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3D -Druck mit Kohlefaserfilament: Ultimate Guide
Kohlefaserfilament ist ein neuartiges Material, das im 3D-Druck und der additiven Fertigung für Aufsehen sorgt. Wie der Name schon sagt, handelt es sich um Kohlefaser – eine robuste und leichte Faser, die in der Luft- und Raumfahrt sowie im Sport verwendet wird und aus dünnen Kohlenstoffsträngen besteht. Dadurch können mit Kohlefaserfilamenten 3D-gedruckte Teile mit außergewöhnlicher Haltbarkeit und dennoch geringem Gewicht hergestellt werden. Doch was genau ist Kohlefaserfilament und warum sollte es für 3D-Drucker wichtig sein? Beginnen wir mit den Grundlagen.
Geschichte und Herstellung von Kohlefaserfilamenten
Während 3D-druckbare Kohlefaserfilamente gerade erst auftauchen, wurden die Grundlagen bereits gelegt in den späten 1950er Jahren. Hier wurden erstmals die Möglichkeiten zum Schichten und Einweben von Kohlefasern in verstärkte Harzmaterialien erforscht. Schneller Vorlauf bis 1981 - Die Industrie produzierte die allerersten Verbundfahrräder und Golfschläger unter Verwendung dünner Kohlefasern für eine beispiellose Leichtigkeit und Festigkeit.
In den letzten Jahren Hersteller haben sich diese Prinzipien zunutze gemacht, um spezielle Kohlefaserfilamente zu entwickeln, die mit Desktop-3D-Druckern kompatibel sind. Bei diesem Produktionsprozess werden lange Kohlefaserstränge in einem Polymer-Basismaterial wie ABS oder Nylon angeordnet. Anschließend werden die Teile im 3D-Druckverfahren hergestellt, indem das mit Kohlefasern angereicherte Material gemäß digitalen Entwürfen Schicht für Schicht aufgetragen wird.
Die Kohlefaser erhöht nicht nur die Festigkeit und Steifigkeit, sondern reduziert auch das Gewicht Der niedrige Wärmeausdehnungskoeffizient hilft, Verformungen und Maßgenauigkeitsprobleme aufgrund von Temperaturschwankungen zu vermeiden. Diese einzigartige Kombination von Eigenschaften ermöglicht funktionalere 3D-gedruckte Werkzeuge in der Automobilindustrie, der Luft- und Raumfahrt und sogar im Sportartikelbereich, wo herkömmliche Materialien nicht ausreichen.
Arten von Kohlefaserfilamenten
Nachdem wir nun die Grundlagen der Entwicklung von 3D-druckbarem Kohlefaserfilament aus Verbundwerkstoffen für die Luft- und Raumfahrt erläutert haben, wollen wir uns nun die heute verfügbaren Typen genauer ansehen. Es gibt einige Kernvarianten, die sich durch die Länge der Kohlefaser und die Verstärkungsmethode unterscheiden.
1. Kurzes Carbonfaserfilament
Wie der Name schon sagt, Die in diesem Filament enthaltenen Kohlenstofffasern sind klein und haben im Allgemeinen eine Länge von etwa 0,1–0,7 mm. Denken Sie an kurze Strähnen im Vergleich zu längeren haarähnlichen Strähnen.
Die kurze Länge verbessert die Extrusion und die Gesamtqualität des Druckprozesses. Im Vergleich zu längeren Kohlefaserfilamenten bringt sie jedoch einige Nachteile mit sich. Positiv ist, dass sich die kurzen Kohlefasern gleichmäßig und vorhersehbar in den Druckschichten verteilen, ohne dass die Gefahr einer punktuellen Faseransammlung besteht. Isotrope Eigenschaften bedeuten zudem, dass die Teile in alle Richtungen eine ähnliche Festigkeit aufweisen.
Zu den Nachteilen der Verwendung von kurzen Carbonfaserfilamenten gehören geringere Festigkeitszuwächse im Vergleich zu anderen Verbundwerkstoffen sowie deutlicher sichtbare Schichtlinien an schrägen Kurven oder Winkeln. Die kurzen Stränge haben schlicht ein geringeres Verstärkungspotenzial als längere Varianten.
