Можно ли печатать углеродное волокно на 3D-принтере? Объяснение принципов работы рубленого, непрерывного и формованного углепластика.

Посредством Команда инженеров и продавцов компании China Carbon Fibers — на основе ежедневной оценки запросов на коммерческие предложения (RFQ) для деталей из углеродного волокна, изготовленных на заказ, формованных компонентов из углеродного волокна, пластин из углеродного волокна, изготовленных на станках с ЧПУ, рам для дронов, автомобильной отделки и оснастки для композитных материалов.

Да, углеродное волокно можно использовать в 3D-печати, но большинство деталей, напечатанных на 3D-принтере из углеродного волокна, не являются тем же самым, что и традиционные формованные изделия из армированного углеродным волокном пластика (CFRP). В большинстве случаев принтер экструдирует термопластичную нить (PLA, PETG, нейлон или PC), армированную короткими рублеными углеродными волокнами. Эти полимерные нити, армированные углеродным волокном, улучшают жесткость, стабильность размеров и качество поверхности по сравнению с обычным пластиком, но по сути это все же пластиковые детали.

Отдельный процесс, непрерывная 3D-печать углеродным волокном, предполагает внедрение непрерывных волокон углеродного волокна вдоль траектории печати и позволяет приблизиться по прочности к традиционно формованному углеродному волокну в определенных направлениях нагрузки. Для деталей, которые должны соответствовать прочности и качеству отделки настоящего тканого или препрегового композита из углеродного волокна, формование, укладка или обработка на станках с ЧПУ листов из углеродного волокна обычно остаются лучшим выбором.

В этом руководстве подробно объясняется, что на самом деле означает 3D-печать углеродным волокном, действительно ли 3D-печать углеродным волокном обеспечивает прочность, когда она имеет смысл, когда нет, и как это работает. производитель деталей из углеродного волокна выбирает между 3D-печатью и традиционным производством изделий из углеродного волокна.

Что на самом деле означает «3D-печать углеродным волокном»?

Этот термин охватывает несколько различных процессов, и наиболее распространенной причиной путаницы является их путаница:

• Измельчённое углеродное волокно (3D-печать углеродным волокном методом FDM) — Короткие сегменты углеродного волокна (обычно менее 1 мм), смешанные с базовым пластиком, таким как PLA, PETG, нейлон (PA) или поликарбонат. Печать производится на стандартных FDM-принтерах с модернизированным закаленным соплом.
• 3D-печать углеродным волокном методом SLS — Используется нейлоновый порошок, наполненный углеродным волокном, в процессе селективного лазерного спекания. Поскольку отсутствует традиционный рисунок экструзионного рисунка, детали из углеродного волокна, изготовленные методом селективного лазерного спекания (SLS), как правило, более изотропны (обладают более равномерной прочностью в разных направлениях), чем детали из рубленого волокна, изготовленные методом послойного наплавления (FDM). Они по-прежнему представляют собой термопластичные композиты из рубленого волокна, а не тканый углепластик, и имеют те же ограничения в отношении текстуры поверхности и направленной прочности, если учитывать ориентацию волокон.
• Непрерывная 3D-печать углеродным волокном — Второе сопло укладывает непрерывную нить углеродного волокна вдоль траектории движения инструмента во время печати детали. Для этого требуется специально разработанное оборудование для двойной экструзии.
• 3D-печатные формы для укладки углеродного волокна — Принтер вообще не изготавливает готовую деталь из углеродного волокна; он производит форму, оправку или приспособление, которые затем используются для мокрой укладки, вакуумного формования или формования препрегов.
• 3D-печатные приспособления, шаблоны и сердечники — Функциональные инструменты для цеха, часто изготавливаемые из рубленого углеродного волокна для дополнительной жесткости и термостойкости.

Действительно ли углеродное волокно, напечатанное на 3D-принтере, такое прочное?

