3D tlač s vláknom z uhlíkových vlákien: Ultimate Guide

Vlákno z uhlíkových vlákien je nový materiál, ktorý vytvára vlny v 3D tlači a výrobe aditív. Ako už názov napovedá, obsahuje uhlíkové vlákno - pevné a ľahké vlákno používané v letectve a športe a vyrobené z tenkých prameňov uhlíka. To umožňuje vlákno z uhlíkových vlákien vyrábať 3D tlačené diely s výnimočnou odolnosťou, ktoré sú stále ľahké. Ale čo presne je uhlíkové vlákno a prečo by sa oň mali starať tí, ktorí sa podieľajú na 3D tlači? Začnime od základov.

História a výroba vlákna z uhlíkových vlákien

Zatiaľ čo 3D tlačiteľné vlákno z uhlíkových vlákien sa práve objavuje, základy boli položené späť koncom 50. rokov 20. storočia. Toto znamenalo najskorší prieskum vrstvenia a tkania uhlíkových vlákien do vystužených živicových materiálov. Rýchly posun vpred do roku 1981 - priemysel vyrobil úplne prvé kompozitné bicykle a golfové palice využívajúce tenké uhlíkové vlákna pre bezprecedentnú ľahkú pevnosť.

V posledných rokoch výrobcovia využili rovnaké princípy pri vývoji špeciálnych uhlíkových vlákien kompatibilných so stolnými 3D tlačiarňami. Výrobný proces zarovnáva dlhé pramene uhlíkových vlákien do polymérneho základného materiálu, ako je ABS alebo nylon. 3D tlač potom vytvára diely ukladaním materiálu naplneného uhlíkovými vláknami vrstvu po vrstve podľa digitálnych návrhov.

Karbónové vlákna nielen zvyšujú pevnosť a tuhosť a zároveň znižujú hmotnosť - jeho nízky koeficient tepelnej rozťažnosti pomáha bojovať proti deformácii a problémom s rozmerovou presnosťou spojenou s kolísaním teploty. Táto jedinečná zmes vlastností umožňuje funkčnejšie 3D tlačené nástroje v automobilovom, leteckom a dokonca aj športovom tovare, kde tradičné materiály zaostávajú.

Typy uhlíkových vlákien

Teraz, keď sme pokryli základy toho, ako sa 3D tlačiteľné vlákno z uhlíkových vlákien vyvinulo z kompozitov pre letecký priemysel, prejdime si konkrétne typy, ktoré sú dnes k dispozícii. Existuje niekoľko druhov jadier, ktoré sa líšia dĺžkou uhlíkových vlákien a metódou vystuženia.

1. Krátke vlákno z uhlíkových vlákien

Ako už názov napovedá, uhlíkové vlákna obsiahnuté v tomto vlákne sú malé a merajú všeobecne okolo 0,1-0,7 mm na dĺžku. Myslite na krátke pramene verzus dlhšie pramene podobné vlasom.

Krátka dĺžka napomáha vytláčaniu a celkovej kvalite procesu tlače. Prichádza však s niektorými kompromismi v porovnaní s dlhšími vláknami z uhlíkových vlákien. Pozitívom je, že krátke uhlíkové vlákno sa rovnomerne a predvídateľne rozptýli cez tlačové vrstvy bez rizika zhlukovania vlákien. Izotropné vlastnosti tiež znamenajú, že časti majú podobnú pevnosť vo všetkých smeroch.

Nevýhody použitia krátkeho vlákna z uhlíkových vlákien zahŕňajú menej dramatické zvýšenie pevnosti v porovnaní s inými kompozitmi, ako aj viditeľnejšie línie vrstvy na šikmých krivkách alebo uhloch. Krátke pramene majú jednoducho menší vystužovací potenciál ako dlhšie možnosti.

2. Dlhé uhlíkové vlákno

Opäť verný názvu, dlhé vlákna uhlíkových vlákien využívajú viac vlasových prameňov uhlíkových vlákien s dĺžkou približne 6-12 mm. Dlhšie vlákna umožňujú väčšie vystuženie, ale majú zvýšený potenciál pre nerovnomerné rozptýlenie, ak nie sú správne optimalizované.

Medzi výhody patrí výnimočný pomer pevnosti a hmotnosti, ktorý odráža viac jednosmerného vystuženia uhlíkovými vláknami. Anizotropné vlastnosti tiež znamenajú výrazné zvýšenie pevnosti hlavne v súlade so smerom tlačenej vrstvy oproti viac ohrozeným vlastnostiam pri kolmých uhloch. Menšia viditeľnosť vrstvy tiež zlepšuje povrchovú úpravu kriviek a vysokokvalitné výtlačky.

