Ha kiváló mechanikai tulajdonságokra, könnyű súlyra és tartósságra van szüksége alkatrészeihez vagy termékeihez, akkor a szénszál az arany standard ennek elérésében. Kiváló szilárdság-tömeg arányának köszönhetően a nagy teljesítményű mérnöki alkalmazások, műhelyszerszámok, gyári befogók és szerelvények, autókarosszéria prototípusok és még sok más termék alapanyaga.
Az 1960-as évek óta népszerű, szénszálas 3D-nyomtatás nemrég került a rivaldafénybe, mint olyan anyag, amely fémminőségű szilárdságot és hő-, vegyszer- és korrózióállóságot biztosít a műanyag alkatrészeknek.
Mi az a szénszálas 3D nyomtatás?
A szénrostos 3D nyomtatás általános kifejezés a széttört vagy folyamatos szénrostot tartalmazó anyag használatával végzett 3D nyomtatásra, amelyet egy polimer porba vagy szálakba ágyaznak be. A szénrostot beépítő “alap” anyag lehet Nylon, PEEK vagy számos más polimer, és a szénrost mennyisége a anyagban változhat. Mivel a szénrost a polimerrel van összekeverve, időnként “kompozit” 3D nyomtatásként is hivatkoznak rá.
A szénrostos 3D nyomtatás két fő technológiája a következő:
- Fused Deposition Modeling (FDM)
- Szelektív Lézeres Szinterezés (SLS)
Szénszálas FDM
Az FDM 3D nyomtatás a leginkább hozzáférhető és legsokoldalúbb módszer a szénszálas alkatrészek előállítására. A nyomtatók és az anyagtípusok között vannak eltérések, amelyek jelentősen megváltoztathatják a végterméket.
Szén tartalmú filamentumot számos FDM 3D nyomtatókon használhat, amennyiben edzett acél fúvókát használ a nyomtató. A szénszál-részecskéket tartalmazó filamentek ugyanúgy működnek: az extruderből kiáramló hő rugalmassá teszi a filamentet, és a beágyazott szénszálakat is a nyomtatási irányba igazítja, ami a végső nyomat szilárdságát és merevségét adja. Az alábbiakban a „Legjobb szénszálas anyagok” részben részletesebben foglalkozunk az anyaggal .
A szénszálas nyomtatás második módszere a folyamatos szénszál (CCF) , amely kettős extrudáló fúvókákat használ. Az egyik extruder egy réteg folytonos szénszálat, míg a másik egy másik anyag rétegét fekteti le. Ezzel a módszerrel olyan alkatrészek jönnek létre, amelyek erősebbek, mint a vágott szálak használatánál, és egyenletesebb terheléselosztást biztosítanak. Ideális azokhoz az alkatrészekhez, amelyek nem mindenütt igényelnek szénszálat, hanem bizonyos területeken megerősítést igényelnek – például a külső falakon.
Ennek a megközelítésnek egy másik változata a folyamatos szál egyidejű kifúvása (CFC), ahol a műanyag anyag és a folyamatos szál egyesülnek a fúvókában. Ami rendkívül érdekes ezekben a két megközelítésben, az az, hogy a kitöltési és lerakási stratégiától függően testreszabott anyagtulajdonságokat lehet beépíteni az alkatrészbe anélkül, hogy megváltoztatná annak nettó alakját. Különböző megerősítési stratégiák közé tartozik többek között a héjazás, a szálak elrendezése, a bordázás és a szálak szögének változtatása.
Szénszálas SLS
Az SLS 3D nyomtatás magas teljesítményű lézereket használ, hogy porlasztott műanyag anyagot olvasszon össze 3D alakzatokká rétegenként. Ez lehetővé teszi részletes, erős, tartós és hőálló alkatrészek létrehozását egyszerre. A szénrostos nylon (CF-PA) az egyik legnépszerűbb anyag az SLS 3D nyomtatásban.
A szénszállal töltött nejlon általában erősen anizotróp, ami azt jelenti, hogy az anyag tulajdonságai a nyomtatás során az alkatrész tájolásától függően változnak, mivel a kis szálak igazodnak ahhoz, ahogy a por szétterül az építési platformon. Például a szakítószilárdság ebben az irányban sokkal nagyobb lesz, mint a másik kettőben, ezért fontos az alkatrész tájolása, és erre az összeállítás-előkészítő szoftvernek figyelmeztetnie kell.
A szénszálas SLS porok korábban drágák voltak, de új és sokkal olcsóbb asztali gépek jelentek meg a piacon szabadalmaztatott porokkal. Ne hagyja ki a legjobb asztali méretű szénszálas 3D nyomtatókról szóló útmutatónkat .
A szénszálas 3D nyomtatás legfőbb előnyei
A szénszál-erősítésű anyagokkal történő nyomtatást a szabványos anyagokkal, például PLA-val, ABS-sel, nejlonnal vagy PETG-vel szemben választják, ha kiváló fizikai tulajdonságokra van szükség. Ez érvényes lehet a végfelhasználású alkatrészekre, de a fúrótornyok és -fúrók, valamint a funkcionális prototípusok gyártására is.