2. Langes Kohlefaserfilament
Getreu dem Namen wieder, Lange Kohlefaserfilamente verwenden haarähnlichere Kohlefaserstränge mit einer Länge von etwa 6–12 mm. Die längeren Fasern ermöglichen eine stärkere Verstärkung, bergen jedoch bei unsachgemäßer Optimierung ein erhöhtes Risiko für eine ungleichmäßige Verteilung.
Zu den Vorteilen zählen außergewöhnliche Festigkeits-Gewichts-Verhältnisse, die auf eine stärkere unidirektionale Kohlefaserverstärkung zurückzuführen sind. Anisotrope Eigenschaften führen außerdem zu deutlichen Festigkeitsgewinnen, vor allem in Richtung der Druckschicht, im Gegensatz zu eingeschränkteren Eigenschaften in senkrechten Winkeln. Eine geringere Schichtsichtbarkeit verbessert zudem die Oberflächenbeschaffenheit bei Kurven und hochwertigen Drucken.
Zu den Nachteilen gehören vor allem erhöhte Sorgfalt, um ein Verstopfen der Düse und eine ungleichmäßige Verklumpung zu verhindern, wenn sich die längeren Stränge bündeln oder verwickeln. Auch das Finden optimaler Einstellungen und Konfigurationen ist schwieriger. Aufgrund der starken Richtungsabhängigkeit der Festigkeit muss bei der Konstruktion funktionaler Teile die Lastrichtung berücksichtigt werden.
3. Verstärktes Kohlefaserfilament
Verstärkte Kohlefaserfilamente verfolgen einen hybriden Ansatz: Basiskunststoffe wie ABS und Nylon werden mit sehr kurzen Kohlefasern versetzt, um die Festigkeit zu verteilen, und dann werden zusätzliche durchgehende Kohlefaserstränge hinzugefügt, um die Verstärkung noch weiter zu erhöhen.
Dies ermöglicht dank der manuellen Faserstränge eine starke mechanische Leistung, die mit reinen Langfaserfilamenten vergleichbar ist. Es vermeidet jedoch unvorhersehbare Verklumpungsprobleme, da das Basismaterial bereits über eine gleichmäßig verteilte Kurzfaserverstärkung als Grundlage verfügt.
Infolge, Verstärkte Mischungen erleichtern das Drucken und optimieren gleichzeitig die Festigkeit und visuelle Qualität für unerfahrenere Benutzer. Die Einfachheit geht zwar mit einigen Kompromissen bei der maximal möglichen Festigkeit im Vergleich zu reinen Langfaserfilamenten einher. Für die meisten Anwendungen bietet der Hybridansatz jedoch ein ideales Gleichgewicht.
Kann jeder 3D-Drucker Kohlefaserfilament verwenden?
Kohlefaserfilamente können speziell für den 3D-Druck entwickelt worden sein, sie können jedoch nicht unbedingt von allen Desktop-Druckern sofort verwendet werden. Das robuste, abrasive Material stellt besondere Anforderungen. Wir analysieren die Eignungsfaktoren des Druckers und die erforderlichen Modifikationen für die Verwendung von Kohlefaserfilamenten.
1. Druckereignung für Kohlefaserfilament
Aufgrund der Abrasivität des Materials und seiner Tendenz, wichtige Komponenten langsam aber sicher zu erodieren, sind für die grundlegenden Funktionen von Kohlefaserfilamenten Drucker mit kompatiblen gehärteten Teilen erforderlich:
- Düsen aus gehärtetem Stahl: Standarddüsen aus Messing verschleißen durch den Abrieb der starren Kohlenstofffasern schnell, wodurch die Gefahr einer Impedanz oder eines vollständigen Düsenausfalls besteht. Gehärteter Stahl ist praktisch unerlässlich.