Nevýhody zahŕňajú predovšetkým zvýšenú starostlivosť, aby sa zabránilo upchatiu trysky a nerovnomernému zhlukovaniu, keď sa dlhšie pramene zhlukujú alebo zamotajú. Hľadanie optimálnych nastavení a konfigurácií je tiež zložitejšie. Dramatická smerová odchýlka pevnosti vyžaduje zváženie smeru zaťaženia pri navrhovaní funkčných častí.

3. Vystužené uhlíkové vlákno

Vystužené vlákna z uhlíkových vlákien využívajú hybridný prístup – naplnenie základných plastov, ako je ABS a nylon, veľmi krátkymi uhlíkovými vláknami pre rozptýlenú pevnosť, a potom pridaním ďalších súvislých prameňov uhlíkových vlákien pre ešte väčšie spevnenie.

To umožňuje silný mechanický výkon podobný čistým dlhým vláknam vďaka manuálnym prameňom vlákien. Vyhýba sa však nepredvídateľným problémom s hrudkovaním, pretože základný materiál už má ako základ rovnomerne rozptýlenú výstuž z krátkych vlákien.

v dôsledku toho zosilnené zmesi uľahčujú tlač a zároveň optimalizujú silu a vizuálnu kvalitu pre začínajúcich používateľov. Jednoduchosť prichádza s určitými kompromismi v maximálnej možnej pevnosti oproti čistým dlhým vláknam. Pre väčšinu aplikácií však hybridný prístup prináša ideálnu rovnováhu.

Môže každá 3D tlačiareň používať uhlíkové vlákno?

Vlákna z uhlíkových vlákien môžu byť špeciálne navrhnuté na podporu 3D tlače, ale nie všetky stolové tlačiarne ich môžu nevyhnutne používať hneď po vybalení. Húževnatý, abrazívny materiál kladie jedinečné požiadavky. Poďme si rozobrať faktory vhodnosti tlačiarne a akékoľvek úpravy potrebné na použitie vlákna z uhlíkových vlákien.

1. Vhodnosť tlačiarne pre uhlíkové vlákno

Vďaka abrazívnosti materiálu a tendencii pomaly, ale isto erodovať životne dôležité komponenty, uhlíkové vlákna vyžadujú tlačiarne vyrobené s kompatibilnými tvrdenými dielmi, aby zvládli základnú funkčnosť:

• Trysky z tvrdenej ocele: Štandardné mosadzné dýzy sa rýchlo opotrebúvajú oterom z pevných uhlíkových vlákien, čo predstavuje riziko impedancie alebo úplného zlyhania dýzy. Potrebná je kalená oceľ.
• Uzavretý rám: Odkryté bowdenové trubice sa tiež časom opotrebúvajú, čo spôsobuje problémy s podávaním alebo neúspešné výtlačky. Uzavreté rámy chránia rúry.
• Zosilnené zariadenie extrudéra: Tuhosť podávania vyžaduje ozubené kolesá extrudéra vyrobené z kovov odolných voči oderu, aby sa zachovala priľnavosť bez odizolovania.
• Vyhrievané postele: Problémy s deformáciou a priľnavosťou k lôžku si vyžadujú vyhrievané tlačové lôžka schopné 100 ̊C+ pre lepšiu trakciu prvej vrstvy.

Tlačiarne, ktorým chýbajú tieto minimálne špecifikácie, nedokážu spoľahlivo vytlačiť funkčné diely z uhlíkových vlákien hneď po vybalení bez toho, aby sa komponenty veľmi rýchlo opotrebovali oderom.3D tlačiarne QIDI Tech obsahujú dýzy z mosadze aj z tvrdenej ocele. To umožňuje používateľom tlačiť štandardné vlákna a vlákna z uhlíkových vlákien bez toho, aby museli robiť akékoľvek úpravy alebo doplnky.

2. Nevyhnutné úpravy pre použitie vlákna z uhlíkových vlákien

Pre tlačiarne bez nainštalovaných tvrdených komponentov, ale inak technicky zdatných, nie je všetka nádej stratená. Niektoré úpravy umožňujú prácu s uhlíkovými vláknami:

• Výmena trysiek: Vymeňte štandardné trysky za kalenú oceľ.
• Ochrana bowdenu a rámu: Pridajte bezpečnostné opatrenia, ako je manžeta na tienenie rúrok a predĺžení.
• Vylepšenia zariadenia extrudéra: Vymeňte štandardné prevody za kovové alternatívy dlhodobo.
• Príprava povrchu: Dodatočné adhézne riešenia môžu niekedy kompenzovať nedostatok vyhrievaných postelí.

Vďaka starostlivosti a postupným inováciám na ochranu komponentov vystavených najväčšiemu opotrebovaniu sa tlač z uhlíkových vlákien stáva životaschopnejšou.Ak však chcete dosiahnuť najjednoduchšie výsledky a trvalú spoľahlivosť, výber účelových stolových tlačiarní s integrovanou integrovanou ochranou odstraňuje problémy a frustráciu pri práci s temperamentnými vláknami z uhlíkových vlákien.

