rezultate și o fiabilitate susținută, optarea pentru imprimante desktop special concepute, cu protecție integrată, elimină dificultățile și frustrarea atunci când se lucrează cu filamente de fibră de carbon temperamentale.
De ce să alegeți filamentul din fibră de carbon pentru imprimarea 3D?
Acum că am acoperit procesele de fabricație, tipurile de filamente din fibră de carbon și considerațiile privind compatibilitatea imprimantelor, haideți să explorăm punctul de decizie - De ce să folosești filament din fibră de carbon față de materialele de imprimare 3D mai tradiționale? Ce beneficii și dezavantaje unice vin odată cu filamentele din fibră de carbon ranforsată?
1. Avantajele utilizării filamentului din fibră de carbon
Compozitele din fibră de carbon aduc patru avantaje principale, neegalate de materialele plastice de bază:
- Rezistență și rigiditate:Cu raporturi rezistență-greutate care depășesc chiar și metale precum oțelul și aluminiul de până la 5 ori, piesele imprimate cu fibră de carbon oferă o durabilitate și o rezistență la sarcină remarcabile, păstrând în același timp o masă totală foarte ușoară.
- Stabilitate dimensională: Coeficientul de dilatare termică extrem de scăzut, datorită armăturii rigide din fibră de carbon, înseamnă că piesele imprimate mențin toleranțe precise pe o gamă largă de temperaturi ambientale, fără a se dilata sau contracta cu mai mult de 1%.
- Calitate vizuală: Firele de fibră de carbon îmbunătățesc tracțiunea primului strat și aderența ulterioară dintre straturile imprimate. Acest lucru suplimentează stabilitatea dimensională cu o calitate vizuală superbă a lipirii straturilor, fără trepte vizibile, și finisaje de suprafață îmbunătățite.
- Rezistență la căldură și flacără: Deja utilizată în industria aerospațială și în sporturile cu motor, rezistența chimică ridicată a fibrei de carbon permite transformarea în piese imprimate care rezistă la temperaturi extrem de ridicate, care depășesc 150°C, înainte de a se înmuia, precum și în caracteristici neinflamabile.
De la utilizarea unei greutăți extreme, la rezistența la temperatură sau la degradarea chimică, filamentele din fibră de carbon permit aplicații mult mai ample decât cele obișnuite. PLA și ABS imprimă prin proprietăți pur și simplu negăsite în materialele plastice de uz casnic.
2. Dezavantajele filamentului din fibră de carbon
Totuși, realizarea acestor beneficii de performanță râvnite vine cu unele dezavantaje practice de luat în considerare:
- Abrazivitate: Firele robuste din fibră de carbon erodează rapid duzele, angrenajele și componentele care nu sunt special întărite, limitând compatibilitatea largă a imprimantelor și longevitatea pieselor.
- Fragilitate și rigiditate: Deși sunt puternice și rigide, compozitele din fibră de carbon nu au flexibilitate și rezistență la impact, prin comparație, cedând brusc sub o forță prea mare, în loc să se îndoaie temporar, precum ABS-ul sau... nailon.
- Conductivitate: Conductivitatea termică și electrică ridicată poate complica imprimarea în spații închise în absența controalelor termice, riscând supraîncălzirea sau scurtcircuitele.
Cu armarea inteligentă a fibrelor care minimizează deformarea, absorbția redusă a umidității și densitatea, plus rezistența la uzură, Filamentul de fibră de carbon PA12-CF de la QIDI Tech oferă o soluție excelentă pentru problemele de fragilitate, conductivitate termică și abrazivitate cu care se confruntă compozitele standard din carbon. Acest lucru permite obținerea mai multor beneficii menționate cu mai puține dezavantaje tipice.
Sfaturi pentru imprimarea 3D cu filament de fibră de carbon
Am acoperit contextul, tipurile, factorii de adecvare și compromisurile filamentelor din fibră de carbon ranforsate. Acum, haideți să analizăm cu atenție imprimarea cu succes a acestui material special folosind imprimante 3D desktop. Urmați aceste sfaturi și cele mai bune practici pentru o utilizare eficientă și fără probleme a filamentului din fibră de carbon.
- Viteze de imprimare reduse: Materialul rigid rezistă la curgerea ușoară, așadar reduceți vitezele cu 30-50% pentru a facilita extrudarea. 45-80 mm/s funcționează bine.
