KOLFIBERFILAMENT: ALLT DU BEHÖVER VETA

Från glödlampor till rymdraketer – kolfiberfilament tar över och ersätter stål- och metalldelar i en rad olika industrier. Varför? Jo, kolfiber är fem gånger starkare än stål och samtidigt lättare. Dessa egenskaper gör kolfiber lämpligt för applikationer där materialets egenskaper krävs för att optimera prestandan, vilket är särskilt önskvärt inom fordons-, militär-, flyg- och rymdindustrin samt liknande branscher.

Vad är kolfiberfilament?

Kolfiber upptäcktes för första gången 1860 av Sir Joseph Wilson Swan. Senare använde Thomas Edison cellulosabaserat kolfibermaterial i de första glödlamporna som värmdes upp av elektricitet. Dess höga värmebeständighet gjorde dem till idealiska elektriska ledare. Även om kolfiber har funnits i över 150 år, var det först i slutet av 1970-talet som nya typer av kolfiber nådde den globala marknaden. Dessa nyare fibrer innehåller mer än 90 % kol och har avsevärt förbättrat förhållandet mellan styrka och vikt samt styvhet och vikt. Tack vare dessa moderna framsteg, liksom sänkta produktionskostnader, har vi kunnat förstå potentialen hos kolfibermaterial fullt ut.

Som många av er säkert redan vet används kolfibrer sällan ensamma. Vanligtvis hittar vi dem kombinerade med andra material för att skapa ett kompositmaterial; kolfiberkompositer består oftast (förutom kolfiber) av polymerer. Med denna kombination får man en plast som är starkare och lättare med en ökad styvhet.

3D-printade modeller gjorda med kolfiberfilament kan användas för att skapa många produkter, såsom propellerblad, cykelramar, flygplansvingar, bildelar, etc.

Kolfiberfilament är format av kolfibrer blandade med en termoplast som kallas basmaterial. Det finns många olika filament som kan köpas med kolfiberandelar, inklusive PETG, PLA, ABS och nylonfilament. Dessa fibrer i sig är extremt starka, och när vi blandar dem med basmaterialet ökar vi filamentets styvhet och hållfasthet, samtidigt som dess totala vikt minskar.

Utskriftsparametrar för en 3D-skrivare för kolfiberfilament bör likna de för det basmaterial som kolfiberfilamenten har tillsatts till. Eftersom kolfiberfilament är slipande och kan täppa till 3D-skrivarens munstycken rekommenderar vi att man använder ett munstycke av härdat stål. Tyvärr kan inte alla 3D-skrivare skriva ut med kolfiberfilament eftersom detta material kräver en hög extruderingstemperatur (minst 230 °C) och dess slipande natur kan skada mässingsmunstycken (det är därför vi rekommenderade stålmunstycket). Om du har en FDM-skrivare som en Ender 3 V2, oroa dig inte; med rätt ändringar på din Ender 3 kan du skriva ut allt från kolfiberfilament till flexibla filament. Du behöver bara installera en Micro Swiss direct-drive extruder och använda ett stålmunstycke.

Vissa företag har utvecklat kolfiberfilament i en ännu mer teknisk riktning. Basmaterialen i sådana filament är högpresterande polymerer (HPP) som PEEK. Carbon PEEK är ett material med extraordinära egenskaper när det gäller termisk och mekanisk beständighet samt kemisk resistens. Detta filament används inom mycket specifika områden där en ytterligare ökning av de mekaniska egenskaperna krävs för extraordinär prestanda.

Fördelar

• God dimensionsstabilitet: Filamentets draghållfasthet bidrar till ökad dimensionsstabilitet, vilket hjälper till att undvika skevhet vid 3D-utskrift och krympning.
• Styvhet: Vanligtvis uppvisar polymerer med hög hållfasthet och hållbarhet en brist på styvhet. Kolfiber har inte detta problem, eftersom det har förmågan att behålla sin form under hög belastning. Denna egenskap är mycket eftertraktad och används inom fordonsindustrin (t.ex. för motorfästen eller kontrollverktyg).
• Generellt fin ytfinish: Kolfiberfilament har en vacker matt finish. En extremt slät ytfinish möjliggör utskrift av funktionella prototyper.
• Styrka och lättvikt: En formidabel draghållfasthet och låg vikt gör kolfiber idealiskt för att ersätta metalldelar. Den låga densiteten är anledningen till att det är så lätt. Dessa egenskaper är särskilt eftertraktade inom robotindustrin.
• Termisk avböjning: När de utsätts för värme kan andra material deformeras under tryck eller vid höga temperaturer. Filamentet Carbon Fiber PAHT erbjuder hög termisk beständighet (upp till 160 grader Celsius). Även Carbon Fiber PET klarar högre temperaturer upp till 125 grader Celsius. Samtidigt är detta filament mycket enkelt att skriva ut med.
• Eftersom det har exceptionella mekaniska egenskaper kan det användas för olika fästen, verktyg, kompositformar för diverse tillverkningsprocesser eller för personligt bruk.

