3D -utskrift med kolfibertråd: Ultimate Guide

Kolfiberfilament är ett nytt material som gör succé inom 3D-utskrift och additiv tillverkning. Som namnet antyder innehåller den kolfiber – en solid och lätt fiber som används inom flyg- och rymdteknik och sport och är tillverkad av tunna kolfibertrådar. Detta gör att kolfiberfilament kan producera 3D-printade delar med exceptionell hållbarhet som ändå är lätta. Men vad exakt är kolfiberfilament och varför bör de som är involverade i 3D-printing bry sig? Låt oss börja med grunderna.

Historia och tillverkning av kolfiberfilament

Medan 3D-utskrivbar kolfiberfilament bara håller på att dyka upp nu, lades grunden igen i slutet av 1950-talet. Detta såg den tidigaste utforskningen av skiktning och vävning av kolfiber i förstärkta hartsmaterial. Snabbspola fram till 1981 - industrin producerade de allra första kompositcyklarna och golfklubborna med hjälp av tunna kolfibrer för oöverträffad lättviktsstyrka.

Under senare år, Tillverkare har använt sig av samma principer för att utveckla specialfilament av kolfiber som är kompatibla med stationära 3D-skrivare. Produktionsprocessen justerar långa kolfibertrådar i ett polymerbasmaterial som ABS eller nylon. 3D-utskrift bygger sedan delar genom att lägga ut det kolfiberinfunderade materialet lager för lager enligt digitala mönster.

Kolfibern ökar inte bara styrkan och styvheten samtidigt som den minskar vikten. - Dess låga värmeutvidgningskoefficient hjälper till att motverka problem med skevhet och dimensionsnoggrannhet i samband med temperaturfluktuationer. Denna unika blandning av egenskaper möjliggör mer funktionella 3D-printade verktyg inom fordonsindustrin, flyg- och rymdindustrin och till och med sportartiklar där traditionella material inte når upp till förväntningarna.

Typer av kolfiberfilament

Nu när vi har gått igenom grunderna i hur 3D-utskrivbara kolfiberfilament utvecklades från kompositer av flyg- och rymdkvalitet, låt oss gå igenom de specifika typer som finns tillgängliga idag. Det finns några kärnvarianter som skiljer sig åt genom kolfiberlängd och förstärkningsmetod.

1. Kort kolfibertråd

Som namnet antyder, Kolfibrerna i detta filament är små och mäter vanligtvis cirka 0,1-0,7 mm i längd. Tänk på korta hårstrån kontra längre hårliknande hårstrån.

Den korta längden underlättar extrudering och den övergripande utskriftsprocessens kvalitet. Men det finns vissa nackdelar jämfört med längre kolfiberfilament. På plussidan fördelas den korta kolfibern jämnt och förutsägbart genom trycklagren utan risk för att fibrerna klumpar ihop sig fläckvis. Isotropa egenskaper innebär också att delarna har liknande styrkor i alla riktningar.

Nackdelarna med att använda korta kolfibertrådar inkluderar mindre dramatiska styrkevinster jämfört med andra kompositer, samt mer synliga lagerlinjer på sluttande kurvor eller vinklar. De korta trådarna har helt enkelt mindre förstärkningspotential än längre alternativ.

2. Långt kolfibertråd

Namnet trogen igen, Långa kolfiberfilament använder mer hårliknande kolfibersträngar som mäter ungefär 6-12 mm i längd. De längre fibrerna möjliggör större förstärkning men har en ökad potential för ojämn spridning om de inte optimeras korrekt.

Fördelarna inkluderar exceptionella styrka-vikt-förhållanden som återspeglar mer enkelriktad kolfiberförstärkning. Anisotropa egenskaper innebär också märkbara hållfasthetsökningar, främst i linje med trycklagrets riktning, jämfört med mer komprometterade egenskaper vid vinkelräta vinklar. Mindre lagersiktbarhet förbättrar också ytfinishen på kurvor och högkvalitativa utskrifter.

