碳纖維3D列印入門指南

2021-05-03

使用碳纖維的理由

儘管碳纖維3D列印已經存在了十年之久,但在最近幾年中它迅速崛起。 如今,許多現有的3D印表機製造商都在爭先恐後地利用“碳纖維3D列印”一詞,但並非所有碳纖維3D列印是其所稱。

本指南涵蓋了3D列印領域中,碳纖維的基礎知識,我們將在其中定義不同的類型,研究挑戰,益處,實施注意事項等。 在碳纖維3D列印領域,將深入研究Markforged的碳纖維增強(CFR)的優勢。

碳纖維基礎

什麼是碳纖維?

碳纖維由碳原子組成,這些碳原子組織成直徑5-10微米長而細的晶體結構。這些纖維可以單獨使用,也可以在成束的纖維束中使用。在現代製造業中,碳纖維幾乎總是與其他材料結合形成複合材料。當與熱塑性或熱固性樹脂基底連接時,碳纖維束可以採用多種形式用於工程應用。最常見的是,將它們纏繞在心軸上以形成管子,將其放進模具以進行拉擠或熱壓成型,或者將它們編織成膠帶和織物。這種組合可創建強大的自定義幾何形狀,從而可以用於航空,汽車,軍事和其他行業。

碳纖維增強機械性能以及耐熱和耐化學性的結合,使其成為高級製品的理想選擇。碳纖維具有很高的剛性和拉伸強度,而相對密度卻遠低於鋼和鋁。由於其極高的強度重量比,碳纖維被廣泛用於航空和汽車工業。

 

 

短纖線材

背景

使用短纖維填入塑料中,例如玻璃纖維和碳纖維(在塑膠射出行業中已經使用了數十年,以改善熱塑性塑料的材料性能)。

為了製造短纖塑料線材,製造商將聚合物原料與填充材料混合,將它們製成顆粒料。 這些顆粒料透過加熱進一步融合,之後將其擠出、拉伸成長線材。 然後將長線材捲成綑,讓3D列印機可以使用。

最常見的應用是使用尼龍或ABS作為基礎材料,再添加短碳纖維。

重要的是要注意,並不是所有的填充劑都是纖維,用於增強機械性能,實際上,有些是用於改善流動性,美觀的外觀,甚至降低成本。

 

 Markforged發現短碳纖維含量合適時,短碳纖填充線材可有無與倫比的表面平整度。

 

短碳纖填充線材通常由重量分佈均勻的5%至35%的碳纖維粉組成。這些纖維粉屬於短纖,是從纖維束中磨碎或切碎而來,尺寸範圍從直徑5-10微米到長度50-250微米。在使用短碳纖填充線材列印時,材料擠出過程的流動性一致,使材料在印刷方向上整齊且平均。 這意味著抗拉強度和抗彎強度的提高。 

 

主要好處 

+邊緣增加強度/剛性

 這直接轉化為更強更硬的零件。

+熱穩定性提高

 碳纖維具有熱膨脹係數低的特性,可以幫助減少在印刷過程中翹曲。此外也

 有助於列印部分在熱環境中抵抗變形。

+更大的列印零件精度

 在機械和熱穩定的特性,將增加碳纖維填充部件,比其未填充的對應物更佳

 的尺寸精度。

 

挑戰性

短碳纖填充線材具有明顯的優勢,您可能想知道:為什麼所有的商用線材都沒有填充盡可能多的碳纖維?原因是碳纖維對材料生產過程和列印過程都有許多挑戰,其中包括:

--如果硬質填充材料的體積增加到一定以上,則會對線材均勻性產生負面影響,這可能會導致不良的表面平整度和列印過程中的品質瑕疵。

--填充碳纖維的線材具有磨蝕性,並且會迅速磨損專為通用未填充碳纖維FFF線材設計的列印機擠出組件。可以通過加強組件和例行維護來減輕這種情況,但會增加設備成本。

--碳纖維含量過多也會阻塞噴嘴,增加噴嘴堵塞的風險,導致機器無法使用,直到執行維護或更換。許多線材製造商選擇忽略這些缺點,並在線材中添加盡可能多的短碳纖維。所得到的部件犧牲表面光潔度和機器可靠性為代價,來獲得強度。 

