3D tlač s vláknom z uhlíkových vlákien: Ultimate Guide
Uhlíkové vlákno je nový materiál, ktorý robí vlny v 3D tlači a aditívnej výrobe. Ako už názov napovedá, obsahuje uhlíkové vlákno – pevné a ľahké vlákno používané v leteckom a kozmickom priemysle a športe, vyrobené z tenkých uhlíkových vlákien. To umožňuje vyrábať z uhlíkových vlákien 3D tlačené diely s výnimočnou odolnosťou, ktoré sú zároveň ľahké. Čo však vlastne uhlíkové vlákno je a prečo by sa oň mali zaujímať tí, ktorí sa venujú 3D tlači? Začnime so základmi.
História a výroba uhlíkových vlákien
Zatiaľ čo 3D tlačiteľné uhlíkové vlákno sa len teraz objavuje, základy boli položené už dávno. koncom 50. rokov 20. storočia. Toto viedlo k najskoršiemu prieskumu vrstvenia a tkania uhlíkových vlákien do vystužených živicových materiálov. Presuňme sa do roku 1981 - priemysel vyrobil úplne prvé kompozitné bicykle a golfové palice s použitím tenkých uhlíkových vlákien pre bezprecedentnú nízku pevnosť.
V posledných rokoch Výrobcovia využili tieto isté princípy na vývoj špeciálnych filamentov z uhlíkových vlákien kompatibilných so stolovými 3D tlačiarňami. Výrobný proces zarovnáva dlhé pramene uhlíkových vlákien v polymérnom základnom materiáli, ako je ABS alebo nylon. 3D tlač potom vytvára diely nanášaním materiálu s obsahom uhlíkových vlákien vrstvu po vrstve podľa digitálnych návrhov.
Uhlíkové vlákno nielenže zvyšuje pevnosť a tuhosť a zároveň znižuje hmotnosť - jeho nízky koeficient tepelnej rozťažnosti pomáha bojovať proti problémom s deformáciou a rozmerovou presnosťou spojeným s výkyvmi teploty. Táto jedinečná kombinácia vlastností umožňuje výrobu funkčnejších 3D tlačených nástrojov v automobilovom, leteckom a dokonca aj športovom priemysle, kde tradičné materiály nedostatočne slúžia.
Typy uhlíkových vlákien
Teraz, keď sme si prebrali základy vývoja 3D tlačiteľných uhlíkových vlákien z kompozitov leteckej kvality, poďme sa pozrieť na konkrétne typy, ktoré sú dnes dostupné. Existuje niekoľko variantov jadra, ktoré sa líšia dĺžkou uhlíkových vlákien a metódou vystuženia.
1. Krátke uhlíkové vlákno
Ako už názov napovedá, Uhlíkové vlákna obsiahnuté v tomto filamente sú malé a ich dĺžka je vo všeobecnosti okolo 0,1 – 0,7 mm. Predstavte si krátke pramene oproti dlhším prameňom podobným vlasom.
Krátka dĺžka napomáha extrúzii a celkovej kvalite tlačového procesu. V porovnaní s dlhšími uhlíkovými vláknami však prináša určité nevýhody. Na druhej strane, krátke uhlíkové vlákno sa rovnomerne a predvídateľne rozptyľuje v tlačených vrstvách bez rizika zhlukovania vlákien na miestach. Izotropné vlastnosti tiež znamenajú, že diely majú podobnú pevnosť vo všetkých smeroch.
Nevýhody použitia krátkych uhlíkových vlákien zahŕňajú menej dramatické zvýšenie pevnosti v porovnaní s inými kompozitmi, ako aj viditeľnejšie vrstvy na šikmých krivkách alebo uhloch. Krátke vlákna majú jednoducho menší vystužovací potenciál ako dlhšie možnosti.
2. Dlhé uhlíkové vlákno
Opäť verný menu, Dlhé uhlíkové vlákna využívajú viac vlasových uhlíkových vlákien s dĺžkou približne 6 – 12 mm. Dlhšie vlákna umožňujú väčšie vystuženie, ale majú zvýšený potenciál pre nerovnomerné rozptyl, ak nie sú správne optimalizované.
Medzi výhody patrí výnimočný pomer pevnosti a hmotnosti, ktorý odráža jednosmernú výstuž z uhlíkových vlákien. Anizotropné vlastnosti tiež znamenajú výrazné zvýšenie pevnosti, najmä v súlade so smerom tlačenej vrstvy, v porovnaní s horšími vlastnosťami pri kolmých uhloch. Menšia viditeľnosť vrstvy tiež zlepšuje povrchovú úpravu na krivkách a vysokokvalitných výtlačkoch.
