Филаменты с армированием углеродным волокном

Материалы с углеродным волокном армированы сплошными волокнами или частицами волокна, что приводит к деталям с улучшенными физическими свойствами и высокой жёсткостью. Существует множество вариантов углеродно-волоконных материалов для 3D-печати, но все они требуют радикально различающихся настроек печати.

Филаменты, армированные углеродным волокном, сочетают преимущества термопластов с прочностью и жёсткостью углеродных волокон, создавая материалы, оптимизированные для инженерных применений. Эти композиты идеально подходят для лёгких, прочных деталей, требующих повышенных механических свойств и размерной стабильности.

Что такое филаменты, армированные углеродным волокном?

Филаменты с углеродным волокном вводят короткие углеродные волокна в базовый термопласт (например, PLA, PETG, Nylon, ABS или PC). Волокна увеличивают жёсткость, уменьшают коробление и улучшают термостойкость, при этом сохраняя пригодность к печати базового материала.

Ключевые преимущества

• Повышенная жёсткость: Волокна повышают жёсткость, уменьшая изгиб в конструктивных элементах.

• Размерная стабильность: Минимизирует усадку и коробление при охлаждении.

• Лёгкость: Меньшая плотность, чем у металлов, идеально для отраслей с критичным весом.

• Улучшенная термостойкость: Более высокая температура теплового деформирования по сравнению с базовыми материалами.

Распространённые варианты с углеродным волокном

1. PLA-CF

• Базовый материал: PLA

• Свойства: Повышенная жёсткость и качество поверхности, но сниженная адгезия слоёв и ударопрочность.

• Применение: Эстетические прототипы, рамки дронов, лёгкие приспособления.

• Ограничения: Хрупкий; непригоден для условий с высокими нагрузками или высокой температурой.

PLA-CF от Polymaker

2. PETG-CF

• Базовый материал: PETG

• Свойства: Сочетает жёсткость с устойчивостью к УФ/химикатам; менее склонен к короблению, чем ABS-CF.

• Применение: Отделка автомобилей, уличные крепления, функциональные прототипы.

• Ограничения: Сниженная пластичность по сравнению со стандартным PETG.

3. Nylon-CF (например, NylonX, PA-CF)

• Базовый материал: Nylon (PA6/PA12)

• Свойства: Высокая прочность на разрыв (до 100 МПа), термостойкость (HDT до 155°C) и усталостная стойкость.

• Применение: Шаблоны, шестерни, кронштейны для авиационной техники и детали под капотом автомобилей.

• Ограничения: Требует тщательной сушки и износостойкого оборудования.

Fiberon™ PA6-CF20 от Polymaker

4. ABS-CF

• Базовый материал: ABS

• Свойства: Повышенная жёсткость и уменьшенное коробление по сравнению со стандартным ABS.

• Применение: Автомобильные прототипы, корпуса и функциональные компоненты.

• Ограничения: Склонен к выделению паров; требуется вентиляция.

5. PC-CF

• Базовый материал: Поликарбонат

• Свойства: Исключительная прочность (прочность на разрыв ~70–75 МПа) и термостойкость (до 150°C).

• Применение: Авиационные компоненты, элементы для высоких температур и электрические изоляционные детали.

• Ограничения: Требует высоких температур сопла (300–330°C) и закрытых принтеров.

6. Специальные композиты

• PPS-CF: Высокая термическая стабильность (до 260°C в краткосрочной перспективе) для авиационной и химически устойчивой продукции.

• PP-CF: Лёгкий материал с усталостной стойкостью для петель и сборок с защёлками.

Особенности печати

Требования к оборудованию

• Сопло: Закалённая сталь, рубин или покрытие из алмаза, чтобы противостоять абразивному износу.

• Адгезия к столу: Листы PEI, клеи (например, Magigoo) или текстурированные поверхности.

• Камера: Рекомендуется для материалов, склонных к короблению (например, ABS-CF, Nylon-CF).

Проблемы

• Абразивность: Ускоренный износ шестерён экструдера и тефлоновых трубок Bowden.

• Чувствительность к влаге: Nylon-CF и PC-CF требуют сушки (70–80°C в течение 4–6 часов).

• Сцепление слоёв: Более высокие температуры сопла и более медленные скорости улучшают сцепление.

Применение по отраслям

Отрасль	Сферы применения	Предпочтительные материалы
Авиакосмическая отрасль	Кронштейны, воздуховоды, рамки дронов	Nylon-CF, PPS-CF, PC-CF
Автомобильная промышленность	Крепления, отделка, детали под капотом	PETG-CF, ABS-CF, Nylon-CF
Промышленность	Приспособления, детали конвейера, оснастка	Nylon-CF, PC-CF
Потребительский сектор	Чехлы для телефонов, спортивные товары	PLA-CF, PETG-CF
Медицина	Протезы, хирургические направляющие	Nylon-CF (биосовместимый)

Плюсы и минусы

Преимущества

• Соотношение прочности к весу: Легче металла при сопоставимой жёсткости.

• Размерная стабильность: Сниженное коробление для точных деталей.

• Эстетическая привлекательность: Матовая поверхность с видимой текстурой волокон.

Ограничения

• Хрупкость: Сниженная ударопрочность в некоторых составах (например, PLA-CF).

• Стоимость: Дороже стандартных филаментов.

• Износ оборудования: Абразивные волокна требуют частой замены сопла.