FILAMENTY Z WŁÓKNA WĘGLOWEGO: WSZYSTKO, CO WARTO WIEDZIEĆ

Od żarówek po rakiety kosmiczne, filamenty z włókna węglowego (Carbon Fiber) przejmują rynek, zastępując części ze stali i metalu w różnych gałęziach przemysłu. Dlaczego? Cóż, włókno węglowe jest pięciokrotnie wytrzymalsze od stali, a jednocześnie lżejsze. Te cechy sprawiają, że włókno węglowe nadaje się do zastosowań, w których optymalizacja wydajności zależy od właściwości materiału, co jest szczególnie pożądane w przemyśle motoryzacyjnym, wojskowym, lotniczym i innych podobnych branżach.

Czym są filamenty Carbon Fiber?

Włókno węglowe zostało po raz pierwszy odkryte w 1860 roku przez Sir Josepha Wilsona Swana. Później Thomas Edison wykorzystał materiał z włókna węglowego na bazie celulozy w pierwszych żarówkach, które były rozgrzewane prądem elektrycznym. Jego wysoka odporność na ciepło sprawiła, że stało się idealnym przewodnikiem elektrycznym. Choć włókno węglowe istnieje od ponad 150 lat, dopiero pod koniec lat 70. XX wieku na rynku światowym pojawiły się jego nowe rodzaje. Te nowsze włókna zawierają ponad 90% węgla i znacznie zwiększyły stosunek wytrzymałości do masy oraz sztywności do masy. Dzięki tym nowoczesnym postępom, a także obniżeniu kosztów produkcji, mogliśmy w pełni zrozumieć potencjał materiału z włókna węglowego.

Jak większość z Was prawdopodobnie już wie, włókna węglowe rzadko stosuje się samodzielnie. Zazwyczaj spotykamy je w połączeniu z innymi materiałami, tworząc kompozyt; kompozyty węglowe zazwyczaj składają się (oprócz włókna węglowego) z polimerów. Dzięki tej kombinacji uzyskuje się tworzywo sztuczne o większej wytrzymałości i niższej masie, charakteryzujące się zwiększonym poziomem sztywności.

Wydrukowane w 3D modele wykonane z filamentu Carbon Fiber mogą być użyte do tworzenia wielu produktów, takich jak łopaty śmigieł, ramy rowerowe, skrzydła samolotów, komponenty samochodowe itp.

Filament Carbon Fiber składa się z włókien węglowych zmieszanych z termoplastem, zwanym materiałem bazowym. Istnieje wiele różnych filamentów, które można kupić z dodatkiem włókna węglowego, w tym PETG, PLA, ABS oraz filament nylonowy. Włókna te same w sobie są niezwykle wytrzymałe, a po zmieszaniu z materiałem bazowym sprawiają, że filament zyskuje na sztywności i wytrzymałości, przy jednoczesnym zmniejszeniu jego całkowitej masy.

Parametry druku na drukarce 3D dla filamentów Carbon Fiber powinny być podobne do tych dla materiału bazowego, do którego dodano włókna węglowe. Ponieważ filamenty Carbon Fiber są ścierne i mogą zatykać dysze drukarek 3D, zalecamy użycie dyszy ze stali hartowanej. Niestety, nie każda drukarka 3D może drukować z użyciem filamentów Carbon Fiber, ponieważ materiał ten wymaga wysokiej temperatury wytłaczania (co najmniej 230°C), a jego ścierna natura może uszkodzić mosiężne dysze (dlatego zalecamy dyszę stalową). Jeśli masz drukarkę FDM, taką jak Ender 3 V2, nie martw się – dzięki odpowiednim modyfikacjom Ender 3 może drukować zarówno z filamentu Carbon Fiber, jak i z filamentów elastycznych. Wystarczy zainstalować ekstruder typu direct drive firmy Micro Swiss i użyć dyszy stalowej.

Niektóre firmy rozwinęły filamenty Carbon Fiber w jeszcze bardziej technicznym kierunku. Materiałami bazowymi takich filamentów są wysokowydajne polimery (HPP), takie jak PEEK. Carbon PEEK to materiał o nadzwyczajnych właściwościach pod względem wytrzymałości termicznej, mechanicznej oraz odporności chemicznej. Filament ten jest stosowany w bardzo specyficznych obszarach, gdzie wymagane jest dodatkowe zwiększenie parametrów mechanicznych w celu uzyskania wyjątkowej wydajności.

