3D tiskanje z filamentom iz ogljikovih vlaken: Ultimate Guide

Filament iz ogljikovih vlaken je nov material, ki povzroča valove v 3D tiskanju in aditivni proizvodnji. Kot že ime pove, vključuje ogljikova vlakna – trdna in lahka vlakna, ki se uporabljajo v letalstvu in športu ter so narejena iz tankih karbonskih niti. To omogoča filamentu iz ogljikovih vlaken za izdelavo 3D-natisnjenih delov z izjemno vzdržljivostjo, ki so še vedno lahki. Toda kaj točno je filament iz ogljikovih vlaken in zakaj bi moralo skrbeti tiste, ki se ukvarjajo s 3D-tiskanjem? Začnimo z osnovami.

Zgodovina in proizvodnja filamentov iz ogljikovih vlaken

Čeprav se filamenti iz ogljikovih vlaken za 3D tiskanje šele pojavljajo, so bili temelji postavljeni v poznih petdesetih letih. To je pomenilo najzgodnejše raziskovanje plastenja in tkanja ogljikovih vlaken v ojačane smolne materiale. Hitro naprej v leto 1981 - industrija je izdelala prva kompozitna kolesa in palice za golf, ki so uporabljala tanka ogljikova vlakna za izjemno lahko moč.

V zadnjih letih, proizvajalci so uporabili ta ista načela za razvoj posebnih filamentov iz ogljikovih vlaken, združljivih z namiznimi 3D-tiskalniki. Proizvodni proces poravna dolge niti ogljikovih vlaken v polimernem osnovnem materialu, kot sta ABS ali najlon. 3D-tiskanje nato sestavi dele s polaganjem materiala z ogljikovimi vlakni plast za plastjo v skladu z digitalnimi zasnovami.

Ogljikova vlakna ne le povečajo moč in togost, hkrati pa zmanjšajo težo - njegov nizek koeficient toplotnega raztezanja pomaga v boju proti upogibanju in težavam z dimenzijsko natančnostjo, ki so povezana s temperaturnimi nihanji. Ta edinstvena mešanica lastnosti omogoča bolj funkcionalna 3D natisnjena orodja v avtomobilski, vesoljski in celo športni opremi, kjer tradicionalni materiali ne uspejo.

Vrste filamentov iz ogljikovih vlaken

Zdaj, ko smo pokrili osnove o tem, kako so se filamenti iz ogljikovih vlaken, ki jih je mogoče 3D tiskati, razvili iz kompozitov za vesoljsko uporabo, pojdimo še na posebne vrste, ki so danes na voljo. Obstaja nekaj osnovnih različic, ki se razlikujejo po dolžini ogljikovih vlaken in načinu ojačitve.

1. Kratka nitka iz ogljikovih vlaken

Kot že ime pove, ogljikova vlakna v tem filamentu so majhna in na splošno merijo približno 0,1-0,7 mm v dolžino. Pomislite na kratke pramene v primerjavi z daljšimi prameni, podobnimi lasem.

Kratka dolžina pomaga pri iztiskanju in splošni kakovosti tiskanja. Vendar ima nekaj kompromisov v primerjavi z daljšimi filamenti iz ogljikovih vlaken. Pozitivna stran je, da se kratka ogljikova vlakna enakomerno in predvidljivo porazdelijo po tiskalnih slojih brez nevarnosti, da bi se vlakna zbrala v pike. Izotropne lastnosti tudi pomenijo, da imajo deli podobno moč v vseh smereh.

Slabosti uporabe kratkega filamenta iz ogljikovih vlaken vključujejo manj dramatično povečanje trdnosti v primerjavi z drugimi kompoziti, pa tudi bolj vidne linije plasti na nagnjenih krivuljah ali kotih. Kratki prameni imajo preprosto manj ojačitvenega potenciala kot daljše možnosti.

2. Dolga vlakna iz ogljikovih vlaken

Spet zvest imenu, dolgi filamenti iz ogljikovih vlaken uporabljajo pramene iz ogljikovih vlaken, ki so bolj lasu podobne, in merijo približno 6-12 mm v dolžino. Daljša vlakna omogočajo večjo ojačitev, vendar imajo povečan potencial za neenakomerno razpršitev, če niso pravilno optimizirana.

Prednosti vključujejo izjemno razmerje med trdnostjo in težo, ki odraža več enosmerne ojačitve iz ogljikovih vlaken. Anizotropne lastnosti pomenijo tudi opazno povečanje trdnosti, predvsem v skladu s smerjo tiskalne plasti v primerjavi z bolj ogroženimi lastnostmi pri pravokotnih kotih. Manjša vidnost plasti izboljša tudi površinsko obdelavo krivulj in visokokakovostne natise.