Nackdelar

• Slipande filament som sliter ut mässingsmunstycken. Vi rekommenderar att du använder ett stålmunstycke. Kolfiberdelar smälter inte, så var försiktig så att munstycket inte täpps till. Du måste välja rätt munstycke.
• Hygroskopicitet: Tendens att absorbera fukt. Det är mycket viktigt att förvara rullar med nylonfilament med kolfiber i en skyddad miljö, såsom i en mylarpåse på en förseglad plats.
• Dyrt: På grund av de krävande produktionsprocesserna för kolfiber är materialet känt för att vara dyrare än andra filament som PLA eller ABS. Detta är en av anledningarna till att det förekommer i high-end produkter men inte på massmarknaden.
• Skört: Kombinationen av polymer och kolfiber ökar materialets skörhet. Baksidan med hög styvhet är att kolfiber kan spricka under hög kraft eller högt tryck. Detta innebär att konstruktioner eller föremål som utsätts för sådana krafter inte är ideala för kolfiber.

Var kan du använda kolfiberfilament?

• Vi kan se kolfiber användas av högpresterande racingteam i Formel 1.
• Inom flyg- och rymdutveckling har man visat att kolfiber är ett fantastiskt material för att förstärka flygplansvingar och skrov, och det testas till och med för nästa generations raketer. Lättvikten hos vingar och skrov innebär att man kan bära mer bränsle och nå längre distanser.
• Inom många sportgrenar som cykling och golf är hastighet och vikt mycket viktigt, vilket är anledningen till att företag har experimenterat med kolfiberkompositer för att få en konkurrensfördel.
• Fabriker och andra tillverkningsanläggningar som använder robotik börjar använda kolfiber för att producera verktyg som tål hög belastning, samtidigt som de upptar minimalt av robotarmens lyftkapacitet. Det kan användas för olika fästen, verktyg, kompositformar för diverse tillverkningsprocesser eller även för personligt bruk.

AzureFilm Carbon Fiber PAHT-filament

Carbon Fiber PAHT-filament är ett av de mest populära och lättutskrivna polyamidmaterialen (PA6) som innehåller kolfibrer. Anledningen till att detta material är hållbart, har utmärkt nötningsbeständighet, god utmattningshållfasthet, god kemisk resistens samt hög hållfasthet och styvhet är att filamentet i sig redan besitter dessa önskvärda egenskaper. De flesta tillverkare väljer malda fibrer eftersom de är billigare och enklare att använda.

AzureFilm använder däremot korta fibrer, vilket innebär att draghållfastheten är högre eftersom fibrerna är större och produkten binder bättre. Förutom att ha utmärkt drag- och slaghållfasthet möjliggör Carbon Fiber PAHT-filamentet kontinuerlig korttidsanvändning upp till 160 °C (max 200 timmar). Detta filament är helt kompatibelt med lösliga stödmaterial som PVA, BVOH, PVOH och helt kompatibelt med avtagbara stödmaterial som HIPS. Dess vattenabsorption tar ungefär 4 gånger längre tid att nå mättnadspunkten jämfört med omodifierad PA6 och har en 5 gånger lägre mättnadspunkt än konventionella PA6-material. Tjockleken på fibrerna inuti varierar från 0,4 mm till 0,6 mm, varför vi rekommenderar att du använder ett munstycke med en diameter över 0,6 mm.