«Прочность» зависит от того, какие переменные вы контролируете. Прочность углеродного волокна, напечатанного на 3D-принтере, определяется сразу несколькими факторами, а не только содержанием углеродного волокна:

• Базовый полимер — Деталь из PLA-CF и деталь из PEEK-CF имеют совершенно разные базовые показатели прочности и термостойкости, независимо от процентного содержания волокон.
• Нагрузка волокна — Более высокое содержание волокон повышает жесткость, но может снизить ударную вязкость и качество поверхности после достижения определенного порога.
• Ориентация печати — Слои хорошо сцепляются в плоскости XY, но заметно слабее по оси Z (между слоями). Деталь, нагруженная в неправильном направлении, может разрушиться, не достигнув номинальной прочности. Детали, изготовленные методом SLS, несколько уменьшают этот недостаток, но не устраняют его полностью.
• Количество заполнителей и стен — Тонкостенная деталь с низким заполнением, напечатанная с использованием нити из углеродного волокна, все равно может оказаться слабее, чем цельная деталь из обычного нейлона.
• Адгезия слоев и температура камеры — Нестабильная температура сопла/пластины или отсутствие защитного кожуха приводят к плохому межслойному сцеплению, что проявляется в потере прочности, не имеющей ничего общего с самим волокном.
• Непрерывный волоконный путь — При печати непрерывными волокнами прочность концентрируется вдоль волоконного полотна; участки без армирования волокнами ведут себя как базовый пластик.
• Отверстия для винтов и точки крепления — При печати рублеными волокнами вокруг резьбовых отверстий возникает концентрация напряжений и расслоение, если они не усилены металлическими вставками или более толстыми выступами.

Вкратце: углеродное волокно, напечатанное на 3D-принтере, может быть значительно прочнее неармированного пластика, но указание «углеродного волокна» в технических характеристиках не гарантирует изотропную прочность. Конструкция и ориентация печати имеют такое же значение, как и выбор материала.

Рубленое углеродное волокно против цельного углеродного волокна

Важное уточнение: непрерывная печать волокнами не обеспечивает «равномерную прочность по всей поверхности». Она сильна именно вдоль направления, в котором было проложено волокно. Участки между путями волокон, острые внутренние углы, тонкие стенки и резьбовые вставки остаются слабыми местами и по-прежнему нуждаются в усилении конструкции — так же, как формованная композитная деталь нуждается в правильной схеме укладки слоев, а не просто в «большем количестве углеродного волокна».

Углеродное волокно, напечатанное на 3D-принтере, против настоящего формованного углеродного волокна (CFRP)

Углеродное волокно, напечатанное на 3D-принтере, против углеродного волокна, изготовленного на станке с ЧПУ.

For flat or near-flat structural parts, CNC carbon fiber sheet is often a better middle ground than either 3D printing or full prepreg molding:

Если ваша деталь представляет собой, по сути, плоскую или слегка изогнутую панель, то изготовленная на станке с ЧПУ деталь из углеродного волокна обычно превосходит аналоги, напечатанные на 3D-принтере, как по прочности, так и по однородности поверхности, оставаясь при этом более быстрой и дешевой, чем деталь, изготовленная методом литья под давлением.

Какой тип углеродного волокна следует использовать?

• ПЛА-КФ — Проще всего печатать, подходит для демонстрационных моделей, низкотемпературных приспособлений и визуальных прототипов. Обладает самым низким термостойкостью.
• ПЭТГ-КФ — Меньшая деформация по сравнению с PLA-CF, приемлемая прочность, детали общего назначения.
• Нейлон-CF / PA-CF (нейлон, армированный углеродным волокном) — Повышенная ударопрочность и прочность, широко используется для изготовления 3D-печатных приспособлений и оснастки из углеродного волокна, а также компонентов дронов. Требует сушки перед печатью и нагреваемой, часто закрытой, камеры.
• ПК-CF — Повышенная термостойкость деталей, расположенных вблизи нагревающихся моторных отсеков или корпусов электронных компонентов.
• PEEK-CF / PEKK-CF — Применение в условиях высоких температур и высокой производительности; требует использования промышленных принтеров с нагревательными камерами и значительно более высокими температурами сопла. Значительно более высокие затраты на материалы и оборудование.

Примечание по оборудованию для печати: рубленое волокно достаточно абразивно, чтобы износить стандартное латунное сопло, поэтому обычно используется сопло из закаленной стали или с рубиновым наконечником. Нейлоновые нити следует хранить в сухом месте, а защитный кожух помогает уменьшить деформацию крупных деталей.

Можно ли напечатать на 3D-принтере деталь с глянцевой поверхностью, имитирующей карбоновое волокно?