Zalety

• Dobra stabilność wymiarowa: wytrzymałość na rozciąganie filamentu przyczynia się do większej stabilności wymiarowej, pomagając uniknąć odkształceń podczas druku 3D i skurczu.
• Sztywność: zazwyczaj polimery o wysokiej wytrzymałości i trwałości wykazują brak sztywności. Włókno węglowe nie ma tego problemu, ponieważ potrafi zachować swój kształt pod dużym obciążeniem. Ta cecha jest bardzo pożądana i wykorzystywana w przemyśle motoryzacyjnym (np. uchwyty samochodowe czy sprawdziany inspekcyjne).
• Ogólnie ładne wykończenie powierzchni: filamenty z włókna węglowego mają piękne, matowe wykończenie. Niezwykle gładkie wykończenie powierzchni pozwala na drukowanie funkcjonalnych prototypów.
• Wytrzymałość i lekkość: imponująca wytrzymałość na rozciąganie i niska masa sprawiają, że włókna węglowe idealnie nadają się do zastępowania części metalowych. Niska gęstość jest powodem, dla którego są tak lekkie. Cechy te są szczególnie pożądane w przemyśle robotycznym.
• Odporność termiczna: pod wpływem ciepła inne materiały mogą odkształcać się pod naciskiem lub w wysokich temperaturach. Filament Carbon Fiber PAHT oferuje wysoką odporność termiczną (do 160 stopni Celsjusza). Również Carbon Fiber PET jest w stanie wytrzymać wyższe temperatury do 125 stopni Celsjusza. Jednocześnie drukowanie tym filamentem jest bardzo łatwe.
• Biorąc pod uwagę jego wyjątkowe właściwości mechaniczne, może być stosowany do różnych wsporników, narzędzi, form kompozytowych do różnych procesów produkcyjnych lub do użytku osobistego.

Wady

• Ścierny filament, który zużywa mosiężne dysze. Zalecamy używanie dyszy stalowej. Części z włókna węglowego nie topią się, więc należy uważać, aby dysza się nie zatkała. Musisz wybrać odpowiednią dyszę.
• Higroskopijność: tendencja do pochłaniania wilgoci. Bardzo ważne jest przechowywanie szpul filamentu nylonowego z włóknem węglowym w zabezpieczonym środowisku, np. w worku mylarowym i szczelnym miejscu.
• Koszt: ze względu na wymagające procesy produkcji włókna węglowego, materiał ten jest znany z tego, że jest droższy niż inne filamenty, takie jak PLA czy ABS. To jeden z powodów, dla których pojawia się w produktach klasy premium, ale nie na rynku masowym.
• Kruchość: połączenie polimeru i włókna węglowego zwiększa kruchość materiału. Wadą wysokiej sztywności jest to, że włókno węglowe może pękać pod wpływem dużej siły lub nacisku. Oznacza to, że projekty lub obiekty narażone na takie siły nie są idealne dla włókna węglowego.

Gdzie można stosować filamenty Carbon Fiber?

• Włókno węglowe jest wykorzystywane przez wyczynowe zespoły wyścigowe w Formule 1.
• Rozwój lotnictwa pokazał, że włókno węglowe jest fantastycznym materiałem do wzmacniania skrzydeł i kadłubów samolotów, a nawet jest testowane w rakietach nowej generacji. Lekkość skrzydeł i kadłubów oznacza, że można zabrać więcej paliwa i pokonywać większe odległości.
• W wielu dyscyplinach sportowych, takich jak kolarstwo i golf, prędkość i masa mają ogromne znaczenie, dlatego firmy eksperymentowały z wykorzystaniem kompozytów z włókna węglowego w celu uzyskania przewagi konkurencyjnej.
• Fabryki i inne zakłady produkcyjne korzystające z robotyki zaczynają używać włókna węglowego do produkcji narzędzi, które wytrzymują dużą siłę, zajmując przy tym minimalną część udźwigu ramienia robota. Może być wykorzystywane do różnych wsporników, narzędzi, form kompozytowych do różnych procesów produkcyjnych lub nawet do użytku osobistego.

Filament AzureFilm Carbon Fiber PAHT

Filament Carbon Fiber PAHT to jeden z najpopularniejszych i najłatwiejszych w druku poliamidów (PA6) zawierających włókna węglowe. Powodem, dla którego ten materiał jest wytrzymały, posiada doskonałą odporność na ścieranie, dobrą odporność na zmęczenie, dobrą odporność chemiczną oraz wysoką wytrzymałość i sztywność, jest to, że sam filament posiada już te pożądane właściwości. Większość producentów wybiera włókna mielone, ponieważ są tańsze i łatwiejsze w użyciu.

AzureFilm natomiast stosuje włókna cięte, co oznacza, że wytrzymałość na rozciąganie jest większa, ponieważ włókna są większe, a produkt lepiej się wiąże. Oprócz doskonałej wytrzymałości na rozciąganie i uderzenia, filament Carbon Fiber PAHT umożliwia krótkotrwałe ciągłe użytkowanie do 160°C (maksymalnie 200 godzin). Filament ten jest w pełni kompatybilny z podporami rozpuszczalnymi, takimi jak PVA, BVOH, PVOH oraz w pełni kompatybilny z podporami usuwalnymi, takimi jak HIPS. Jego absorpcja wody osiąga punkt nasycenia około 4 razy wolniej niż w przypadku niemodyfikowanego PA6 i posiada 5-krotnie niższy punkt nasycenia niż konwencjonalne materiały PA6. Grubość włókien wewnątrz waha się od 0,4 mm do 0,6 mm, dlatego zalecamy użycie dyszy o średnicy większej niż 0,6 mm.