- Geschlossener Rahmen: Freiliegende Bowden-Schläuche verschleißen mit der Zeit und verursachen Probleme mit der Zufuhr oder Fehldrucke. Geschlossene Rahmen schützen die Schläuche.
- Verstärktes Extrudergetriebe: Für eine hohe Zuführsteifigkeit sind Extruderzahnräder aus abriebfesten Metallen erforderlich, um den Halt aufrechtzuerhalten, ohne abzustreifen.
- Beheizte Betten: Probleme mit Verformungen und Betthaftung erfordern beheizte Druckbetten mit einer Temperatur von über 100 °C für eine bessere Haftung der ersten Schicht.
Drucker, denen diese Mindestanforderungen nicht genügen, können funktionsfähige Kohlefaserteile nicht zuverlässig sofort nach dem Auspacken drucken, ohne dass es durch den Abrieb zu sehr schnellem Verschleiß der Komponenten kommt und diese versagen.Die 3D-Drucker von QIDI Tech verfügen sowohl über Düsen aus Messing als auch aus gehärtetem Stahl. Dadurch können Benutzer Standard- und Kohlefaserfilamente drucken, ohne Änderungen oder Ergänzungen vornehmen zu müssen.
2. Notwendige Modifikationen für den Einsatz von Carbonfaserfilamenten
Für Drucker ohne gehärtete Komponenten, die ansonsten technisch fähig sind, ist nicht alle Hoffnung verloren. Einige Modifikationen ermöglichen die Arbeit mit Kohlefaser:
- Düsenwechsel: Ersetzen Sie Standarddüsen durch Düsen aus gehärtetem Stahl.
- Bowden- und Rahmenschutz: Treffen Sie Vorsichtsmaßnahmen wie das Anbringen von Ummantelungen zum Schutz von Rohren und Verlängerungen.
- Upgrades für Extrudergetriebe: Tauschen Sie Standardzahnräder langfristig gegen Alternativen aus Metall aus.
- Oberflächenvorbereitung: Zusätzliche Klebelösungen können manchmal das Fehlen beheizter Betten ausgleichen.
Mit Sorgfalt und schrittweisen Verbesserungen zum Schutz der am stärksten beanspruchten Komponenten wird der Kohlefaserdruck rentabler. Für optimale Ergebnisse und dauerhafte Zuverlässigkeit empfiehlt sich jedoch die Wahl spezieller Desktop-Drucker mit integriertem Schutz. So vermeiden Sie Ärger und Frustration bei der Arbeit mit empfindlich reagierenden Kohlefaserfilamenten.
Warum sollte man Kohlefaserfilament für den 3D-Druck wählen?
Nachdem wir nun die Herstellungsverfahren, die Arten von Kohlefaserfilamenten und Überlegungen zur Druckerkompatibilität behandelt haben, wollen wir den Entscheidungspunkt untersuchen - Warum Kohlefaserfilament verwenden? im Vergleich zu traditionelleren 3D-Druckmaterialien? Welche besonderen Vorteile und Nachteile bringen verstärkte Kohlenstofffaserfilamente mit sich?
1. Vorteile der Verwendung von Kohlefaserfilamenten
Kohlefaserverbundwerkstoffe bieten vier Hauptvorteile, die herkömmliche Kunststoffe nicht bieten können:
- Festigkeit und Steifigkeit:Mit einem Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht, das sogar das von Metallen wie Stahl und Aluminium um das bis zu Fünffache übertrifft, bieten aus Kohlefaser gedruckte Teile eine bemerkenswerte Haltbarkeit und Belastbarkeit bei gleichzeitig sehr geringer Gesamtmasse.
- Dimensionsstabilität: Der extrem niedrige Wärmeausdehnungskoeffizient dank der Verstärkung aus starren Kohlefasern bedeutet, dass gedruckte Teile über einen großen Bereich der Umgebungstemperatur präzise Toleranzen einhalten, ohne sich um mehr als 1 % auszudehnen oder zusammenzuziehen.
