3D-печать с использованием углеродной нити: полное руководство

Углеродное волокно — это новый материал, который произвел фурор в 3D-печати и аддитивном производстве. Как следует из названия, он включает в себя углеродное волокно — прочное и легкое волокно, используемое в аэрокосмической и спортивной промышленности и изготавливаемое из тонких нитей углерода. Это позволяет углеродному волокну производить 3D-печатные детали с исключительной прочностью, которые при этом остаются легкими. Но что именно представляет собой углеродное волокно и почему это должно волновать тех, кто занимается 3D-печатью? Начнем с основ.

История и производство нити из углеродного волокна

Хотя углеродное волокно, пригодное для 3D-печати, только появляется, его основы были заложены еще в далеком прошлом. в конце 1950-х годов. Это было время первых исследований по наслаиванию и вплетению углеродного волокна в армированные смоляные материалы. Перенесемся в 1981 год. - промышленность выпустила первые композитные велосипеды и клюшки для гольфа, в которых использовались тонкие углеродные волокна, обеспечивающие беспрецедентную легкость и прочность.

В последние годы, Производители использовали эти же принципы для разработки специальных нитей из углеродного волокна, совместимых с настольными 3D-принтерами. В процессе производства длинные нити углеродного волокна выравниваются в полимерном базовом материале, таком как АБС или нейлон. Затем 3D-печать создает детали, накладывая слой за слоем материал, пропитанный углеродным волокном, в соответствии с цифровыми проектами.

Углеродное волокно не только повышает прочность и жесткость, но и снижает вес - его низкий коэффициент теплового расширения помогает бороться с деформацией и проблемами размерной точности, связанными с колебаниями температуры. Это уникальное сочетание свойств позволяет создавать более функциональные 3D-печатные инструменты в автомобильной, аэрокосмической и даже спортивной промышленности, где традиционные материалы не справляются.

Типы нитей из углеродного волокна

Теперь, когда мы рассмотрели основы того, как нить из углеродного волокна, пригодного для 3D-печати, эволюционировала из композитов аэрокосмического класса, давайте рассмотрим конкретные типы, доступные сегодня. Существует несколько разновидностей сердцевины, различающихся длиной углеродного волокна и методом армирования.

1. Короткая нить из углеродного волокна

Как следует из названия, Углеродные волокна, содержащиеся в этой нити, имеют небольшой размер и обычно имеют длину около 0,1–0,7 мм. Подумайте о коротких прядях и более длинных, похожих на волосы, прядях.

Короткая длина способствует экструзии и общему качеству процесса печати. ​​Но это сопряжено с некоторыми компромиссами по сравнению с более длинными нитями углеродного волокна. С положительной стороны, короткое углеродное волокно равномерно и предсказуемо распределяется по слоям печати без риска скопления волокон в пятнах. Изотропные свойства также означают, что детали имеют одинаковую прочность во всех направлениях.

Недостатки использования коротких нитей углеродного волокна включают в себя менее выраженный прирост прочности по сравнению с другими композитами, а также более заметные линии слоев на наклонных кривых или углах. Короткие нити просто имеют меньший армирующий потенциал, чем более длинные варианты.

2. Длинная нить из углеродного волокна

Снова оставаясь верным своему названию, Длинные нити из углеродного волокна представляют собой более волосовидные нити из углеродного волокна длиной примерно 6–12 мм. Более длинные волокна обеспечивают лучшее армирование, но имеют повышенный потенциал неравномерного распределения, если не оптимизированы правильно.

К преимуществам можно отнести исключительное соотношение прочности и веса, обусловленное более однонаправленным армированием углеродным волокном. Анизотропные свойства также означают заметный прирост прочности, в основном в соответствии с направлением слоя печати, по сравнению с более компромиссными свойствами при перпендикулярных углах. Меньшая видимость слоя также улучшает отделку поверхности на изгибах и высококачественные отпечатки.