Wymagania dotyczące pracy z filamentem Carbon Fiber PAHT:

• Podgrzewany stół roboczy
• Dysza hartowana – Ze względu na swoją ścierną strukturę, filament szybko zużyłby standardową mosiężną dyszę. Do tego typu filamentu wymagana jest dysza odporna na ścieranie. Ponieważ tego typu dysze są zazwyczaj mniej przewodzące niż dysze standardowe, zaleca się zazwyczaj wyższe temperatury dla ekstrudera.
• Podgrzewana komora druku (opcjonalnie) – Przechowywanie filamentu stale w suchym miejscu, w temperaturze roboczej, jest opcją zapewniającą stałe, kontrolowane środowisko dla najlepszej jakości produktu.
• Zamknięte środowisko (opcjonalnie) – Zapewnienie stałego, kontrolowanego środowiska jest bardzo ważnym czynnikiem pozwalającym na uzyskanie wyższej jakości produktu końcowego, choć filament ten ma możliwość druku 3D na maszynach bez podgrzewanej komory.

Zalecenia dotyczące drukowania:

• Temperatura dyszy: 270 – 290°C
• Podgrzewany stół roboczy: zalecane 90-120°C
• Prędkość druku: 40 – 60 mm/s
• Wysokość warstwy: 0,2 mm
• Średnica dyszy: 0,6 mm
• Platforma robocza: niebieska taśma maskująca, taśma Kapton, płyta szklana + spray Dimafix

Filament AzureFilm Carbon Fiber PET

Drugą opcją, którą AzureFilm przygotował dla Państwa, jest filament Carbon Fiber PET. Ten materiał to najprostszy w druku filament z włóknami węglowymi. Nasz filament Carbon Fiber PET posiada strukturę wzmocnioną ciętymi włóknami węglowymi, co sprawia, że jego odporność na uderzenia jest znacznie wyższa. Ten kompozyt z ciętych włókien węglowych przesuwa istniejące granice poszukiwań filamentów do druku 3D klasy inżynierskiej ku nowym horyzontom. Filament ma doskonałe właściwości mechaniczne bez deformacji, w tym wysoką odporność w osi Z i niską chłonność wody. Nasz filament Carbon Fiber PET jest wypełniony w 15% włóknem węglowym i posiada maksymalną temperaturę krótkotrwałą (maks. 3 godziny) do 125°C. Może łatwo wytrzymać 100°C przez 10 godzin lub dłużej. Grubość włókien wewnątrz waha się od 0,4 mm do 0,6 mm, dlatego średnica dyszy powinna wynosić 0,6 mm.

Materiały wzmocnione włóknami oferują wyjątkowe właściwości mechaniczne. Oprócz typowych czynników wpływających na kompozyty, takich jak objętość włókien i ich orientacja, naukowcy odkryli, że parametry druku, takie jak rodzaj dyszy, prędkość, gęstość wypełnienia, grubość warstwy, temperatura stołu roboczego i wzór wypełnienia, wpływają na właściwości mechaniczne.

Znaczące zalety filamentu Carbon Fiber PET:

• Ekonomiczność: ponieważ używamy ciętych włókien węglowych, następuje znaczne skrócenie czasu produkcji, co pozwala nam uczynić materiał przystępnym cenowo dla każdego klienta.
• Odporność na wyższe temperatury do 125°C.
• Większa stabilność wymiarowa: cięte włókna węglowe są niezwykle wytrzymałe i nie tylko zapewniają wysoką odporność oraz sztywność, ale także pomagają zapobiegać skurczowi podczas chłodzenia części.

Wymagania dotyczące pracy z filamentem Carbon Fiber PET:

• Podgrzewany stół roboczy
• Dysza hartowana – Ze względu na swoją ścierną strukturę, filament szybko zużyłby standardową mosiężną dyszę. Do tego typu filamentu wymagana jest dysza odporna na ścieranie. Ponieważ tego typu dysze są zazwyczaj mniej przewodzące niż dysze standardowe, sugerujemy drukowanie z użyciem ekstrudera pracującego w wyższych temperaturach. Z dyszą stalową można drukować filamentem Carbon Fiber PET nawet na drukarce typu Ender. Wystarczy mieć dyszę, która się nie zatyka (0,6 mm) i która może wytrzymać wyższe temperatury.
• Podgrzewana komora druku (opcjonalnie) – Przechowywanie filamentu stale w suchym miejscu jest opcją zapewniającą stałe, kontrolowane środowisko dla najlepszej jakości produktu.
• Sugerujemy użycie zamkniętego środowiska/drukarki, która zapewnia stabilniejsze warunki, choć nie jest to wymagane.

Zalecenia dotyczące drukowania:

• Temperatura dyszy: 245 – 270°C
• Podgrzewany stół roboczy: zalecane 80-90°C
• Prędkość druku: 40 – 60 mm/s
• Wysokość warstwy: 0,2 mm
• Średnica dyszy: 0,6 mm
• Platforma robocza: niebieska taśma klejąca, taśma kaptonowa, szklana płyta + spray Dimafix