Nackdelarna handlar främst om ökad försiktighet för att förhindra igensättning av munstyckena och ojämn klumpning när de längre trådarna bultar eller trasslar sig. Att hitta optimala inställningar och konfigurationer är också svårare. Den dramatiska riktningsförskjutningen i hållfasthet kräver att man tar hänsyn till lastriktningen vid design av funktionella delar.

3. Förstärkt kolfiberfilament

Förstärkta kolfiberfilament använder en hybridmetod – basplaster som ABS och nylon blandas med mycket korta kolfibrer för spridd styrka, och sedan läggs ytterligare kontinuerliga kolfibertrådar till för ännu mer förstärkning.

Detta möjliggör stark mekanisk prestanda liknande rena långfiberfilament tack vare de manuella fibertrådarna. Men det undviker oförutsägbara klumpbildningsproblem eftersom basmaterialet redan har en jämnt fördelad kortfiberarmering som grund.

Som ett resultat, Förstärkta blandningar underlättar utskriften samtidigt som de optimerar styrka och visuell kvalitet för mer nybörjare. Enkelheten innebär vissa avvägningar i maximal möjlig styrka kontra rena långfiberfilament. Men för de flesta tillämpningar ger hybridmetoden en idealisk balans.

Kan vilken 3D-skrivare som helst använda kolfiberfilament?

Kolfiberfilament kan vara specialkonstruerade för 3D-utskrift, men inte alla skrivbordsskrivare kan nödvändigtvis använda dem direkt ur lådan. Det tuffa, slipande materialet ställer några unika krav. Låt oss gå igenom faktorer som gör skrivaren lämplig och eventuella modifieringar som behövs för att använda kolfiberfilament.

1. Skrivarens lämplighet för kolfiberfilament

Tack vare materialets nötningsförmåga och tendens att sakta men säkert erodera viktiga komponenter kräver kolfiberfilament skrivare tillverkade med kompatibla härdade delar bara för att hantera grundläggande funktioner:

• Munstycken i härdat stål: Standardmässingsmunstycken slits snabbt ner under nötning från de styva kolfibrerna, vilket riskerar impedans eller totalt munstyckshaveri. Härdat stål är i princip nödvändigt.
• Sluten ram: Exponerade Bowden-rör slits också ut med tiden, vilket orsakar matningsproblem eller misslyckade utskrifter. Slutna ramar skyddar rören.
• Förstärkt extruderväxel: Matningsstyvheten kräver extruderkugghjul tillverkade av nötningsbeständiga metaller för att bibehålla greppet utan att skalas av.
• Uppvärmda sängar: Problem med skevhet och vidhäftning i bädden kräver uppvärmda tryckbäddar som klarar 100°C+ för bättre grepp i det första lagret.

Skrivare som saknar dessa minimispecifikationer kan inte på ett tillförlitligt sätt skriva ut funktionella kolfiberdelar direkt ur förpackningen utan att komponenterna slits ner och går sönder mycket snabbt på grund av nötningen.QIDI Tech 3D-skrivare har munstycken i både mässing och härdat stål. Detta gör det möjligt för användare att skriva ut standard- och kolfiberfilament utan att behöva göra några modifieringar eller tillägg.

2. Nödvändiga modifieringar för användning av kolfiberfilament

För skrivare utan härdade komponenter installerade men som annars är tekniskt kapabla är inte allt hopp ute. Vissa modifieringar möjliggör arbete med kolfiber:

• Munstycksbyten: Byt ut standardmunstycken mot härdat stål.
• Bowden- och ramskydd: Lägg till försiktighetsåtgärder som att skydda rör och förlängningar med skyddshylsa.
• Uppgraderingar av extruderväxlar: Byt ut standardkugghjul mot metallalternativ på lång sikt.
• Ytförberedelse: Ytterligare vidhäftningslösningar kan ibland kompensera för bristen på uppvärmda bäddar.