К недостаткам в первую очередь относятся необходимость повышенного внимания к предотвращению засорения насадки и неравномерного спутывания длинных прядей. Поиск оптимальных настроек и конфигураций также сложнее. Резкое смещение направленной силы требует учета направления нагрузки при проектировании функциональных частей.

3. Армированная нить из углеродного волокна

Армированные нити из углеродного волокна используют гибридный подход: в базовые пластики, такие как АБС и нейлон, добавляют очень короткие углеродные волокна для равномерной прочности, а затем добавляют дополнительные непрерывные нити углеродного волокна для еще большего усиления.

Это обеспечивает высокие механические характеристики, аналогичные характеристикам чистых длинных волокон, благодаря ручному формованию волокон. Но это позволяет избежать непредсказуемых проблем с комкованием, поскольку базовый материал уже имеет в качестве основы равномерно распределенное армирование короткими волокнами.

Как результат, Усиленные смеси облегчают печать, оптимизируя прочность и визуальное качество для начинающих пользователей. Легкость действительно сопровождается некоторыми компромиссами в максимально возможной прочности по сравнению с чистыми длинными волокнами. Но для большинства применений гибридный подход обеспечивает идеальный баланс.

Может ли любой 3D-принтер использовать нить из углеродного волокна?

Нити из углеродного волокна могут быть специально разработаны для поддержки 3D-печати, но не все настольные принтеры могут использовать их сразу после установки. Жесткий абразивный материал предъявляет некоторые уникальные требования. Давайте разберем факторы пригодности принтера и любые модификации, необходимые для использования нити из углеродного волокна.

1. Пригодность принтера для нити из углеродного волокна

Из-за абразивности материала и его тенденции к медленному, но верному разрушению жизненно важных компонентов, для выполнения основных функций нити из углеродного волокна требуются принтеры, изготовленные из совместимых закаленных деталей:

• Насадки из закаленной стали: Стандартные латунные сопла быстро изнашиваются под воздействием жестких углеродных волокон, что приводит к возникновению импеданса или полному отказу сопла. Закаленная сталь практически обязательна.
• Закрытая рама: Открытые трубки Боудена также изнашиваются со временем, вызывая проблемы с подачей или неудачные отпечатки. Закрытые рамы защищают трубки.
• Усиленная шестерня экструдера: Жесткость подачи требует, чтобы шестерни экструдера были изготовлены из износостойких металлов, чтобы обеспечить сцепление без сдирания.
• Подогреваемые кровати: Проблемы с короблением и адгезией к платформе требуют использования подогреваемых печатных платформ с температурой 100 °C+ для лучшего сцепления первого слоя.

Принтеры, не отвечающие этим минимальным требованиям, не могут надежно печатать функциональные детали из углеродного волокна сразу после распаковки, поскольку компоненты очень быстро изнашиваются и выходят из строя из-за истирания.3D-принтеры QIDI Tech оснащены соплами как из латуни, так и из закаленной стали. Это позволяет пользователям печатать стандартными и углеродными волокнами без необходимости внесения каких-либо изменений или дополнений.

2. Необходимые модификации для использования нити из углеродного волокна

Для принтеров без установленных закаленных компонентов, но в остальном технически подходящих, надежда не потеряна. Некоторые модификации позволяют работать с углеродным волокном:

• Замена насадок: Замените стандартные насадки на закаленные стальные.
• Защита Боудена и рамы: Примите меры предосторожности, например, используйте защитные кожухи для защиты трубок и удлинителей.
• Модернизация редуктора экструдера: Замените стандартные шестерни на металлические альтернативы в долгосрочной перспективе.
• Подготовка поверхности: Дополнительные адгезионные решения иногда могут компенсировать отсутствие подогреваемых стеллажей.

При соблюдении мер предосторожности и постепенной модернизации для защиты наиболее изнашиваемых компонентов печать углеродным волокном становится все более рентабельной.Но для достижения наилучших результатов и обеспечения постоянной надежности выбор специализированных настольных принтеров со встроенной интегрированной защитой устраняет хлопоты и разочарования при работе с капризными нитями из углеродного волокна.

