FILAMENTOS DE FIBRA DE CARBONO: TODO LO QUE HAY QUE SABER

Desde bombillas hasta cohetes espaciales, los filamentos de fibra de carbono se están imponiendo y sustituyendo piezas de acero y metal en diversas industrias. ¿Por qué? Bueno, la fibra de carbono es cinco veces más resistente que el acero y, a su vez, más ligera. Estas características hacen que la fibra de carbono sea adecuada para aplicaciones que dependen de las propiedades de un material para optimizar el rendimiento, lo cual es especialmente deseable en las industrias automotriz, militar, aeroespacial y otras similares.

¿Qué son los filamentos de fibra de carbono?

La fibra de carbono fue descubierta por primera vez en 1860 por Sir Joseph Wilson Swan. Más tarde, Thomas Edison utilizó material de fibra de carbono a base de celulosa en las primeras bombillas que se calentaban mediante electricidad. Su alta resistencia al calor los convirtió en conductores eléctricos ideales. Aunque la fibra de carbono existe desde hace más de 150 años, no fue hasta finales de los años 70 que nuevos tipos de fibra de carbono entraron en el mercado global. Estas fibras más recientes contienen más del 90% de carbono y han aumentado considerablemente las relaciones entre resistencia y peso, y rigidez y peso. Gracias a estos avances modernos, así como a la reducción de los costes de producción, hemos podido comprender plenamente el potencial del material de fibra de carbono.

Como muchos de ustedes probablemente ya saben, las fibras de carbono raramente se utilizan solas. Por lo general, las encontramos combinadas con otros materiales para crear un material compuesto; los compuestos de carbono suelen estar formados (además de por la fibra de carbono) por polímeros. Con esta combinación se obtiene un plástico más resistente y ligero con un nivel de rigidez aumentado.

Los modelos impresos en 3D fabricados con filamento de fibra de carbono pueden utilizarse para crear muchos productos, como palas de hélice, cuadros de bicicletas, alas de aviones, componentes para coches, etc.

El filamento de fibra de carbono está formado por fibras de carbono mezcladas con un termoplástico llamado material base. Hay muchos filamentos diferentes que se pueden adquirir con partes de fibra de carbono, incluidos el PETG, PLA, ABS y el filamento de nailon. Estas fibras por sí solas son extremadamente resistentes y, al mezclarlas con el material base, conseguimos que el filamento aumente en rigidez y resistencia, reduciendo también su peso total.

Los parámetros de impresión de una impresora 3D para filamentos de fibra de carbono deben ser similares a los del material base al que se han añadido las fibras de carbono. Dado que los filamentos de fibra de carbono son abrasivos y pueden obstruir las boquillas de las impresoras 3D, recomendamos utilizar una boquilla de acero endurecido. Desafortunadamente, no todas las impresoras 3D pueden imprimir con filamentos de fibra de carbono porque este material requiere una temperatura de extrusión elevada (al menos 230°C) y su naturaleza abrasiva puede dañar las boquillas de latón (por eso hemos recomendado la boquilla de acero). Si tiene una impresora FDM como la Ender 3 V2, no se preocupe; con las modificaciones correctas en la Ender 3 puede imprimir desde filamento de fibra de carbono hasta filamento flexible. Solo necesita instalar el extrusor de accionamiento directo Micro Swiss y utilizar una boquilla de acero.

Algunas empresas han desarrollado filamentos de fibra de carbono en una dirección aún más técnica. Los materiales base de dichos filamentos son polímeros de alto rendimiento (HPP) como el PEEK. El Carbon PEEK es un material con características extraordinarias en términos de resistencia térmica, mecánica y resistencia química. Este filamento se utiliza en áreas muy específicas donde se requiere un aumento adicional del rendimiento mecánico para obtener resultados extraordinarios.