Nevýhody zahŕňajú predovšetkým zvýšenú starostlivosť, aby sa zabránilo upchávaniu trysky a nerovnomernému zhlukovaniu, keď sa dlhšie pramene zhlukujú alebo zamotávajú. Nájdenie optimálnych nastavení a konfigurácií je tiež zložitejšie. Dramatické smerové odchýlenie pevnosti si vyžaduje zohľadnenie smeru zaťaženia pri navrhovaní funkčných častí.
3. Vystužené uhlíkové vlákno
Vystužené uhlíkové vlákna používajú hybridný prístup - spájajú základné plasty ako ABS a nylon s veľmi krátkymi uhlíkovými vláknami pre rozptýlenú pevnosť a potom pridávajú ďalšie súvislé pramene uhlíkových vlákien pre ešte väčšie vystuženie.
To umožňuje silný mechanický výkon podobný čistým dlhým vláknam vďaka manuálnym prameňom vlákien. Ale zabráni sa tým nepredvídateľným problémom s hrudkovaním, pretože základný materiál už má rovnomerne rozptýlenú výstuž z krátkych vlákien ako základ.
V dôsledku toho, Zosilnené zmesi uľahčujú tlač a zároveň optimalizujú pevnosť a vizuálnu kvalitu pre začínajúcich používateľov. Jednoduchosť síce prináša určité kompromisy v maximálnej možnej pevnosti oproti čistým dlhým vláknam. Pre väčšinu aplikácií však hybridný prístup prináša ideálnu rovnováhu.
Môže ktorákoľvek 3D tlačiareň použiť uhlíkové vlákno?
Uhlíkové vlákna môžu byť špeciálne navrhnuté pre podporu 3D tlače, ale nie všetky stolové tlačiarne ich dokážu nevyhnutne používať hneď po vybalení. Tento odolný a abrazívny materiál predstavuje určité jedinečné požiadavky. Poďme si rozobrať faktory vhodnosti tlačiarne a akékoľvek úpravy potrebné na použitie uhlíkových vlákien.
1. Vhodnosť tlačiarne pre uhlíkové vlákna
Vzhľadom na abrazivitu materiálu a jeho tendenciu pomaly, ale isto narúšať dôležité komponenty, uhlíkové vlákna vyžadujú tlačiarne vyrobené s kompatibilnými kalenými dielmi, aby zvládli základné funkcie:
- Trysky z kalenej ocele: Štandardné mosadzné trysky sa rýchlo opotrebúvajú oderom od pevných uhlíkových vlákien, čo riskuje impedanciu alebo úplné zlyhanie trysky. Kalená oceľ je takmer nevyhnutná.
- Uzavretý rám: Odkryté Bowdenove trubice sa tiež časom opotrebúvajú, čo spôsobuje problémy s podávaním alebo neúspešnú tlač. Uzavreté rámy chránia trubice.
- Zosilnené ozubené koleso extrudéra: Tuhosť pri podávaní vyžaduje ozubené kolesá extrudéra vyrobené z kovov odolných voči oderu, aby sa zachoval úchop bez odlupovania.
- Vyhrievané postele: Problémy s deformáciou a priľnavosťou tlačovej podložky si vyžadujú vyhrievané tlačové podložky s teplotou 100 °C a viac pre lepšiu trakciu prvej vrstvy.
Tlačiarne, ktoré nespĺňajú tieto minimálne špecifikácie, nedokážu spoľahlivo tlačiť funkčné súčiastky z uhlíkových vlákien ihneď po vybalení z krabice bez toho, aby sa komponenty veľmi rýchlo opotrebovali a pokazili v dôsledku oderu.3D tlačiarne QIDI Tech obsahujú mosadzné aj kalenú oceľové trysky. To umožňuje používateľom tlačiť štandardné aj uhlíkové vlákna bez nutnosti akýchkoľvek úprav alebo doplnkov.
2. Potrebné úpravy pre použitie uhlíkových vlákien
Pre tlačiarne bez nainštalovaných kalených komponentov, ktoré sú inak technicky schopné, 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 preventívne opatrenia, ako je napríklad ochrana trubíc a predĺžení.
- Vylepšenia extrudéra: Z dlhodobého hľadiska vymeňte štandardné ozubené kolesá za kovové alternatívy.
- Príprava povrchu: Dodatočné adhézne riešenia môžu niekedy kompenzovať nedostatok vyhrievaných lôžok.