Med omsorg och gradvisa uppgraderingar för att skydda komponenter som slits mest blir kolfiberutskrift mer gångbar. Men för enklaste resultat och bibehållen tillförlitlighet eliminerar specialbyggda skrivbordsskrivare med integrerat skydd besväret och frustrationen när man arbetar med ojämna kolfiberfilament.

Varför välja kolfiberfilament för 3D-utskrift?

Nu när vi har gått igenom tillverkningsprocesserna, typerna av kolfiberfilament och överväganden gällande skrivarkompatibilitet, låt oss utforska beslutspunkten - varför använda kolfiberfilament jämfört med mer traditionella 3D-utskriftsmaterial? Vilka unika fördelar och nackdelar finns det med förstärkta kolfiberfilament?

1. Fördelar med att använda kolfiberfilament

Kolfiberkompositer har fyra huvudfördelar som inte matchas av vanliga plaster:

• Styrka och styvhet:Med hållfasthets-viktförhållanden som överstiger till och med metaller som stål och aluminium med upp till 5 gånger, erbjuder kolfibertryckta delar anmärkningsvärd hållbarhet och belastningsbeständighet samtidigt som de bibehåller en mycket lätt totalvikt.
• Dimensionsstabilitet: Extremt låg värmeutvidgningskoefficient tack vare den styva kolfiberförstärkningen innebär att tryckta delar håller exakta toleranser över ett brett delta av omgivningstemperaturer utan att expandera eller krympa med mer än 1 %.
• Visuell kvalitet: Kolfibertrådarna förbättrar det första lagrets grepp och den efterföljande vidhäftningen mellan trycklagren. Detta kompletterar dimensionsstabiliteten med en vacker visuell lagerbindningskvalitet utan synliga steg och förbättrade ytfinisher.
• Värme- och flambeständighet: Kolfiber, som redan används inom flyg- och motorsport, har sin höga kemiska resistens som gör att tryckta delar klarar extremt höga temperaturer över 150 °C innan de mjuknar, samt har icke-brandfarliga egenskaper.

Från att utnyttja extrem lättviktsstyrka till att motstå temperatur- eller kemisk nedbrytning, möjliggör kolfiberfilament tillämpningar långt utöver vanliga. PLA och ABS utskrifter genom egenskaper som helt enkelt inte finns i hushållsplast.

2. Nackdelar med kolfiberfilament

Att förverkliga dessa eftertraktade prestandafördelar kommer dock också med några praktiska nackdelar att beakta:

• Slitstyrka: De robusta kolfibertrådarna eroderar snabbt munstycken, kugghjul och komponenter som inte är specialhärdade, vilket begränsar bred skrivarkompatibilitet och delars livslängd.
• Sprödhet och styvhet: Även om kolfiberkompositer är starka och styva, saknar de flexibilitet och slagtålighet. I jämförelse fallerar de plötsligt av för mycket kraft snarare än att böjas tillfälligt som ABS eller nylon.
• Ledningsförmåga: Den höga värme- och elektriska ledningsförmågan kan komplicera sluten utskrift i avsaknad av termisk kontroll, vilket riskerar överhettning eller kortslutning.

Med sin smarta fiberförstärkning minimeras vridning, låg fuktabsorption och densitet, plus slitstyrka, QIDI Techs PA12-CF kolfiberfilament ger en utmärkt lösning på problemen med sprödhet, värmeledningsförmåga och slipförmåga som vanliga kolkompositer står inför. Detta gör det möjligt att utnyttja fler av de nämnda fördelarna med färre av de typiska nackdelarna.

Tips för 3D-utskrift med kolfiberfilament

Vi har gått igenom bakgrunden, typerna, lämplighetsfaktorerna och avvägningarna med förstärkta kolfiberfilament. Nu ska vi gå in på hur man framgångsrikt skriver ut med detta speciella material med hjälp av stationära 3D-skrivare. Följ dessa tips och bästa praxis för smidig och effektiv användning av kolfiberfilament.