A szénszál növeli az erőt, miközben csökkenti a súlyt, így ideális kompozit számos iparágban, például az autóiparban, a repülőgépiparban és a sportban. Természetesen a folyamatspecifikus jellemzőket, mint a rétegvonalak vagy a méretpontosság továbbra is többnyire a használt gép típusa határozza meg.
Összességében a szénszálas 3D nyomtatást a következőkért értékelik:
- Nagy szilárdság és merevség
- Lehetséges fémhelyettesítő
- Kivételes méretstabilitás
- Használható végfelhasználói alkatrészekhez és funkcionális prototípusokhoz
- Ellenáll a korróziónak, hőnek, olajnak és zsírnak
Melyek a legjobb szénszálas 3D nyomtatók?
A szénszálas 3D nyomtató kiválasztásakor sok mindent figyelembe kell venni. Vásárláskor gondoljon a következő szempontokra:
- 3D nyomtató és anyagköltség
- Az alkatrészek mechanikai tulajdonságai
- Részletességi szint
- Nyomtatási méret és mennyiség
- Nyomtatási sebesség
- Anyaglehetőségek (nyílt vs. szabadalmaztatott)
- Speciális piaci igények (autóipar, repülőgépipar, gyártás)
Ha elkezdene ismerkedni a kis és közepes méretű üzleti eszközök, berendezések és strapabíró prototípusok szénrostos 3D nyomtatásával, számos asztali méretű modell közül választhat. Az alábbi útmutatóban kiválasztottuk a legjobb ajánlatokat, amelyek ára 4 750 és 75 000 dollár között mozog. Az alkalmazott technológiák magukba foglalják az ágyazott és folyamatos szénszálas FDM megoldásokat is. Ez az útmutató kifejezetten olyan tervezőknek és gyártóknak szól, akik házon belül szeretnék kiépíteni a szénrostos szakértelmüket.
Ha készen áll arra, hogy szénszálas 3D nyomtatását a következő szintre emelje, tekintse meg útmutatónkat az ipari szénszálas gépekről , 15 000 dollártól 250 000 dollárig terjedő és azt meghaladó árkategóriában. Az infúziós és folyamatos szénszálas rendszerek mellett bárki, aki az ipari méretű szénszál-gyártás területére szeretne beszállni a szúrók, prototípusok és végalkatrészek gyártásába, ezen a listán megtalálja, amit keres.
A legjobb szénszálas anyagok
Szénszálas filamentum
Amikor CF-szálat vásárol, vegye figyelembe a polimert, amelybe a szénszálakat befújják (PLA, PEEK, PETG stb.), valamint a szénszálak mennyiségét (tömeg%-ban) a szálban.
A PLA-szálban lévő szénszálak valamivel erősebbé teszik az alkatrészeket, mint a PLA önmagában, de a fémekkel biztosan nem vetekszik. Az alapvetően már erős anyagokban, például a nylonban vagy a PEEK-ben lévő szénszál valóban megbillenti a mérleget.
Minél nagyobb a szénszál százalékos aránya a filamentben, vitathatatlanul annál jobb az erősítés. A leggyakoribb mennyiség 20% szénszál.
Ha most ismerkedik a szénrostos 3D nyomtatással, nem kell a filament boltokban kutatnia a legjobb szénrostos filamenek után. Csak nézze meg útmutatónkat lent:
Ha ipari szintű szénrostos 3D nyomtatásra szeretne áttérni, előfordulhat, hogy nem választhatja ki a filamentet. Sok szakember és ipari 3D nyomtató csak az adott márka CF filamentumaival dolgozik.
A folyamatos szénszálas anyagokat csak speciális gépekkel lehet feldolgozni, mivel ezekhez olyan hardverre van szükség, amely az alapanyagba beépítendő folytonos szénszálas szálat kihelyezi és levágja.
Mennyibe kerül a szénszálas filamentum?
Ez természetesen sok tényezőtől függ. Az alacsonyabb áron egy 1 kilogrammos tekercs szénrostos filament körülbelül 50 dollárba kerül. Ez nem sokkal tér el a szokványos filamenek árától az asztali FDM nyomtatók világában. Természetesen ez az ár gyorsan megnőhet, például egy 800 grammos Markforged Onyx filament tekercs ára körülbelül 230 dollár.
Sokféle lehetőség létezik a szénrostos 3D nyomtatás terén, és az árak gyorsan emelkedhetnek, amikor a tekercset speciális nyomtatóknak is kísérnie kell, tehát győződjön meg róla, hogy pontosan érti, milyen követelményeknek kell megfelelnie a részeinek, hogy ne essen egy szénfekete pénzgödörbe. Filament útmutatónk jó kiindulópont, mivel felsorolja a különböző aprított szénrostos filamenek anyagspecifikus követelményeit.
CF polimer porlasztás
Bár itt nem térünk ki a CF polimer porok minden apró részletére, de érdemes tudni, hogy a szálak polimer porral való keverésének módja különbséget jelent.