Ventajas

• Buena estabilidad dimensional: la resistencia a la tracción del filamento contribuye a una mayor estabilidad dimensional, ayudando a evitar la deformación durante la impresión 3D y la contracción.
• Rigidez: normalmente, los polímeros con alta resistencia y durabilidad presentan una falta de rigidez. La fibra de carbono no tiene este problema, ya que tiene la capacidad de mantener su forma bajo estrés elevado. Esta característica es muy deseada y utilizada en la industria automotriz (como soportes automotrices o calibres de inspección).
• Acabado superficial agradable: los filamentos de fibra de carbono tienen un bonito acabado mate. Un acabado superficial extremadamente liso permite la imprimibilidad de prototipos funcionales.
• Resistencia y ligereza: una formidable resistencia a la tracción y un peso ligero hacen que las fibras de carbono sean ideales para sustituir piezas de metal. La baja densidad es la razón por la cual es tan ligero. Estas características son especialmente buscadas en la industria robótica.
• Deflexión térmica: cuando se exponen al calor, otros materiales pueden deformarse bajo presión o a temperaturas elevadas. El filamento Carbon Fiber PAHT ofrece una alta resistencia térmica (hasta 160 grados Celsius). El Carbon Fiber PET también es capaz de soportar temperaturas más altas, hasta 125 grados Celsius. Al mismo tiempo, es muy fácil imprimir este filamento.
• Dado que posee propiedades mecánicas excepcionales, puede utilizarse para diversos soportes, herramientas, moldes compuestos para diversos procesos de fabricación o para uso personal.

Desventajas

• Filamento abrasivo que desgasta las boquillas de latón. Le recomendamos utilizar una boquilla de acero. Las partes de fibra de carbono no se funden, así que asegúrese de que la boquilla no se obstruya. Debe elegir la boquilla correcta.
• Higroscopicidad: tendencia a absorber la humedad. Es muy importante guardar las bobinas de filamento de nailon con fibra de carbono en un entorno protegido, como una bolsa de mylar y un lugar sellado.
• Costoso: debido a los exigentes procesos de producción de la fibra de carbono, el material es conocido por ser más caro que otros filamentos como el PLA o el ABS. Esta es una de las razones por las que aparece en productos de alta gama pero no en el mercado de masas.
• Frágil: la combinación de polímero y fibra de carbono aumenta la fragilidad del material. El aspecto negativo de la alta rigidez es que la fibra de carbono puede romperse bajo fuerzas o presiones elevadas. Esto significa que los diseños u objetos expuestos a tales fuerzas no son ideales para la fibra de carbono.

¿Dónde puede utilizar los filamentos de fibra de carbono?

• Podemos ver la fibra de carbono utilizada por equipos de carreras de alto rendimiento en la Fórmula 1.
• Los desarrollos aeroespaciales han demostrado que la fibra de carbono es un material fantástico para reforzar alas y cuerpos de aviones, y se está probando incluso para cohetes de próxima generación. La ligereza de las alas y los cuerpos significa que es posible transportar más combustible y alcanzar distancias más largas.
• En muchas disciplinas deportivas como el ciclismo y el golf, la velocidad y el peso son muy importantes, por eso las empresas han experimentado con el uso de compuestos de fibra de carbono para obtener una ventaja competitiva.
• Las fábricas y otras instalaciones manufactureras que utilizan robótica están empezando a usar fibra de carbono para producir herramientas capaces de soportar un alto grado de fuerza, ocupando el mínimo de la capacidad de levantamiento del brazo robótico. Puede utilizarse para diversos soportes, herramientas, moldes compuestos para procesos de fabricación o incluso para uso personal.

Filamento AzureFilm Carbon Fiber PAHT

El filamento Carbon Fiber PAHT es uno de los poliamida (PA6) más populares y fáciles de imprimir que contiene fibras de carbono. La razón por la que este material es resistente, tiene una excelente resistencia a la abrasión, buena resistencia a la fatiga, buena resistencia química, alta resistencia y alta rigidez es porque el filamento en sí ya posee esas propiedades deseables. La mayoría de los fabricantes eligen fibras trituradas, ya que son más económicas y fáciles de usar.

AzureFilm, por otro lado, utiliza fibras cortadas, lo que significa que la resistencia a la tracción es mayor porque las fibras son más grandes y el producto se une más. Además de tener una excelente resistencia a la tracción y al impacto, el filamento Carbon Fiber PAHT permite un uso continuo corto hasta 160°C (máximo 200 horas). Este filamento es completamente compatible con soportes solubles como PVA, BVOH, PVOH y completamente compatible con soportes extraíbles como HIPS. Su absorción de agua tarda unas 4 veces más en llegar al punto de saturación en comparación con el PA6 sin modificar y tiene un punto de saturación 5 veces menor que los materiales PA6 convencionales. El grosor de las fibras en su interior varía de 0,4 mm a 0,6 mm, por lo que recomendamos utilizar una boquilla con un diámetro superior a 0,6 mm.