Почему стоит выбрать углеродную нить для 3D-печати?

Теперь, когда мы рассмотрели производственные процессы, типы нитей углеродного волокна и вопросы совместимости с принтерами, давайте рассмотрим момент принятия решения - зачем использовать нить из углеродного волокна по сравнению с более традиционными материалами для 3D-печати? Какие уникальные преимущества и недостатки имеют армированные нити из углеродного волокна?

1. Преимущества использования нити из углеродного волокна

Композиты на основе углеродного волокна обладают четырьмя основными преимуществами, которых нет у базовых пластиков:

• Прочность и жесткость:Благодаря соотношению прочности к весу, превышающему даже такие металлы, как сталь и алюминий, в 5 раз, детали из углеродного волокна обладают исключительной долговечностью и устойчивостью к нагрузкам, сохраняя при этом очень легкую общую массу.
• Стабильность размеров: Чрезвычайно низкий коэффициент теплового расширения благодаря жесткому армированию углеродным волокном означает, что напечатанные детали выдерживают точные допуски в широком диапазоне температур окружающей среды, не расширяясь и не сжимаясь более чем на 1%.
• Визуальное качество: Пряди углеродного волокна усиливают сцепление первого слоя и последующую адгезию между слоями печати. ​​Это дополняет размерную стабильность великолепным визуальным качеством склеивания слоев без видимых ступенек и улучшенной отделкой поверхности.
• Устойчивость к теплу и огню: Высокая химическая стойкость углеродного волокна, уже используемого в аэрокосмической промышленности и автоспорте, позволяет изготавливать напечатанные детали, выдерживающие чрезвычайно высокие температуры, превышающие 150°C, прежде чем размягчаться, а также обладающие негорючими свойствами.

Нити из углеродного волокна обладают чрезвычайной прочностью и легкостью, устойчивы к температурному и химическому разложению, что позволяет применять их в самых разных областях. ПЛА и АБС отпечатки, обладающие свойствами, которые просто не встречаются в бытовых пластиках.

2. Недостатки нити из углеродного волокна

Однако реализация столь желанных преимуществ производительности сопряжена и с некоторыми практическими недостатками, которые следует учитывать:

• Абразивность: Прочные нити углеродного волокна быстро разрушают сопла, шестерни и компоненты, не прошедшие специальную закалку, что ограничивает широкую совместимость принтеров и часть долговечность.
• Хрупкость и жесткость: Несмотря на прочность и жесткость, композитные материалы из углеродного волокна не обладают гибкостью и ударопрочностью, поскольку они внезапно выходят из строя под действием слишком большой силы, а не изгибаются временно, как ABS или нейлон.
• Проводимость: Высокая тепло- и электропроводность может усложнить закрытую печать при отсутствии терморегулирования, создавая риск перегрева или короткого замыкания.

Благодаря интеллектуальному армированию волокнами, минимизирующему деформацию, низкому влагопоглощению и плотности, а также износостойкости, Углеродное волокно PA12-CF от QIDI Tech обеспечивает превосходное решение проблем хрупкости, теплопроводности и абразивности, с которыми сталкиваются стандартные углеродные композиты. Это позволяет получить больше упомянутых преимуществ с меньшим количеством типичных недостатков.

Советы по 3D-печати с использованием нити из углеродного волокна

Мы рассмотрели историю вопроса, типы, факторы пригодности и недостатки армированных углеродных волокон.Теперь давайте подробно рассмотрим успешную печать этим специальным материалом с помощью настольных 3D-принтеров. Следуйте этим советам и рекомендациям для плавного и эффективного использования нити из углеродного волокна.

