究竟什麼是碳纖3D打印物料,有什麼應用?

什麼是碳纖3D打印物料?

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大家應該聽過碳纖這種物料,而碳纖3D打印物料又是怎樣的呢?

碳纖的歷史

碳纖維是由約瑟夫·斯旺(Joseph Swan)於1860年首次生產的,由長碳原子鍵合在一起製成。鏈的直徑通常在5到10微米之間,長度根據應用而變化。多年來,碳纖維由於具有令人感興趣的特性,包括高剛度,高拉伸強度,低重量,高耐化學性,高溫耐受性和低熱膨脹性,已在許多領域流行。純碳纖維實際上比鋼強五倍,而剛性卻輕兩倍。可以想像,這些特性使碳纖維適合依賴於物料特性來優化性能的應用,例如在航空航天,汽車,軍事或土木工程等領域尤其如此。

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碳纖維很少單獨使用。它們通常與其他物料結合形成所謂的複合物料-在這種情況下稱為碳纖維增強物料。即使可以使用非聚合物物料(例如陶瓷),一般這些複合物料由基質物料(通常是聚合物)製成。主要的好處是最終可以得到更堅固,更輕的塑料,並增加了剛度。

傳統上,碳纖維複合物料已用於結構設計,其中增加的重量會轉化為增加的生命週期成本或不令人滿意的性能。碳纖維複合物料可用於製造許多產品,例如自行車車架,飛機機翼,螺旋槳葉片,汽車部件等。您可以想像,鑑於碳纖維的諸多優點,使用它的不再只是傳統的製造系統。近年來,越來越多的3D打印公司提供了碳纖維增強物料或與該複合物料配合使用的技術,以實現更高性能的應用。那麼碳纖維如何用於增材製造?

碳纖3D打印物料又有什麼不同

碳纖3D打印物料能將打印的東西變得更堅固,而且使用這種物料打印的物件也會更輕。如果大家正在用FDM 3D打印機的話,可能見過給FDM 3D打印機用的碳纖3D打印物料。這些碳纖3D打印物料其實並不是純100%碳纖,而是會混入了其他物料,否則一般的3D打印機是不能把它打印出來的。

碳纖維3D打印物料使用短碳纖維,由長度小於一毫米的線段組成,並與稱為基礎物料的熱塑性塑料混合。可以用碳纖維填充物料購買許多流行的膠料,包括PLA,PETG,尼龍,ABS和聚碳酸酯。這些纖維非常堅固,它們使長絲的強度和剛度增加,並且還減輕了其總重量。碳纖維長絲的3D打印要求應類似於碳纖維添加到的基材的3D打印要求。主要區別在於纖維會阻塞3D打印機的噴嘴,因此專家建議使用硬化的鋼噴嘴。另外,超過一定的纖維閾值,3D打印的零件將失去表面光潔度。

碳纖3D打印物料打印時注意什麼

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最普遍碳纖3D打印物料會混入的是PLA,但是由於添加了碳纖,這種物料可能會堵塞打印機噴頭,所以可以使用直徑較大的噴嘴,例如0.5mm或更大,這樣的話碳纖維細能夠容易地穿過這個更大的噴嘴。

另一方面,碳纖維容易磨蝕噴嘴的,所以會將黃銅製成的噴嘴換成不銹鋼噴嘴。由於碳纖3D打印物料中的碳纖維不會被融化,為了避免碳纖維堆積在噴嘴的可能性,打印完畢後要把它unload出來。

除了注意以上的東西外,打印速度上也應該減慢,讓有足夠時間給碳纖維從噴嘴中推出。

使用碳纖3D打印物料進行打印的好處是,打印機打印設置與基質物料基本相同。工作平台溫度為80°C,物料不翹曲,因此打印的模型將保持其形狀。不需要具有3D打印經驗的人即可打印完美的模型。使用研磨性打印物料(例如PLA碳纖3D打印物料)進行打印的不利之處是增加了黃銅噴嘴的磨損。

 

IDTechEx在其2020-2030年3D打印複合物料報告中透露,到2030年,全球3D打印複合物料市場價值將達到17億美元。該數字還包括其他復合物料,例如用玻璃或塑料纖維增強的物料。儘管如此,這一趨勢清楚地表明3D打印行業在其製造活動中越來越多地使用包括碳在內的所有復合物料。在3D打印中,基本上有兩種使用碳纖維的方法,第一種是最常見的碳纖維增強的膠料,第二種是任然不太通用的連續碳纖維 。

連續碳纖維增強

碳纖維膠料絕對比未增強的長絲更堅固。但是,為了獲得更堅固的零件,可以使用另一種技術,稱為連續碳纖維增強。由於碳纖維沒有切成小塊,因此保留了更多的強度。實際上,連續碳纖維3D打印足以替代一半重量的鋁。 3D打印機製造商聲稱,在某些應用中,它可以代替金屬3D打印-主要優點是它比金屬便宜。最後,通過3D打印技術放置碳纖維,可以增加零件的強度,同時減少物料的使用。

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