Requisitos para trabajar con el filamento Carbon Fiber PAHT:

• Plataforma de impresión calefactada
• Boquilla endurecida – Debido a su estructura abrasiva, el filamento desgastaría rápidamente la boquilla de latón estándar. Para este tipo de filamento es necesaria una boquilla resistente a la abrasión. Dado que estos tipos de boquillas tienden a ser menos conductivas que las estándar, normalmente se recomiendan temperaturas más elevadas para el extrusor.
• Cámara de impresión calefactada (opcional) – Mantener el filamento constantemente en un lugar seco, con temperatura de trabajo, es una opción para garantizar un entorno constantemente controlado para la mejor calidad del producto.
• Entorno cerrado (opcional) – Garantizar un entorno controlado constante es un factor muy importante que permite una mejor calidad final del producto, aunque este filamento tiene la capacidad de ser impreso en 3D en máquinas sin cámara calefactada.

Recomendaciones para la impresión:

• Temperatura de la boquilla: 270 – 290°C
• Plataforma de impresión calefactada: recomendado 90-120°C
• Velocidad de impresión: 40 – 60 mm/s
• Altura de capa: 0,2 mm
• Diámetro de la boquilla: 0,6 mm
• Placa de construcción: cinta adhesiva azul, cinta Kapton, placa de vidrio + spray Dimafix

Filamento AzureFilm Carbon Fiber PET

La otra opción que AzureFilm ha preparado para usted es el filamento Carbon Fiber PET. Este material es el filamento con fibras de carbono más sencillo de imprimir. Nuestro filamento Carbon Fiber PET tiene una estructura reforzada con fibras de carbono cortadas, haciendo que su resistencia a los impactos sea mucho mayor. Este compuesto de fibras de carbono cortadas está empujando los esfuerzos y límites existentes en la búsqueda de un filamento para impresión 3D de grado industrial hacia nuevos horizontes. El filamento tiene excelentes propiedades mecánicas sin deformaciones, incluyendo una resistencia z elevada y una baja absorción de agua. Nuestro filamento Carbon Fiber PET está relleno con un 15% de fibra de carbono y tiene una temperatura máxima a corto plazo (máx. 3 horas) de hasta 125°C. Puede soportar fácilmente los 100°C durante 10 horas o más. El grosor de las fibras en su interior varía de 0,4 mm a 0,6 mm, motivo por el cual el diámetro de la boquilla debe ser de 0,6 mm.

Los materiales reforzados con fibras ofrecen propiedades mecánicas excepcionales. Además de los factores típicos que influyen en los compuestos, como el volumen de las fibras y su orientación, los científicos han descubierto que los parámetros de impresión, como el tipo de boquilla y la velocidad, la densidad del relleno, el grosor de la capa, la temperatura de la plataforma de impresión y el patrón de relleno, influyen en las propiedades mecánicas.

Ventajas significativas del filamento Carbon Fiber PET:

• Económico: dado que utilizamos fibras de carbono cortadas, hay una reducción significativa en la duración de la producción, lo que nos permite hacer que nuestro material sea asequible para cualquier cliente.
• Resistencia a temperaturas más elevadas hasta 125°C
• Mayor estabilidad dimensional: las fibras de carbono cortadas son extremadamente resistentes y no solo confieren una alta resistencia y rigidez, sino que también ayudan a prevenir la contracción durante el enfriamiento de la pieza.

Requisitos para trabajar con el filamento Carbon Fiber PET:

• Plataforma de impresión calefactada
• Boquilla endurecida – Debido a su estructura abrasiva, el filamento desgastaría rápidamente la boquilla de latón estándar. Se requiere una boquilla resistente a la abrasión para este tipo de filamento. Dado que estos tipos de boquillas suelen ser menos conductivas que las estándar, sugerimos imprimir con un extrusor para temperaturas más elevadas. Con la boquilla de acero, puede imprimir el filamento Carbon Fiber PET incluso en una impresora como la Ender. Solo necesita una boquilla que no se obstruya (0,6 mm) y que pueda soportar temperaturas más elevadas.
• Cámara de impresión calefactada (opcional) – Mantener el filamento constantemente en un lugar seco es una opción para garantizar un entorno constantemente controlado para la mejor calidad del producto.
• Sugerimos utilizar un entorno cerrado/impresora que garantice un entorno más estable, pero no es estrictamente necesario.

Recomendaciones para la impresión:

• Temperatura de la boquilla: 245 – 270°C
• Plataforma de impresión calefactada: recomendado 80-90°C
• Velocidad de impresión: 40 – 60 mm/s
• Altura de capa: 0,2 mm
• Diámetro de la boquilla: 0,6 mm
• Plataforma de construcción: cinta adhesiva azul, cinta Kapton, placa de vidrio + espray Dimafix