S opatrnosťou a postupnými modernizáciami na ochranu komponentov vystavených najväčšiemu opotrebovaniu sa tlač uhlíkových vlákien stáva životaschopnejšou. Pre dosiahnutie najjednoduchších výsledkov a trvalú spoľahlivosť však výber stolových tlačiarní s integrovanou ochranou eliminuje problémy a frustráciu pri práci s nestabilnými filamentmi z uhlíkových vlákien.
Prečo si vybrať uhlíkové vlákno pre 3D tlač?
Teraz, keď sme si prebrali výrobné procesy, typy filamentov z uhlíkových vlákien a aspekty kompatibility tlačiarní, pozrime sa na bod rozhodovania - prečo používať uhlíkové vlákno oproti tradičnejším materiálom pre 3D tlač? Aké jedinečné výhody a nevýhody prinášajú vystužené uhlíkové vlákna?
1. Výhody použitia uhlíkových vlákien
Kompozity z uhlíkových vlákien prinášajú štyri hlavné výhody, ktoré sa neporovnajú so základnými plastmi:
- Pevnosť a tuhosť:S pomerom pevnosti k hmotnosti, ktorý až 5-krát prevyšuje dokonca aj kovy ako oceľ a hliník, ponúkajú diely potlačené uhlíkovými vláknami pozoruhodnú odolnosť a odolnosť voči zaťaženiu pri zachovaní veľmi nízkej celkovej hmotnosti.
- Rozmerová stabilita: Extrémne nízky koeficient tepelnej rozťažnosti vďaka pevnej výstuži z uhlíkových vlákien znamená, že tlačené diely si zachovávajú presné tolerancie v širokom rozsahu okolitých teplôt bez rozťahovania alebo zmršťovania o viac ako 1 %.
- Vizuálna kvalita: Vlákna z uhlíkových vlákien zlepšujú trakciu prvej vrstvy a následnú priľnavosť medzi tlačenými vrstvami. To dopĺňa rozmerovú stabilitu s nádhernou vizuálnou kvalitou spojenia vrstiev bez viditeľných krokiev a vylepšenou povrchovou úpravou.
- Odolnosť voči teplu a ohňu: Uhlíkové vlákna, ktoré sa už používajú v leteckom priemysle a motoristickom športe, sa vďaka svojej vysokej chemickej odolnosti premieňajú na tlačené diely, ktoré odolávajú extrémne vysokým teplotám presahujúcim 150 °C pred zmäknutím, a zároveň majú nehorľavé vlastnosti.
Od využitia extrémne nízkej hmotnosti a pevnosti až po odolnosť voči teplote alebo chemickej degradácii, filamenty z uhlíkových vlákien umožňujú aplikácie ďaleko za hranicami bežných technológií. PLA a ABS tlačí vďaka vlastnostiam, ktoré sa v domácich plastoch jednoducho nenachádzajú.
2. Nevýhody uhlíkových vlákien
Avšak dosiahnutie týchto žiadaných výhod v oblasti výkonu prináša aj niektoré praktické nevýhody, ktoré treba zvážiť:
- Abrazivosť: Robustné uhlíkové vlákna rýchlo erodujú trysky, ozubené kolesá a komponenty, ktoré nie sú špeciálne kalené, čo obmedzuje širokú kompatibilitu tlačiarní a životnosť súčiastok.
- Krehkosť a tuhosť: Hoci sú kompozity z uhlíkových vlákien pevné a tuhé, chýba im flexibilita a odolnosť voči nárazu, pretože sa náhle zrútia pri príliš veľkej sile, namiesto toho, aby sa dočasne ohli ako ABS alebo... nylon.
- Vodivosť: Vysoká tepelná a elektrická vodivosť môže skomplikovať tlač v uzavretých priestoroch bez tepelnej regulácie, čo môže viesť k prehriatiu alebo skratom.
Vďaka inteligentnej výstuži z vlákien minimalizujúcej deformáciu, nízkej absorpcii vlhkosti a hustote a odolnosti proti opotrebovaniu, Uhlíkové vlákno PA12-CF od QIDI Tech poskytuje vynikajúce riešenie problémov s krehkosťou, tepelnou vodivosťou a abrazivnosťou, ktorým čelia štandardné uhlíkové kompozity. To umožňuje zachytiť viac spomínaných výhod s menším počtom typických nevýhod.
Tipy pre 3D tlač s uhlíkovými vláknami
Prebrali sme si pozadie, typy, faktory vhodnosti a kompromisy vystužených uhlíkových vlákien. Teraz sa pozrime na úspešnú tlač s týmto špeciálnym materiálom pomocou stolových 3D tlačiarní. Riaďte sa týmito tipmi a osvedčenými postupmi pre bezproblémové a efektívne používanie uhlíkových vlákien.
