Przykłady zastosowań druku 3D: kompozyty z włókien węglowych

1. Kompozyty z włóknami węglowymi mogą być stosowane w druku 3D

Materiały kompozytowe domieszkowane włóknem węglowym to materiały złożone z dwóch składników: włókien węglowych osadzonych w materiałach matrycowych, bazowych. Podczas gdy materiały bazowe mogą być żywicą, termoplastem lub innymi, najczęstszym typem są termoplasty i ludzie często określają je jako polimery wzmocnione o dany materiał. Włókno węglowe jest zwykle oznaczane skrótem CF (carbon fiber), więc kiedy zobaczymy skróty PLA-CF, PETG-CF, PA-CF lub Nylon-CF, będzie wiadomo, że są to kompozyty (w tym wypadku termoplasty) domieszkowane o włókno węglowe.

Dzięki lekkim, krótkim i gęstym włóknom, kompozyty z włóknem węglowym zyskują cechy wysokiej wytrzymałości i łatwości wytwarzania. Te zaawansowane materiały rozwiązują cztery bolączki przeciętnych materiałów inżynierskich:

• Tolerancja na wysokie temperatury
• Odporność na chemikalia
• Wysoka wytrzymałość
• Mała waga

Kompozyty z włóknem węglowym stosowane w druku 3D łączą w sobie zalety materiałów kompozytowych z zaletami druku 3D w zakresie wytwarzania form. Innymi słowy, druk 3D kompozytów domieszkowanych w pełni wykorzystuje zalety materiałów kompozytowych i produkcji addytywnej, rozwiązując tradycyjne problemy związane z uciążliwą obróbką form i trudnością w wytwarzaniu skomplikowanych struktur z materiałów opartych o włókna węglowe.

2. Przemysłowe zastosowania części z kompozytów z włóknem węglowym

Wśród różnych typów kompozytów z włóknem węglowym, weźmy PET-CF i PAHT-CF w celu zobrazowania zastosowania drukowanych 3D części w przemyśle maszynowym.

Przykład z PET-CF

PET-CF jest materiałem kompozytowym składającym się z materiału PET i 15% włókna węglowego. Nie ma wątpliwości, że kompozyt z włókna węglowego PET-CF ma lepszą wydajność mechaniczną niż PET, zwykły materiał inżynieryjny. PET-CF ma cechy niskiego współczynnika absorpcji wilgoci, wysokiej wytrzymałości, odporności na pełzanie, wysokiej tolerancji temperaturowej, odporności na korozję chemiczną i mniejszej deformacji pod długotrwałym obciążeniem. Części drukowane z PET-CF są szeroko stosowane np. do narzędzi pracujących w głębokiej wodzie.

W przeciwieństwie do części drukowanych z PET, które mogły spełnić tylko standardy weryfikacji w perspektywie strukturalnej, części drukowane 3D z PET-CF mogły nie tylko spełnić weryfikację strukturalną, ale także przejść test na wydajność mechaniczną. Potwierdza to przykład udanego zastosowania części drukowanych 3D z PET-CF w studni narzędzi elektrycznych. Zespół wsparcia z Flashforge Corp. zaproponował kompozyt z włókna węglowego PET-CF dla wewnętrznych części narzędzi elektrycznych, które później zostały wydrukowane na profesjonalnej drukarce 3D. Po kilku testach okazało się, że zarówno wytrzymałość jak i dokładność strukturalna dobrze spełniają wymagania. Części wydrukowane z PET-CF 3D mogły być bezpośrednio użyte do montażu narzędzi, niemal bez żadnej obróbki!

Przykład z PAHT-CF

PAHT-CF to materiał kompozytowy wykonany z włókien węglowych i tworzywa polimerowego PAHT. Ze względu na potrzebę uzyskania części o większej wytrzymałości i dłuższej trwałości, członkowie zespołu Flashforge wykorzystali materiał kompozytowy PAHT-CF, który zawiera 15% włókien węglowych i wydrukowali 3D części nakładając je na cztery górne rogi maszyny drukującej 3D (jak pokazano na rysunku poniżej).

Właściwości mechaniczne części drukowanych 3D z PAHT-CF zostały przetestowane i zweryfikowane, z powodzeniem zastosowane w maszynie i skutecznie zapewniają dyszy maszyny stabilną i szybką pracę w osi XY.

3. Jaką drukarkę 3D do druku z kompozytów wybrać?

Jak pokazano powyżej, części drukowane 3D z kompozytów z włóknem węglowym były stosowane w różnych branżach. Zauważalne jest jednak, że wybór drukarki 3D i jakość wydruku części są kluczowe dla końcowych zastosowań. Od dostępnych drukarek 3D wymaga się, aby posiadały dysze o podwyższonej twardości, które są w stanie tolerować długotrwałe zużycie (ścieranie), aby zachowywały się stabilnie podczas długotrwałego drukowania kompozytów z włókien węglowych, aby były kompatybilne z różnymi rodzajami kompozytów z włókien węglowych i aby osiągały wysoką jakość druku. Drukarka 3D Flashforge Creator 4 jest idealna do tego typu zastosowań. Części PET-CF wydrukowane w 3D, użyte w elektronarzędziu w powyższym przykładzie, zostały właśnie wykonane za pomocą Flashforge Creator 4. Jest to drukarka 3D klasy przemysłowej wyposażona w 3 opcje wymiennych ekstruderów, wśród których dysza HS jest specjalnie zaprojektowana do drukowania kompozytów z włókna węglowego. Przy okazji, drukarka 3D Creator 4 dziedziczy system podwójnego wytłaczania produktów serii Flashforge Creator, co pozwala na druk z dwóch materiałów lub w formie odbicia lustrzanego!

Ponadto, materiały kompozytowe z włókna węglowego są podatne na wchłanianie wilgoci z powietrza i utrzymywanie ich w ściśle suchym środowisku druku 3D jest kluczowe dla zapewnienia wysokiej jakości powierzchni drukowanych części 3D i dobrej wydajności mechanicznej. Stacja suszenia filamentów jest dopasowana do drukarki Flashforge Creator 4 3D jako urządzenie peryferyjne! Stacja jest zaprojektowana tak, aby utrzymać materiały do drukarki 3D w suchym środowisku, czy to podczas drukowania czy też podczas przechowywania po wydruku.

Źródło: https://bit.ly/3XI18d2