• Långsamma utskriftshastigheter ner: Det styva materialet flyter inte lätt, så minska hastigheterna med 30–50 % för att underlätta extruderingen. 45–80 mm/s fungerar bra.
• Maximera utskriftstemperaturer:Värme mjukar upp filamentflödet från munstycket, så tryck till den övre gränsen för din heta ändes säkerhetsklassning för enklare extrudering utan risk för stopp. 250‒320 ̊C är idealiskt.
• Sluten uppvärmd kammare: Isolera utskriftsområdet och tillför extra värme för att hålla omgivningstemperaturen hög. QIDI Tech 3D-skrivare har en avancerad sluten kammare med aktiv värmekontroll. Detta underlättar ytterligare flödet och förhindrar att delen deformeras. 50-80 °C rekommenderas.
• Aktivera indragningsinställningar:Dra tillbaka filamentet något mellan utskrifterna för att minska strängproblem som uppstår på grund av den överdrivna läckage som är vanlig hos styva kompositer.
• Jämn säng perfekt: Verifiera det första lagrets klämning och plattformens utjämning för att säkerställa korrekt vidhäftning för kolfiberns minskade greppförmåga jämfört med andra plaster.

Ta hänsyn till variabler från materialvetenskapen bakom kolfiber, iterera baserat på testutskrifter, och genom övning blir det enklare att uppnå vackra, starka och förstärkta utskrifter med tiden.

Frigör kolfiberns potential för dina 3D-utskriftsbehov!

Kolfiber öppnar upp för nya möjligheter till 3D-utskrift för lätta, hållbara och värmebeständiga delar, vilket är omöjligt med vanliga plaster. Även om det inte är lika enkelt som standardmaterial, öppnar kolfiber dörrar för att utveckla anpassade lösningar som uppfyller specifika krav som basplaster inte kan uppnå. Allt eftersom fler förstärkta filament dyker upp kan du dra nytta av detta genom att undersöka alternativ, uppgradera skrivare, optimera profiler genom repetition och slutligen upptäcka de perfekta parametrarna för dina applikationsbehov.

Vanliga frågor om kolfiberfilament för 3D-utskrift

F: Hur stark är kolfiberfilament?

A: Kolfiberfilament kan vara 5 gånger starkare än stål och aluminium sett till vikt. Delar tryckta med kolfiberfilament erbjuder exceptionell hållbarhet och belastningsmotstånd samtidigt som de bibehåller en mycket lätt totalmassa.

F: Hur förvarar man kolfiberfilament?

A: Förvara kolfiberfilament på en sval, torr plats skyddad från fukt. Idealiska förvaringsförhållanden är runt 18–25 °C och 35–55 % relativ luftfuktighet. Undvik temperatursvängningar och direkt solljus.

F: Är 3D-printad kolfiber bättre än ABS?

A: Ja, kolfiberfilament är generellt starkare och styvare än ABS-plast. Det har också lägre värmeutvidgning, bättre värmebeständighet och förbättrad visuell kvalitet med mindre synliga lagerlinjer. Nackdelen är att kolfiber är mer sprött.

F: Är 3D-utskrift med kolfiber värt det?

A: För tillämpningar som kräver hög hållfasthet, låg vikt, dimensionsstabilitet och värmebeständighet kan kolfiber möjliggöra lösningar som inte är möjliga med vanliga plaster, så det är värt att utforska. Det kräver mer optimerade skrivare och inställda inställningar.

F: Är det säkert att skriva ut på kolfiber?

A: Med korrekt uppgradering av munstycke och maskin för att hantera det slipande materialet är det säkert att skriva ut kolfiberfilament. Ordentlig ventilation rekommenderas, precis som med allt 3D-utskriftsmaterial.

F: Är kolfiberfilament starkare än PLA?

A: Ja, kolfiberförstärkta filament är mycket starkare än standard PLA när det gäller draghållfasthet, styvhet och maximal bärförmåga.

Läs mer

• QIDI Nya filament
• 3D-skrivarfilamenttyper: En komplett guide (2024)
• 3D-skrivarfilament kontra resin: Nybörjarguide