Például a kisgépes SLS rendszerek gyártói, mint a Formlabs és a Sinterit, egyaránt kínál PA 11 nejlont szénszálakkal keverve, amelyek lazán oszlanak el a polimer granulátumok között. Ez a por újrafestő irányának beállításához és végső soron anizotróp profilokhoz vezet, amint azt fentebb említettük. Az ilyen típusú hozzáadott szénszál nagymértékben javíthatja a PA szakítószilárdságát egy irányban, de valójában más szempontból káros lehet az alkatrész teljesítményére. Ezt mindenképpen vegye figyelembe a modell tervezése és nyomtatásra való előkészítése során.
Most vessen egy pillantást az ipari minőségű SLS szénszálas porokra, mint például az EOS HT-23 nevű terméke. Itt a 23%-os szénszálakat a polimer szemcsékkel kötik össze, így X, Y és Z irányban egyenletesebb szilárdságot hoznak létre. Ez az anyag azonban mind teljesítményben, mind árban a porok élén áll, és valójában csak a két speciális, magas hőmérsékletű EOS rendszer, a P450 és a P810 egyikével kezelhető.
Mennyibe kerül a szénszálas polimer por?
Az SLS porok általában drágábbak, ahogyan azt a korábban említett Formlabs PA 11 CF és a Sinterit PA 11 CF is mutatja, amelyek ára körülbelül 1000 dollár 6 kg-os egységenként. Az EOS még a HT-23 por árát sem hozza nyilvánosságra, ami sosem jó jel, ha olcsóbban szeretnénk beszerezni.
A szénszál újrahasznosítása
Mivel a szénszál nagyon szívós anyag, nehezebb aprítani és újrahasznosítani, mint más műanyagokat. Jelenleg a szénrost polimer hulladék jelentős részét szemétlerakókban helyezik el vagy elégetik. Emiatt egyes gyártók visszatérnek a fémekhez, például a titánhoz, mivel ezek a termék élettartama végén újrahasznosíthatók. Ezt az akadályt az adalékanyag-gyártó ipar a szénszálas nyomtatott termékek visszanyerésének módjait vizsgáló , folyamatban lévő kutatásokkal kívánja orvosolni . Ahhoz, hogy fenntartható módon használj szénrost polimereket a 3D nyomtatásban, próbálj ki olyan anyagokat, amelyek újrahasznosított szénrostokból és újrahasznosított polimerekből készültek.
Káros és mérgező a szénrost?
A hagyományos 3D nyomtatásban előforduló tipikus veszélyek mellett, mint például a forró olvadt műanyag vagy a meleg géprészek okozta égési sérülések, a szénrostokkal való 3D nyomtatás során specifikus anyagokhoz kapcsolódó kockázatok is vannak.
Nem meglepő módon az apró szénrostok a levegőben megjelenhetnek, amikor durván kezelik a szénrostokkal erősített SLS port. Ezek könnyen irritációt és légúti problémákat okozhatnak. A megfelelő munkaterületi szellőzés és személyes védőfelszerelések, beleértve a kesztyűt és maszkot, feltétlenül szükségesek.
Az infúzált és folyamatos szénrostok esetében ez a kockázat minimálisra csökken. Azonban a megolvadt anyagból származó füst és gázok továbbra is egészségügyi kockázatot jelentenek . Mivel a gyakran kőolaj alapú műanyagokkal, például nejlonnal (PA12), ABS-sel vagy PETG-vel kombinálják, így az azokra vonatkozó egészségügyi óvintézkedések érvényesek, és a megfelelő szellőzés mellett védőfelszerelés használata ajánlott a káros anyagok belélegzésének és a VOC-knak való kitettség elkerülése érdekében.
Szoftver a szénszálas 3D nyomtatókhoz
A 3D nyomtatáshoz elengedhetetlen egy operációs szoftver, amely átalakítja a digitális modellt a nyomtató által követendő utasításokká. A filament és vágott szálas filament nyomtatások között van különbség ebben a szempontban. Az filamentet használó nyomtatóknál már ismeretes az operációs szoftver szükségessége, míg a vágott szálas filamentekkel dolgozó asztali nyomtatóknál általában az alap szoftver elegendő, ha a nyomtató megfelel a filament specifikációinak.
Az előrehaladottabb anyagok és technológiák esetén az alapvágási szoftverek nem működhetnek, mert nem tervezték úgy, hogy lehetővé tegyék az anyagra jellemző paramétereket, mint például a szénszál-erősítési stratégiákat. A Markforged például minden nyomtatóhoz saját felhőalapú fájl-előkészítő és -kezelő szoftverét, az Eigert biztosítja. Újítás, hogy a szoftver virtuális tesztelést is tartalmaz szimuláción keresztül. Az alkatrész szilárdságát nem az utólagos tesztelésen keresztül ellenőrzik, hanem az eszköz egy intelligens szénszál-erősítési ellenőrzési és optimalizálási munkafolyamatot kínál a nyomtatás előtt, és csak egy gombnyomással elvégezhető.
Eredeti forrás: All3dp.com