Slabosti vključujejo predvsem večjo nego, da se prepreči zamašitev šob in neenakomerno strjevanje, ko se daljši prameni zberejo ali zapletajo. Iskanje optimalnih nastavitev in konfiguracij je tudi težje. Dramatično odstopanje smerne trdnosti zahteva upoštevanje smeri obremenitve pri načrtovanju funkcionalnih delov.

3. Ojačana nitka iz ogljikovih vlaken

Ojačani filamenti iz ogljikovih vlaken uporabljajo hibridni pristop – v osnovno plastiko, kot sta ABS in najlon, dodajo zelo kratka ogljikova vlakna za razpršeno trdnost, nato pa dodajo dodatne neprekinjene niti iz ogljikovih vlaken za še večjo ojačitev.

To omogoča močne mehanske lastnosti, podobne filamentom iz čistih dolgih vlaken, zahvaljujoč ročnim nitim vlaken. Vendar se izogne ​​nepredvidljivim težavam z grudicami, saj ima osnovni material kot osnovo že enakomerno razpršeno ojačitev s kratkimi vlakni.

Kot rezultat, ojačane mešanice olajšajo tiskanje, hkrati pa optimizirajo moč in vizualno kakovost za uporabnike začetnike. Enostavnost prihaja z nekaterimi kompromisi v največji možni trdnosti v primerjavi s filamenti iz čistih dolgih vlaken. Toda za večino aplikacij prinaša hibridni pristop idealno ravnotežje.

Ali lahko kateri koli 3D-tiskalnik uporablja žarilno nitko iz ogljikovih vlaken?

Filamenti iz ogljikovih vlaken so lahko posebej izdelani za podporo 3D-tiskanju, vendar ni nujno, da jih vsi namizni tiskalniki uporabljajo takoj, ko so že pripravljeni. Trden, abraziven material postavlja posebne zahteve. Razčlenimo dejavnike primernosti tiskalnika in morebitne spremembe, potrebne za uporabo filamenta iz ogljikovih vlaken.

1. Primernost tiskalnika za žarilno nitko iz ogljikovih vlaken

Zahvaljujoč abrazivnosti materiala in nagnjenosti k počasnemu, a zanesljivemu erodiranju vitalnih komponent potrebuje filament iz ogljikovih vlaken tiskalnike, izdelane iz združljivih utrjenih delov, samo za obvladovanje osnovnih funkcij:

• Šobe iz kaljenega jekla: Standardne medeninaste šobe se hitro obrabijo zaradi obrabe zaradi trdih ogljikovih vlaken, kar tvega impedanco ali popolno odpoved šob. Kaljeno jeklo je skoraj obvezno.
• Priložen okvir: Izpostavljene Bowdenove cevi se sčasoma tudi obrabijo, kar povzroča težave pri podajanju ali neuspešne odtise. Zaprti okvirji ščitijo cevi.
• Ojačano orodje ekstruderja: Zaradi togosti podajanja so potrebni zobniki ekstruderja iz kovin, odpornih proti obrabi, da ohranijo oprijem brez lupljenja.
• Ogrevane postelje: Težave z zvijanjem in oprijemom postelje zahtevajo ogrevane tiskalne postelje, ki lahko dosežejo 100 ̊C+ za boljši oprijem prve plasti.

Tiskalniki, ki nimajo teh minimalnih specifikacij, ne morejo zanesljivo tiskati funkcionalnih delov iz ogljikovih vlaken, ki so že pripravljeni, ne da bi se komponente zelo hitro obrabile do okvare zaradi obrabe.3D-tiskalniki QIDI Tech vključujejo medeninaste šobe in šobe iz kaljenega jekla. To uporabnikom omogoča tiskanje standardnih filamentov in filamentov iz ogljikovih vlaken, ne da bi morali narediti kakršne koli spremembe ali dodatke.

2. Potrebne spremembe za uporabo filamenta iz ogljikovih vlaken

Za tiskalnike brez nameščenih utrjenih komponent, ki so sicer tehnično zmogljivi, upanje ni izgubljeno. Nekatere modifikacije omogočajo delo z ogljikovimi vlakni:

• Menjava šob: Zamenjajte standardne šobe s kaljenim jeklom.
• Bowden in zaščita okvirja: Zaščitnim cevkam in podaljškom dodajte varnostne ukrepe, kot je obloga.
• Nadgradnje opreme ekstruderja: Dolgoročno zamenjajte standardne prestave za kovinske alternative.
• Priprava površine: Dodatne adhezijske rešitve lahko včasih nadomestijo pomanjkanje ogrevanih postelj.