- Visuelle Qualität: Die Carbonfaserstränge verbessern die Haftung der ersten Schicht und die anschließende Haftung zwischen den Druckschichten. Dies ergänzt die Dimensionsstabilität durch eine hervorragende optische Schichtverbindungsqualität ohne sichtbare Stufenbildung und eine verbesserte Oberflächenbeschaffenheit.
- Hitze- und Flammenbeständigkeit: Die hohe chemische Beständigkeit von Kohlefasern, die bereits in der Luft- und Raumfahrt sowie im Motorsport eingesetzt werden, ermöglicht es, dass gedruckte Teile extrem hohen Temperaturen von über 150 °C standhalten, bevor sie weich werden, und zudem nicht entflammbar sind.
Von der Nutzung extremer Leichtbaufestigkeit bis hin zur Beständigkeit gegen Temperatur- oder chemische Zersetzung ermöglichen Kohlenstofffaserfilamente Anwendungen, die weit über das Alltägliche hinausgehen. PLA und ABS Drucke durch Eigenschaften, die bei Haushaltskunststoffen einfach nicht zu finden sind.
2. Nachteile von Kohlefaserfilamenten
Allerdings sind mit der Realisierung dieser begehrten Leistungsvorteile auch einige praktische Nachteile verbunden, die berücksichtigt werden müssen:
- Abrasivität: Die robusten Kohlefaserstränge erodieren schnell Düsen, Zahnräder und Komponenten, die nicht speziell gehärtet sind, was die breite Druckerkompatibilität einschränkt und Teilelebensdauer.
- Sprödigkeit und Steifheit: Obwohl sie stark und steif sind, fehlt es Kohlefaserverbundwerkstoffen an Flexibilität und Schlagfestigkeit. Im Vergleich dazu versagen sie plötzlich unter zu großer Krafteinwirkung, anstatt sich vorübergehend zu verbiegen wie ABS oder Nylon.
- Leitfähigkeit: Die hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit kann den geschlossenen Druck ohne thermische Kontrolle erschweren, da die Gefahr einer Überhitzung oder von Kurzschlüssen besteht.
Mit seiner intelligenten Faserverstärkung, die Verformungen minimiert, geringer Feuchtigkeitsaufnahme und Dichte sowie Verschleißfestigkeit, PA12-CF-Kohlefaserfilament von QIDI Tech bietet eine hervorragende Lösung für die Probleme herkömmlicher Kohlenstoffverbundwerkstoffe hinsichtlich Sprödigkeit, Wärmeleitfähigkeit und Abrasivität. Dadurch können mehr der genannten Vorteile genutzt und die typischen Nachteile reduziert werden.
Tipps zum 3D-Druck mit Carbonfaser-Filament
Wir haben die Hintergründe, Typen, Eignungsfaktoren und Vor- und Nachteile von verstärkten Kohlefaserfilamenten erläutert. Nun erfahren Sie mehr über den erfolgreichen Druck mit diesem speziellen Material auf Desktop-3D-Druckern. Befolgen Sie diese Tipps und Best Practices für den reibungslosen und effektiven Einsatz von Kohlefaserfilamenten.
- Langsame Druckgeschwindigkeiten verringern: Das starre Material lässt sich nur schwer fließen. Reduzieren Sie daher die Geschwindigkeit um 30–50 %, um die Extrusion zu erleichtern. 45–80 mm/s funktionieren gut.
- Drucktemperaturen maximieren:Hitze mildert den Filamentfluss aus der Düse. Gehen Sie daher bis an die oberen Grenzen der Sicherheitsbewertung Ihres Hot-Ends, um die Extrusion zu erleichtern, ohne Staus zu riskieren. 250‒320 °C sind ideal.
- Geschlossene beheizte Kammer: Isolieren Sie den Druckbereich und führen Sie zusätzliche Wärme ein, um die Umgebungstemperatur hoch zu halten. QIDI Tech 3D-Drucker verfügen über eine fortschrittliche geschlossene Kammer mit aktiver Heizungssteuerung. Dies erleichtert den Fluss weiter und verhindert ein Verziehen der Teile. 50–80 °C werden empfohlen.