Krav för arbete med Carbon Fiber PAHT-filament:

• Uppvärmd byggplatta
• Härdat munstycke – På grund av sin slipande struktur skulle filamentet snabbt slita ut ett standardmunstycke av mässing. För denna typ av filament krävs ett nötningsbeständigt munstycke. Eftersom dessa typer av munstycken tenderar att vara mindre ledningsförmögna än standardmunstycken, rekommenderas vanligtvis högre temperaturer för extrudern.
• Uppvärmd utskriftskammare (valfritt) – Att förvara filamentet konstant på en torr plats med arbetstemperatur är ett alternativ för att säkerställa en konstant kontrollerad miljö för bästa produktkvalitet.
• Sluten miljö (valfritt) – Att säkerställa en konstant kontrollerad miljö är en mycket viktig faktor som möjliggör bättre kvalitet på slutprodukten, även om detta filament har förmågan att 3D-printas på maskiner utan uppvärmd kammare.

Rekommendationer för utskrift:

• Munstyckstemperatur: 270 – 290 °C
• Uppvärmd byggplatta: Rekommenderas 90–120 °C
• Utskriftshastighet: 40 – 60 mm/s
• Lagerhöjd: 0,2 mm
• Munstycksdiameter: 0,6 mm
• Byggplatta: blå maskeringstejp, Kapton-tejp, glasplatta + Dimafix-spray

AzureFilm Carbon Fiber PET-filament

Det andra alternativet som AzureFilm har förberett för dig är Carbon Fiber PET-filament. Detta material är det enklaste kolfiberfilamentet att skriva ut med. Vårt Carbon Fiber PET-filament har en struktur förstärkt med korta kolfibrer, vilket gör dess slagtålighet mycket starkare. Denna komposit av korta kolfibrer tänjer på existerande gränser för sökandet efter ett 3D-printat filament av ingenjörskvalitet mot nya horisonter. Filamentet har utmärkta mekaniska egenskaper utan skevhet, inklusive hög Z-styrka och låg vattenabsorption. Vårt Carbon Fiber PET-filament är fyllt med 15 % kolfiber och har en maximal korttids-temperatur (max 3 timmar) upp till 125 °C. Det klarar enkelt 100 °C i 10 timmar eller mer. Tjockleken på fibrerna inuti varierar från 0,4 mm till 0,6 mm, varför munstycksdiametern bör vara 0,6 mm.

Fiberförstärkta material erbjuder exceptionella mekaniska egenskaper. Förutom typiska faktorer som påverkar kompositer, såsom fibervolym och fiberorientering, har forskare upptäckt att utskriftsparametrar som munstyckstyp, hastighet, fyllnadsdensitet, lagerhöjd, byggplattans temperatur och fyllnadsmönster påverkar de mekaniska egenskaperna.

Betydande fördelar med Carbon Fiber PET-filament:

• Ekonomiskt: Eftersom vi använder korta kolfibrer sker en betydande minskning av produktionstiden, vilket gör att vi kan göra vårt material ekonomiskt för alla kunder.
• Beständighet mot högre temperaturer upp till 125 °C.
• Högre dimensionsstabilitet: De korta kolfibrerna är extremt starka och ger inte bara hög styrka och styvhet, utan hjälper också till att förhindra krympning under avkylningen av delen.

Krav för arbete med Carbon Fiber PET-filament:

• Uppvärmd byggplatta
• Härdat munstycke – På grund av sin slipande struktur skulle filamentet snabbt slita ut ett standardmunstycke av mässing. Ett nötningsbeständigt munstycke krävs för denna typ av filament. Eftersom dessa typer av munstycken tenderar att vara mindre ledningsförmögna än standardmunstycken, föreslår vi att du skriver ut med en extruder för högre temperaturer. Med ett stålmunstycke kan du skriva ut Carbon Fiber PET-filament även på en skrivare som Ender. Du behöver bara ha ett munstycke som inte täpps till (0,6 mm) och som tål högre temperaturer.
• Uppvärmd utskriftskammare (valfritt) – Att förvara filamentet konstant på en torr plats är ett alternativ för att säkerställa en konstant kontrollerad miljö för bästa produktkvalitet.
• Vi föreslår att du använder en sluten miljö/skrivare som garanterar en stabilare miljö, men det är inte absolut nödvändigt.

Rekommendationer för utskrift:

• Munstyckstemperatur: 245 – 270 °C
• Uppvärmd byggplatta: Rekommenderas 80–90 °C
• Utskriftshastighet: 40 – 60 mm/s
• Lagerhöjd: 0,2 mm
• Munstycksdiameter: 0,6 mm
• Byggplatta: blå maskeringstejp, Kaptontejp, glasplatta + Dimafix-spray