S skrbnostjo in postopnimi nadgradnjami za zaščito komponent, ki se najbolj obrabijo, postane tiskanje iz ogljikovih vlaken bolj izvedljivo.Toda za najlažje rezultate in trajno zanesljivost se odločite za namensko izdelane namizne tiskalnike z vgrajeno vgrajeno zaščito, ki odpravlja težave in frustracije pri delu s temperamentnimi filamenti iz ogljikovih vlaken.

Zakaj izbrati filament iz ogljikovih vlaken za 3D tiskanje?

Zdaj, ko smo obravnavali proizvodne postopke, vrste filamentov iz ogljikovih vlaken in pomisleke glede združljivosti tiskalnika, poglejmo točko odločitve – zakaj uporabljati filament iz ogljikovih vlaken v primerjavi z bolj tradicionalnimi materiali za 3D tiskanje? Katere edinstvene prednosti in slabosti prinašajo filamenti iz ogljikovih vlaken?

1. Prednosti uporabe filamenta iz ogljikovih vlaken

Kompoziti iz ogljikovih vlaken prinašajo štiri glavne prednosti, ki jim osnovna plastika ni para:

• Trdnost in togost:Z razmerjem med trdnostjo in težo, ki do 5x presega celo kovine, kot sta jeklo in aluminij, deli, natisnjeni iz ogljikovih vlaken, nudijo izjemno vzdržljivost in odpornost na obremenitve, hkrati pa ohranjajo zelo majhno skupno maso.
• Dimenzijska stabilnost: Izjemno nizek koeficient toplotnega raztezanja zaradi trdne ojačitve iz ogljikovih vlaken pomeni, da imajo natisnjeni deli natančne tolerance pri široki delti temperatur okolja, ne da bi se razširili ali skrčili za več kot 1 %.
• Vizualna kakovost: Prameni iz ogljikovih vlaken povečajo oprijem prve plasti in kasnejši oprijem med tiskarskimi plastmi. To dopolnjuje dimenzijsko stabilnost s čudovito vizualno kakovostjo lepljenja sloja brez vidnih korakov in izboljšanimi površinskimi zaključki.
• Odpornost na vročino in plamen: Visoka kemična odpornost ogljikovih vlaken, ki se že uporablja v vesoljskem in motošportu, se pretvori v tiskane dele, ki prenesejo izjemno visoke temperature, ki presegajo 150 °C, preden se zmehčajo, ter negorljive lastnosti.

Od izkoriščanja izjemno lahke trdnosti do odpornosti na temperaturo ali kemično razgradnjo, filamenti iz ogljikovih vlaken omogočajo aplikacije, ki presegajo običajne PLA in ABS odtisne skozi lastnosti, ki jih gospodinjska plastika preprosto ne najde.

2. Pomanjkljivosti filamenta iz ogljikovih vlaken

Vendar pa uresničevanje teh želenih prednosti delovanja prinaša tudi nekaj praktičnih slabosti, ki jih je treba upoštevati:

• Abrazivnost: Robustna vlakna iz ogljikovih vlaken hitro razjedajo šobe, zobnike in komponente, ki niso posebej utrjene, kar omejuje široko združljivost tiskalnikov in dolgo življenjsko dobo delov.
• Krhkost in togost: Čeprav so močni in togi, kompoziti iz ogljikovih vlaken nimajo prožnosti in odpornosti na udarce, za primerjavo, nenadoma odpovejo pod preveliko silo, namesto da bi se začasno upognili kot ABS ali najlon.
• Prevodnost: Visoka toplotna in električna prevodnost lahko oteži zaprto tiskanje brez termičnega nadzora, kar lahko povzroči pregrevanje ali kratek stik.

S pametno ojačitvijo vlaken, ki zmanjšuje zvijanje, nizko absorpcijo vlage in gostoto ter odpornost proti obrabi, Filament iz ogljikovih vlaken PA12-CF podjetja QIDI Tech zagotavlja odlično rešitev za težave s krhkostjo, toplotno prevodnostjo in abrazivnostjo, s katerimi se soočajo standardni ogljikovi kompoziti. To omogoča zajemanje več omenjenih prednosti z manj značilnimi slabostmi.

Nasveti za 3D tiskanje s filamentom iz ogljikovih vlaken

Pokrili smo ozadje, vrste, dejavnike primernosti in kompromise filamentov iz ogljikovih vlaken. Zdaj pa se poglobimo v uspešno tiskanje s tem posebnim materialom z uporabo namiznih 3D tiskalnikov.Upoštevajte te nasvete in najboljše prakse za gladko in učinkovito uporabo filamenta iz ogljikovih vlaken.