- Rückzugseinstellungen aktivieren:Ziehen Sie das Filament zwischen den Druckvorgängen leicht zurück, um Stringing-Probleme zu vermeiden, die durch übermäßiges Austreten von Filament entstehen, was bei steifen Verbundwerkstoffen häufig vorkommt.
- Bett perfekt nivellieren: Überprüfen Sie die Quetschung der ersten Schicht und die Nivellierung der Plattform erneut, um die richtige Haftung für die im Vergleich zu anderen Kunststoffen verringerte Betthaftung von Kohlefasern sicherzustellen.
Berücksichtigen Sie Variablen aus der Materialwissenschaft hinter Kohlefasern, iterieren Sie anhand von Testdrucken, und mit der Zeit wird es durch Übung einfacher, schöne, stark verstärkte Drucke zu erzielen.
Nutzen Sie das Potenzial von Kohlefasern für Ihre 3D-Druckanforderungen!
Kohlefaser eröffnet neue Möglichkeiten für den 3D-Druck leichter, langlebiger und hitzebeständiger Teile, die mit herkömmlichen Kunststoffen nicht möglich wären. Obwohl sie nicht so einfach wie Standardmaterialien ist, eröffnet Kohlefaser die Möglichkeit, maßgeschneiderte Lösungen zu entwickeln, die besondere Anforderungen erfüllen, die mit herkömmlichen Kunststoffen nicht erfüllt werden können. Nutzen Sie die Vorteile verstärkter Filamente, indem Sie Optionen prüfen, Drucker aufrüsten, Profile durch Wiederholung optimieren und schließlich die idealen Parameter für Ihre Anwendungsanforderungen finden.
FAQ zum Carbonfaserfilament für den 3D-Druck
F: Wie stark ist Kohlefaserfilament?
A: Kohlefaserfilamente können gewichtsmäßig fünfmal stärker sein als Stahl und Aluminium. Mit Kohlefaserfilamenten gedruckte Teile bieten außergewöhnliche Haltbarkeit und Belastbarkeit bei gleichzeitig sehr geringem Gesamtgewicht.
F: Wie lagert man Kohlefaserfilamente?
A: Lagern Sie Kohlefaserfilamente kühl, trocken und vor Feuchtigkeit geschützt. Ideale Lagerbedingungen liegen bei etwa 18–25 °C und 35–55 % relativer Luftfeuchtigkeit. Vermeiden Sie Temperaturschwankungen und direkte Sonneneinstrahlung.
F: Ist 3D-gedruckte Kohlefaser besser als ABS?
A: Ja, Kohlefaserfilamente sind im Allgemeinen fester und steifer als ABS-Kunststoff. Sie weisen außerdem eine geringere Wärmeausdehnung, eine bessere Hitzebeständigkeit und eine verbesserte Optik mit weniger sichtbaren Schichtlinien auf. Der Nachteil ist jedoch, dass Kohlefaser spröder ist.
F: Lohnt sich der 3D-Druck mit Kohlefaser?
A: Für Anwendungen, die hohe Festigkeit, geringes Gewicht, Dimensionsstabilität und Hitzebeständigkeit erfordern, bietet Kohlefaser Lösungen, die mit herkömmlichen Kunststoffen nicht realisierbar sind. Daher lohnt es sich, diese Möglichkeiten zu erkunden. Allerdings sind optimierte Drucker und angepasste Einstellungen erforderlich.
F: Ist es sicher, auf Kohlefaser zu drucken?
A: Mit der richtigen Düse und Maschinenverbesserungen für den Umgang mit dem abrasiven Material ist der Druck mit Kohlefaserfilamenten sicher. Wie bei jedem 3D-Druckmaterial wird eine ausreichende Belüftung empfohlen.
F: Ist Kohlefaserfilament stärker als PLA?
A: Ja, kohlenstofffaserverstärkte Filamente sind hinsichtlich Zugfestigkeit, Steifigkeit und maximaler Tragfähigkeit viel stärker als Standard-PLA.