Prečo si vybrať vlákno z uhlíkových vlákien pre 3D tlač?

Teraz, keď sme pokryli výrobné procesy, typy filamentov z uhlíkových vlákien a úvahy o kompatibilite tlačiarní, poďme preskúmať bod rozhodnutia – prečo používať uhlíkové vlákno oproti tradičnejším materiálom pre 3D tlač? Aké jedinečné výhody a nevýhody prinášajú vystužené vlákna z uhlíkových vlákien?

1. Výhody použitia vlákna z uhlíkových vlákien

Kompozity z uhlíkových vlákien prinášajú štyri hlavné výhody, ktorým sa základné plasty nevyrovnajú:

• Pevnosť a tuhosť:S pomerom pevnosti a hmotnosti, ktorý dokonca až 5-násobne prevyšuje kovy, ako je oceľ a hliník, časti s potlačou z uhlíkových vlákien ponúkajú pozoruhodnú trvanlivosť a odolnosť voči zaťaženiu, pričom si zachovávajú veľmi nízku celkovú hmotnosť.
• Rozmerová stabilita: Extrémne nízky koeficient tepelnej rozťažnosti vďaka pevnému vystuženiu uhlíkovými vláknami znamená, že tlačené diely si zachovávajú presné tolerancie v širokom delte okolitých teplôt bez toho, aby sa roztiahli alebo zmršťovali o viac ako 1 %.
• Vizuálna kvalita: Pramene z uhlíkových vlákien zlepšujú trakciu prvej vrstvy a následnú priľnavosť medzi vrstvami tlače. Toto dopĺňa rozmerovú stabilitu o nádhernú vizuálnu kvalitu spájania vrstiev bez viditeľných stupňov a vylepšených povrchových úprav.
• Odolnosť voči teplu a ohňu: Vysoká chemická odolnosť uhlíkových vlákien, ktoré sa už používajú v leteckom a motoristickom športe, sa premení na tlačené časti, ktoré pred zmäknutím odolávajú extrémne vysokým teplotám presahujúcim 150 °C, ako aj nehorľavé vlastnosti.

Od využitia extrémnej nízkej pevnosti až po odolnosť voči teplotám alebo chemickej degradácii, vlákna z uhlíkových vlákien umožňujú aplikácie ďaleko za hranicami bežného chodu. PLA a ABS tlačí prostredníctvom vlastností, ktoré sa v domácich plastoch jednoducho nenachádzajú.

2. Nevýhody vlákna z uhlíkových vlákien

Uvedomenie si týchto vytúžených výkonnostných výhod však prináša aj niektoré praktické nevýhody, ktoré je potrebné zvážiť:

• Abrazivita: Odolné vlákna z uhlíkových vlákien rýchlo erodujú trysky, prevody a komponenty, ktoré nie sú špeciálne tvrdené, čo obmedzuje širokú kompatibilitu s tlačiarňami a životnosť dielov.
• Krehkosť a tuhosť: Zatiaľ čo pevným a tuhým kompozitom z uhlíkových vlákien chýba pružnosť a odolnosť proti nárazu, v porovnaní s tým náhle zlyhajú pod príliš veľkou silou namiesto toho, aby sa dočasne ohli ako ABS alebo nylon.
• Vodivosť: Vysoká tepelná a elektrická vodivosť môže pri absencii tepelných ovládacích prvkov skomplikovať uzavretú tlač, čím hrozí prehriatie alebo skrat.

Vďaka inteligentnému vystuženiu vlákien, ktoré minimalizuje deformáciu, nízku absorpciu vlhkosti a hustotu, plus odolnosť proti opotrebovaniu, Vlákno z uhlíkových vlákien PA12-CF od QIDI Tech poskytuje vynikajúce riešenie problémov s krehkosťou, tepelnou vodivosťou a abrazivitou, ktorým čelia štandardné uhlíkové kompozity. To umožňuje zachytiť viac zo spomínaných výhod s menším počtom typických nevýhod.

Tipy pre 3D tlač s uhlíkovým vláknom

Pokryli sme pozadie, typy, faktory vhodnosti a kompromisy vystužených uhlíkových vlákien. Teraz sa pozrime na úspešnú tlač s týmto špeciálnym materiálom pomocou stolných 3D tlačiarní.Postupujte podľa týchto tipov a osvedčených postupov pre hladké a efektívne používanie vlákna z uhlíkových vlákien.