- Pomalá tlač sa zrýchľuje: Pevný materiál odoláva ľahkému toku, preto znížte rýchlosť o 30 – 50 %, aby sa uľahčila extrúzia. Rozsah 45 – 80 mm/s funguje dobre.
- Maximalizácia teplôt tlače:Teplo zmäkčuje tok filamentu z trysky, preto pre jednoduchšiu extrúziu bez rizika zaseknutia tlačte na horné hranice bezpečnostných parametrov vášho hotendu. Ideálna teplota je 250 – 320 °C.
- Uzavretá vyhrievaná komora: Izolujte oblasť tlače a zaveďte dodatočné teplo, aby ste udržali vysokú teplotu okolia. 3D tlačiarne QIDI Tech majú pokročilú uzavretú komoru s aktívnym ovládaním ohrevu. Toto ďalej uľahčuje tok a zabraňuje deformácii súčiastok. Odporúča sa teplota 50 – 80 °C.
- Povoliť nastavenia stiahnutia:Medzi jednotlivými tlačovými pohybmi filament mierne potiahnite dozadu, aby ste zmiernili problémy s navliekaním, ktoré vyplývajú z nadmerného presakovania, čo je bežné pri tuhých kompozitoch.
- Dokonale vyrovnaná posteľ: Znovu overte stlačenie prvej vrstvy a vyrovnanie plošiny, aby ste zabezpečili správnu priľnavosť uhlíkových vlákien k zníženej trakcii lôžka v porovnaní s inými plastmi.
Zohľadnite premenné z materiálovej vedy, ktorá stojí za uhlíkovými vláknami, iterujte na základe testovacích výtlačkov a dosiahnutie krásnych, silných a vystužených výtlačkov sa časom a praxou zjednoduší.
Odomknite potenciál uhlíkových vlákien pre vaše potreby 3D tlače!
Uhlíkové vlákno otvára nové možnosti 3D tlače pre ľahké, odolné a tepelne odolné diely, ktoré nie sú možné s bežnými plastmi. Hoci nie je také jednoduché ako štandardné materiály, uhlíkové vlákno otvára dvere k vývoju riešení na mieru, ktoré spĺňajú špecifické požiadavky, ktoré základné plasty nedokážu dosiahnuť. S objavením sa stále väčšieho množstva vystužených vlákien využite túto výhodu skúmaním možností, modernizáciou tlačiarní, optimalizáciou profilov opakovaním a nakoniec objavením ideálnych parametrov pre potreby vašej aplikácie.
Často kladené otázky o uhlíkových vláknach pre 3D tlač
Otázka: Aká pevná je uhlíková vláknina?
A: Uhlíkové vlákno môže byť 5-krát pevnejšie ako oceľ a hliník podľa hmotnosti. Súčiastky potlačené uhlíkovým vláknom ponúkajú výnimočnú odolnosť a odolnosť voči zaťaženiu a zároveň si zachovávajú veľmi nízku celkovú hmotnosť.
Otázka: Ako skladujete filamenty z uhlíkových vlákien?
A: Filament z uhlíkových vlákien skladujte na chladnom a suchom mieste mimo dosahu vlhkosti. Ideálne skladovacie podmienky sú okolo 18 – 25 °C a 35 – 55 % relatívnej vlhkosti. Nevystavujte teplotným výkyvom a priamemu slnečnému žiareniu.
Otázka: Je 3D tlačené uhlíkové vlákno lepšie ako ABS?
A: Áno, uhlíkové vlákno je vo všeobecnosti pevnejšie a tuhšie ako ABS plast. Má tiež nižšiu tepelnú rozťažnosť, lepšiu tepelnú odolnosť a lepšiu vizuálnu kvalitu s menej viditeľnými líniami vrstiev. Nevýhodou je, že uhlíkové vlákno je krehkejšie.
Otázka: Oplatí sa 3D tlač z uhlíkových vlákien?
A: 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 sa oplatí ich preskúmať. Vyžaduje si to optimalizovanejšie tlačiarne a presnejšie nastavenia.
Otázka: Je bezpečné tlačiť na uhlíkové vlákno?
A: S vhodnou tryskou a vylepšením stroja na manipuláciu s abrazívnym materiálom je tlač z uhlíkových vlákien bezpečná. Odporúča sa správne vetranie, rovnako ako pri akomkoľvek 3D tlačovom materiáli.
Otázka: Je uhlíkový filament pevnejší ako PLA?
A: Áno, filamenty vystužené uhlíkovými vláknami sú oveľa pevnejšie ako štandardný PLA, čo sa týka pevnosti v ťahu, tuhosti a maximálnej nosnosti.