• Počasno tiskanje se zmanjša: Togi material se upira lahkemu pretoku, zato zmanjšajte hitrost za 30-50 %, da olajšate iztiskanje. 45-80 mm/s deluje dobro.
• Najvišje temperature tiskanja:Toplota zmehča tok filamenta iz šobe, zato potisnite do zgornjih meja varnostne ocene vašega vročega konca za lažje iztiskanje brez tveganja zastojev. Idealna je 250‒320 ̊C.
• Zaprta ogrevana komora: Izolirajte območje tiskanja in uvedite dodatno toploto, da ohranite visoke temperature okolja. 3D tiskalniki QIDI Tech imajo napredno zaprto komoro z aktivnim nadzorom ogrevanja. To dodatno olajša pretok in prepreči zvijanje delov. Priporočljivo je 50-80 ̊C.
• Omogoči nastavitve umika:Filament rahlo potegnite nazaj med tiskalnimi potmi, da ublažite težave z vrvicami, ki izhajajo iz prekomernega izcedka, kar je običajno pri trdih kompozitih.
• Popolna ravna postelja: Ponovno preverite mečkanje prvega sloja in poravnavo ploščadi, da zagotovite pravilno oprijemljivost za zmanjšan oprijem postelje ogljikovih vlaken v primerjavi z drugo plastiko.

Upoštevajte spremenljivke iz znanosti o materialih, ki stojijo za ogljikovimi vlakni, ponovite na podlagi testnih odtisov in doseganje čudovitih, močnih ojačanih odtisov postane sčasoma preprostejše s prakso.

Izkoristite potencial ogljikovih vlaken za svoje potrebe po 3D tiskanju!

Ogljikova vlakna odpirajo nove možnosti 3D-tiskanja za lahke, trpežne, toplotno odporne dele, ki jih običajna plastika ne omogoča. Čeprav niso tako preprosta kot standardni materiali, ogljikova vlakna odpirajo vrata razvoju prilagojenih rešitev, ki izpolnjujejo posebne zahteve, ki jih osnovna plastika ne more doseči. Ko se pojavi več ojačanih filamentov, izkoristite prednosti tako, da raziščete možnosti, nadgradite tiskalnike, optimizirate profile s ponavljanjem in na koncu odkrijete idealne parametre za vaše potrebe uporabe.

Pogosta vprašanja o vlaknih iz ogljikovih vlaken za 3D-tiskanje

V: Kako močan je filament iz ogljikovih vlaken?

O: Filament iz ogljikovih vlaken je po teži lahko 5-krat močnejši od jekla in aluminija. Deli, potiskani s filamentom iz ogljikovih vlaken, nudijo izjemno vzdržljivost in odpornost na obremenitve, hkrati pa ohranjajo zelo majhno skupno maso.

V: Kako shranjujete filamente iz ogljikovih vlaken?

O: Filamente iz ogljikovih vlaken hranite na hladnem in suhem mestu, stran od vlage. Idealni pogoji za shranjevanje so okoli 18-25°C in 35-55% relativne vlažnosti. Izogibajte se temperaturnim nihanjem in neposredni sončni svetlobi.

V: Ali so 3D natisnjena ogljikova vlakna boljša od ABS?

O: Da, nitka iz ogljikovih vlaken je na splošno močnejša in bolj toga kot ABS plastika. Ima tudi manjšo toplotno ekspanzijo, boljšo toplotno odpornost in izboljšano vizualno kakovost z manj vidnimi linijami plasti. Kompromis je, da so ogljikova vlakna bolj krhka.

V: Ali se 3D-tiskanje iz ogljikovih vlaken splača?

O: Za aplikacije, ki potrebujejo visoko trdnost, majhno težo, dimenzijsko stabilnost in toplotno odpornost, lahko ogljikova vlakna omogočijo rešitve, ki niso mogoče z običajno plastiko, zato jih je vredno raziskati. Zahteva bolj optimizirane tiskalnike in nastavitve za klicanje.

V: Ali je varno tiskati na ogljikova vlakna?

O: Z ustrezno nadgradnjo šob in stroja za obdelavo abrazivnega materiala je tiskanje filamenta iz ogljikovih vlaken varno. Kot pri vseh materialih za 3D-tiskanje je priporočljivo ustrezno prezračevanje.

V: Ali je filament iz ogljikovih vlaken močnejši od PLA?

O: Da, filamenti, ojačani z ogljikovimi vlakni, so veliko močnejši od standardnega PLA v smislu natezne trdnosti, togosti in največje nosilnosti.

Preberi več

• Novi filamenti QIDI
• Vrste filamentov 3D-tiskalnika: popoln vodnik (2024)
• Filament 3D tiskalnika proti smoli: Vodnik za začetnike