Markforged的碳纖維增強材料(Carbon Fiber Reinforcement)使用能夠降低這些失敗因素的方式,設計出短碳纖填充線材--Onyx。儘管大多數填充線材製造商都以可列印性來決定,優化其材料的強度,但我們對Onyx進行了尺寸精度,表面平整度和列印機穩定性的優化。由於CFR中使用的碳纖維的強度和剛性,在不犧牲最終零件強度的情況下平衡這些特點,這將在下面介紹。結果是提高了零件的精度,整體剛性和強度,更美觀的表面以及整體完整性。

 

連續性纖維

背景

連續碳纖維是塗有熱塑性塑料的長碳纖維線材。然後使用CFR技術將這些纖維線材鋪設到熱塑性FFF部件

中。在此過程中,通過將材料加熱的噴嘴擠出,將熱塑性塗層熱熔合到零件上。可以在3D列印零件的每一

層中,以各種2D方向放置連續碳纖維線材。

用連續碳纖維增強的零件強度,可與一般複合鋪層製造的零件相媲美。在短碳纖填充線材中,短纖維之間的

非連續性會使機械負荷通過基底聚合物傳遞,從而將相關的機械性能提。在CFR零件中,拉伸和彎曲負荷會

以最小的基質聚合物傳遞到長纖維線材上,讓整體機械性能再提高。零件可以採用多種不同的方式進行加

固,以針對不同的負載條件進行變化。連續纖維增強技術不僅包括碳纖維,還包括玻璃纖維,Kevlar®和高

強度高溫玻璃纖維。

 

 

 

可變的連續纖維排列

使用CFR,用戶可以通過兩種方式控制零件中的纖維量,通過更改一層中的纖維量並指定要加固的層數,該設定使工程師能夠讓3D列印零件,其強度完全滿足他們的需求。

 

主要好處

與短纖填充線材纖維增量變化相反,連續纖維能夠實現零件性能跳躍式的改變,連續纖維的優點包括:

+能夠達到與鋁合金(6061-T6)類似的強度,

連續的碳纖維增強零件可以在應用中取代加工部件。

+通過一系列特殊的連續纖維增強材料(包括Kevlar®纖維和玻璃纖維),可以提高剛度,抗衝擊性,耐熱性和耐久性。

+連續纖維補強了Onyx。

例如Markforged在Onyx中使用短碳纖維來提高列印零件的精度和表面光潔度,而連續碳纖維則將其強度和剛度提高十倍。

 

使用連續纖維

與短纖填充線材不同,連續纖維是通過CFR過程實現的。 CFR允許用戶靈活地在其零件中填充連續纖維,這樣用戶可以更好地控制要放入零件中的碳纖維量。儘管可以用連續纖維隨意填充零件,但最好的結果是根據裝載條件對纖維束進行策略佈置。優化的零件是使用較少的連續纖維材料,即可提供相同的預期結果,這也減少了製造時間和成本。

 

可控制的設定是一項關鍵優勢

連續纖維有兩種主要考量方式:

1。確定是否在零件的每一層中放置連續纖維

2。確定每個增強層的增強方式

通常用於零件的連續纖維技術示例包括:

 

三明治結構

像傳統的複合鋪層零件一樣,在頂部和底部添加連續纖維。在大多數彎曲載荷條件下,零件表面的應力集中最高。三明治結構用於抵抗Z方向力量。

 

殼層

類似於三明治結構,但在每一層的壁內使用連續纖維的環。殼層加固將連續纖維放置在每層的外圍,以抵抗沿XY平面的載荷。

 

交錯路徑

連續纖維交錯路徑層,在零件的關鍵區域(層)增加了連續纖維“交錯路徑列印”此設定可用較多的三明治結構以分配載荷,降低平片翹曲。

 

結論

現在,您已經掌握了基本知識,定義,優勢和注意事項,在決定如何投資於正確的碳纖維3D打印解決方案時,您公司可以得到最佳的答案。

與連續纖維打印技術的領導者合作,可以幫助您適應涉及3D列印不斷發展的業務需求。 連續碳纖維是Markforged獨特的超高強度材料-置入於像Onyx這樣的複合基礎材料中,可以產生強度高達6061-T6鋁的零件。 它非常堅硬,可以通過Markforged 3D打印機自動放置在各種幾何形狀中。

 

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