• Медленная скорость печати снижается: Жесткий материал плохо поддается течению, поэтому для облегчения экструзии уменьшите скорость на 30–50%. Достаточно скорости 45–80 мм/с.
• Увеличьте температуру печати:Тепло смягчает поток нити из сопла, поэтому для облегчения экструзии без риска застревания используйте максимально допустимую температуру горячего конца. 250‒320 ̊C — идеальная температура.
• Закрытая отапливаемая камера: Изолируйте зону печати и используйте дополнительное отопление для поддержания высокой температуры окружающей среды. 3D-принтеры QIDI Tech оснащены усовершенствованной закрытой камерой с активным контролем нагрева. Это дополнительно облегчает текучесть и предотвращает деформацию детали. Рекомендуется температура 50–80 °C.
• Включить настройки отзыва:Слегка оттягивайте нить между проходами печати, чтобы уменьшить проблемы с натяжением, возникающие из-за избыточного просачивания, характерного для жестких композитов.
• Идеально выровняйте кровать: Повторно проверьте сжатие первого слоя и выравнивание платформы, чтобы обеспечить надлежащую адгезию с учетом сниженного сцепления углеродного волокна со слоем по сравнению с другими пластиками.

Учитывайте переменные из материаловедения, лежащие в основе углеродного волокна, и итерируйте на основе тестовых отпечатков, и со временем, благодаря практике, создание красивых и прочных армированных отпечатков станет проще.

Раскройте потенциал углеродного волокна для ваших нужд 3D-печати!

Углеродное волокно открывает новые возможности 3D-печати для легких, прочных, термостойких деталей, которые невозможно изготовить с помощью обычных пластиков. Хотя углеродное волокно не такое простое, как стандартные материалы, оно открывает двери для разработки индивидуальных решений, отвечающих особым требованиям, которые базовые пластики не могут удовлетворить. По мере появления более армированных нитей воспользуйтесь этим, исследуя варианты, модернизируя принтеры, оптимизируя профили путем повторения и, в конечном итоге, находя идеальные параметры для ваших прикладных нужд.

Часто задаваемые вопросы о углеродном волокне для 3D-печати

В: Насколько прочна нить из углеродного волокна?

A: Углеродная нить может быть в 5 раз прочнее стали и алюминия по весу. Детали, напечатанные с использованием углеродной нити, обладают исключительной прочностью и устойчивостью к нагрузкам, сохраняя при этом очень легкую общую массу.

В: Как вы храните нити из углеродного волокна?

A: Храните углеродное волокно в сухом прохладном месте, вдали от влаги. Идеальные условия хранения: около 18-25°C и относительная влажность 35-55%. Избегайте перепадов температур и воздействия прямых солнечных лучей.

В: Лучше ли углеродное волокно, напечатанное на 3D-принтере, чем АБС?

A: Да, нить из углеродного волокна, как правило, прочнее и жестче, чем АБС-пластик. Она также имеет меньшее тепловое расширение, лучшую термостойкость и улучшенное визуальное качество с менее заметными линиями слоев. Компромисс в том, что углеродное волокно более хрупкое.

В: Стоит ли использовать 3D-печать из углеродного волокна?

A: Для приложений, требующих высокой прочности, малого веса, стабильности размеров и термостойкости, углеродное волокно может обеспечить решения, которые невозможны с обычными пластиками, поэтому его стоит изучить. Для этого требуются более оптимизированные принтеры и настроенные параметры.

В: Безопасно ли печатать на углеродном волокне?

A: При правильном обновлении сопла и машины для работы с абразивным материалом печать углеродным волокном безопасна. Рекомендуется правильная вентиляция, как и для любого материала для 3D-печати.

В: Прочнее ли углеродное волокно, чем PLA?

A: Да, нити, армированные углеродным волокном, намного прочнее стандартного PLA с точки зрения прочности на разрыв, жесткости и максимальной несущей способности.

Читать далее

• Новые нити QIDI
• Типы нитей для 3D-принтеров: полное руководство (2024)
• Нить для 3D-принтера против смолы: руководство для начинающих