• Pomalá tlač sa zníži: Pevný materiál ľahko tečie, preto znížte rýchlosti o 30-50%, aby ste uľahčili vytláčanie. 45-80mm/s funguje dobre.
• Maximalizácia teploty tlače:Teplo zmäkčuje tok vlákna z dýzy, takže zatlačte na hornú hranicu bezpečnosti vášho horúceho konca pre jednoduchšie vytláčanie bez rizika zaseknutia. Ideálna je 250‒320 ̊C.
• Uzavretá vyhrievaná komora: Izolujte oblasť tlače a priveďte dodatočné teplo, aby ste udržali vysoké okolité teploty. 3D tlačiarne QIDI Tech majú pokročilú uzavretú komoru s aktívnou reguláciou ohrevu. To ďalej uľahčuje tok a zabraňuje deformácii dielov. Odporúča sa 50-80 ̊C.
• Povoliť nastavenia stiahnutia:Medzi jednotlivými cestami tlače mierne potiahnite vlákno, aby ste zmiernili problémy s navliekaním prameniace z nadmerného vytekania bežného u tuhých kompozitov.
• Dokonale rovná posteľ: Opätovne overte stlačenie prvej vrstvy a vyrovnanie platformy, aby ste zaistili správnu priľnavosť pre zníženú trakciu uhlíkových vlákien v posteli v porovnaní s inými plastmi.

Faktor v premenných z materiálovej vedy za uhlíkovými vláknami, iterujte na základe testovacích výtlačkov a dosiahnutie krásnych silných vystužených výtlačkov sa postupom času zjednodušuje praxou.

Odomknite potenciál uhlíkových vlákien pre vaše potreby v oblasti 3D tlače!

Uhlíkové vlákno otvára nové možnosti 3D tlače pre ľahké, trvanlivé a tepelne odolné diely, ktoré sú nemožné s bežnými plastmi. Hoci uhlíkové vlákno nie je také jednoduché ako štandardné materiály, otvára dvere vývoju prispôsobených riešení, ktoré spĺňajú konkrétne požiadavky, ktoré základné plasty nedokážu dosiahnuť. Keď sa objavia ďalšie vystužené vlákna, využite túto výhodu skúmaním možností, inováciou tlačiarní, optimalizáciou profilov opakovaním a nakoniec objavením ideálnych parametrov pre potreby vašej aplikácie.

Časté otázky o uhlíkových vláknach pre 3D tlač

Otázka: Aké silné je vlákno z uhlíkových vlákien?

Odpoveď: Vlákno z uhlíkových vlákien môže byť podľa hmotnosti 5-krát silnejšie ako oceľ a hliník. Diely potlačené vláknom z uhlíkových vlákien ponúkajú výnimočnú trvanlivosť a odolnosť voči zaťaženiu pri zachovaní veľmi nízkej celkovej hmotnosti.

Otázka: Ako skladujete vlákna z uhlíkových vlákien?

Odpoveď: Vlákno z uhlíkových vlákien skladujte na chladnom a suchom mieste mimo dosahu vlhkosti. Ideálne skladovacie podmienky sú okolo 18-25°C a 35-55% relatívna vlhkosť. Vyhnite sa teplotným výkyvom a priamemu slnečnému žiareniu.

Otázka: Je 3D tlačené uhlíkové vlákno lepšie ako ABS?

Odpoveď: Áno, vlákno z uhlíkových vlákien je vo všeobecnosti silnejšie a pevnejšie ako plast ABS. Má tiež nižšiu tepelnú rozťažnosť, lepšiu tepelnú odolnosť a lepšiu vizuálnu kvalitu s menej viditeľnými líniami vrstiev. Kompromisom je, že uhlíkové vlákna sú krehkejšie.

Otázka: Stojí za to 3D tlač z uhlíkových vlákien?

Odpoveď: Pre aplikácie vyžadujúce vysokú pevnosť, nízku hmotnosť, rozmerovú stabilitu a tepelnú odolnosť môžu uhlíkové vlákna umožniť riešenia, ktoré nie sú možné s bežnými plastmi, takže stojí za to preskúmať. Vyžaduje si to optimalizovanejšie tlačiarne a vytáčané nastavenia.

Otázka: Je bezpečné tlačiť na uhlíkové vlákna?

Odpoveď: So správnymi vylepšeniami trysky a stroja na manipuláciu s abrazívnym materiálom je tlač vlákna z uhlíkových vlákien bezpečná. Odporúča sa správne vetranie ako pri akomkoľvek 3D tlačovom materiáli.

Otázka: Je vlákno z uhlíkových vlákien pevnejšie ako PLA?

Odpoveď: Áno, vlákna vystužené uhlíkovými vláknami sú oveľa pevnejšie ako štandardné PLA, pokiaľ ide o pevnosť v ťahu, tuhosť a maximálnu nosnosť.

Prečítajte si viac

• Nové vlákna QIDI
• Typy vlákien 3D tlačiarní: Kompletný sprievodca (2024)
• Vlákno 3D tlačiarne vs živica: Príručka pre začiatočníkov