Нет — это одно из самых распространенных заблуждений, которые мы видим в запросах на коммерческие предложения. Матовое, слегка текстурированное черное покрытие деталей из рубленого углеродного волокна — это не то же самое, что глянцевая поверхность из тканого 3K-саржевого углеродного волокна. Видимый рисунок плетения, который большинство людей ассоциируют с «настоящим» углеродным волокном, получается только из формованного или ламинированного тканого материала, покрытого прозрачным лаком.

Если заказчик хочет получить видимый рисунок углеродного волокна — для автомобильной отделки, накладок на зеркала или видимых панелей — 3D-печать углеродным волокном этого не обеспечит, независимо от состава волокна или качества печати. ​​Это особенно актуально для высокопроизводительных конструкций, таких как Углеродное волокно Lamborghini Для отделки, где тканая поверхность является частью ожидаемого внешнего вида, подходит технология формования из препрега с использованием углеродного волокна, а 3D-печать лучше использовать только для предварительной проверки формы или геометрии.

Когда 3D-печать углеродным волокном — это хороший выбор.

• Быстрое прототипирование перед изготовлением пресс-формы.
• Приспособления, оснастка и инструмент для цеха, требующие повышенной жесткости.
• Мелкосерийное производство функциональных кронштейнов и корпусов
• Каркасы дронов из углеродного волокна, изготовленные методом 3D-печати, и легкие корпуса для электроники.
• Прототипы отделки салона с низкой нагрузкой
• Проверка формы перед изготовлением композитной формы.

Когда не следует использовать углеродное волокно, напечатанное на 3D-принтере.

В этом случае точка зрения производителя важнее, чем маркетинговая страница производителя принтеров:

• Участки с высокой температурой вблизи моторного отсека — Обычно ограничивающим фактором является деформация под воздействием тепла базового полимера, а не содержание волокна.
• Ударопрочные внешние кузовные панели (капоты, спойлеры, диффузоры) — для них необходима контролируемая ориентация волокон и ударная вязкость, чего невозможно надежно обеспечить с помощью печати рубленым волокном.
• Длительное воздействие ультрафиолетового излучения на открытом воздухе без покрытия. — Для большинства филаментов для 3D-печати необходимо наносить прозрачное покрытие, устойчивое к ультрафиолетовому излучению, чтобы избежать разрушения поверхности.
• Крупные видимые панели кузова автомобилей или мотоциклов. — Клиенты, ожидающие глянцевой тканой поверхности, не получат её при печати филаментом.
• Детали, требующие точной, специально разработанной ориентации волокон при нагрузке в нескольких направлениях. — это по-прежнему относится к формованию методом укладки слоев или формованию препрегов.

На нашем заводе мы обычно отговариваем клиентов от использования углеродного волокна, напечатанного на 3D-принтере, для создания крупных видимых деталей. углепластиковый автомобиль такие детали, как капоты, спойлеры и накладки на зеркала, или мотоцикл из углеродного волокна Вместо обтекателей рекомендуется использовать тканые препреги или материалы, полученные методом вакуумной формовки, что обеспечивает лучшее качество поверхности, устойчивость к ультрафиолетовому излучению и долговременную стабильность размеров.

Мы не рекомендуем заменять критически важные с точки зрения безопасности металлические детали на детали из углеродного волокна, напечатанные на 3D-принтере, без проведения механических испытаний, анализа нагрузок и надлежащей проверки.

Может ли углеродное волокно, напечатанное на 3D-принтере, заменить алюминий или сталь?

Для легких кронштейнов, шаблонов и низконагруженных конструкционных элементов — да, детали, изготовленные методом 3D-печати из рубленого или непрерывного волокна, могут быть разумной заменой. Для деталей из металла, имеющих критически важное значение для безопасности, подверженных высокой усталости или ударным нагрузкам, — например, шасси из углеродного волокна или другой основной структурный компонент — нет. Ориентация волокон, адгезия слоев и долговременное усталостное поведение напечатанных деталей пока не являются прямой заменой обработанному алюминию или стали в этих областях применения без специальных испытаний.

Может ли углеродное волокно, напечатанное на 3D-принтере, заменить традиционное углеродное волокно?