- Maximizarea temperaturilor de imprimare:Căldura înmoaie fluxul filamentului din duză, așa că împingeți până la limitele superioare ale gradului de siguranță al capătului de imprimare pentru o extrudare mai ușoară, fără riscul de blocaje. 250‒320 °C este ideal.
- Cameră încălzită închisă: Izolați zona de imprimare și introduceți căldură suplimentară pentru a menține temperaturile ambientale ridicate. Imprimante 3D QIDI Tech dispun de o cameră închisă avansată cu control activ al încălzirii. Acest lucru facilitează și mai mult curgerea și previne deformarea pieselor. Se recomandă 50-80 °C.
- Activați setările de retragere:Trageți ușor filamentul înapoi între deplasările de imprimare pentru a atenua problemele de înfășurare cauzate de excesul de scurgere, comun în cazul materialelor compozite rigide.
- Nivelați perfect patul: Verificați din nou comprimarea primului strat și nivelarea platformei pentru a asigura o aderență adecvată pentru tracțiunea redusă a fibrei de carbon pe patul de acoperire față de alte materiale plastice.
Luați în considerare variabile din știința materialelor din spatele fibrei de carbon, iterați pe baza unor imprimeuri de testare și obținerea unor imprimeuri frumoase, puternice și ranforsate devine mai simplă în timp, prin practică.
Deblochează potențialul fibrei de carbon pentru nevoile tale de imprimare 3D!
Fibra de carbon deschide noi posibilități de imprimare 3D pentru piese ușoare, durabile și rezistente la căldură, imposibil de realizat cu materialele plastice obișnuite. Deși nu este la fel de simplă ca materialele standard, fibra de carbon deschide ușile pentru dezvoltarea de soluții personalizate care să răspundă unor cerințe specifice pe care materialele plastice de bază nu le pot îndeplini. Pe măsură ce apar tot mai multe filamente ranforsate, profitați de acest lucru investigând opțiuni, modernizând imprimantele, optimizând profilurile prin repetiție și, în cele din urmă, descoperind parametrii ideali pentru nevoile aplicației dumneavoastră.
Întrebări frecvente despre filamentul din fibră de carbon pentru imprimarea 3D
Î: Cât de rezistent este filamentul din fibră de carbon?
R: Filamentul din fibră de carbon poate fi de 5 ori mai rezistent decât oțelul și aluminiul ca greutate. Piesele imprimate cu filament din fibră de carbon oferă o durabilitate și o rezistență la sarcină excepționale, păstrând în același timp o masă totală foarte ușoară.
Î: Cum depozitați filamentele din fibră de carbon?
R: Depozitați filamentul din fibră de carbon într-un loc răcoros, uscat și ferit de umiditate. Condițiile ideale de depozitare sunt în jur de 18-25°C și 35-55% umiditate relativă. Evitați fluctuațiile de temperatură și expunerea directă la lumina soarelui.
Î: Este fibra de carbon imprimată 3D mai bună decât ABS-ul?
R: Da, filamentul din fibră de carbon este în general mai rezistent și mai rigid decât plasticul ABS. De asemenea, are o dilatare termică mai mică, o rezistență mai bună la căldură și o calitate vizuală îmbunătățită, cu linii de stratificare mai puțin vizibile. Dezavantajul este că fibra de carbon este mai fragilă.
Î: Merită imprimarea 3D din fibră de carbon?
R: Pentru aplicații care necesită rezistență ridicată, greutate redusă, stabilitate dimensională și rezistență la căldură, fibra de carbon poate oferi soluții imposibile cu materialele plastice obișnuite, așa că merită explorată. Necesită imprimante mai optimizate și setări personalizate.
Î: Este sigur să imprim pe fibră de carbon?
R: Cu duze și mașini modernizate corespunzător pentru a gestiona materialul abraziv, imprimarea filamentului din fibră de carbon este sigură. Se recomandă o ventilație adecvată, ca în cazul oricărui material de imprimare 3D.
Î: Filamentul din fibră de carbon este mai rezistent decât PLA?
R: Da, filamentele armate cu fibră de carbon sunt mult mai puternice decât PLA standard în ceea ce privește rezistența la tracțiune, rigiditatea și capacitatea maximă de încărcare.