В большинстве случаев — не напрямую. 3D-печать хорошо подходит для прототипов, оснастки и небольших функциональных деталей. Традиционные методы производства композитных материалов — мокрая укладка, вакуумное формование, препреги и компрессионное формование — остаются лучшим выбором для тонкостенных деталей с большой площадью поверхности, высокой прочностью или привлекательным внешним видом, и обычно они более экономически выгодны при переходе к серийному производству.

3D-печатные формы для производства изделий из углеродного волокна и прототипирования перед формованием углепластика.

3D-печать используется не только для изготовления готовых деталей из углеродного волокна — это также полезный инструмент в традиционном производстве композитных материалов и изготовлении прототипов из углеродного волокна, главным образом как быстрый способ проверки формы перед принятием решения о создании оснастки.

• 3D-печатная форма или мастер-модель позволяют быстро проверить форму перед изготовлением производственной формы.
• Подходит для прототипирования методом низкотемпературной мокрой укладки или вакуумной формовки.
• Как правило, не подходит для процессов автоклавирования при высоких температурах и высоком давлении с использованием препрегов без специальных высокотемпературных печатных материалов и обработки поверхности.
• Для улучшения качества поверхности после печати на пресс-форме обычно требуется герметизация и шлифовка перед укладкой слоев — на необработанной поверхности напечатанного изделия линии слоев будут отражаться в готовой детали.
• Для серийного производства стандартным выбором по-прежнему остается оснастка из стекловолокна, эпоксидной смолы или алюминия/стали.

Такой рабочий процесс — печать для проверки формы, а затем формовка или ЧПУ для получения готовой детали — распространен для автомобильных обвесов, корпусов дронов, крышек и обтекателей, где готовая деталь должна иметь формованную поверхность из углеродного волокна, но форма должна быть предварительно подтверждена.

Советы по проектированию деталей из углеродного волокна, напечатанных на 3D-принтере

• Вместо острых внутренних углов, которые концентрируют напряжение в слоях печати, используйте широкие скругления.
• Избегайте тонких вертикальных стенок, адгезия которых по оси Z слабая.
• По возможности выровняйте направление волокон или печати с основным путем передачи нагрузки.
• Используйте металлические резьбовые вставки вместо того, чтобы печатать нить непосредственно в рубленом волокнистом филаменте.
• Увеличьте толщину стенок вокруг резьбовых отверстий и точек крепления.
• Если деталь будет использоваться на открытом воздухе в течение длительного времени, следует предусмотреть нанесение УФ-стойкого покрытия.
• Перед печатью просушите нейлоновую нить Nylon-CF, чтобы избежать пористости и слабого сцепления слоев.
• Для предотвращения преждевременного износа из-за абразивных волокон используйте насадку из закаленной стали или рубина.

Как завод по производству углеродного волокна выбирает между 3D-печатью и формованным углепластиком

Реальные примеры из практики: как мы принимаем решения

Прототип каркаса дрона. Заказчику потребовался легкий кронштейн для раннего прототипа дрона. Для первого этапа испытаний мы рекомендовали 3D-печать нейлоном-углеродным волокном, поскольку это быстро и не требует оснастки. После подтверждения конструкции и перехода заказчика к длительным летным испытаниям с учетом вибраций и усталости, мы изменили рекомендацию и выбрали пластину из углеродного волокна, изготовленную на станке с ЧПУ, для серийной версии — рассматривалась также печать сплошным волокном, но многонаправленная нагрузка во время полета сделала плоскую пластину с непрерывным плетением более надежным вариантом.

Накладка на автомобильное зеркало с видимой текстурой ткани. Заказчик хотел получить глянцевую поверхность из 3K-волокна саржевого переплетения. 3D-печать из углеродного волокна не позволяет воспроизвести тканую поверхность, поэтому мы рекомендовали использовать формованное препрег-углеродное волокно с прозрачным покрытием для окончательной детали. 3D-печать была полезна на начальном этапе, исключительно для проверки формы и соответствия размеров до изготовления пресс-формы.

Производственная приспособляция и оснастка. Для приспособления для внутреннего контроля, требующего жесткости, стабильности размеров и не предъявляющего требований к внешнему виду, 3D-печать из нейлона-CF оказалась правильным решением — отсутствие затрат на оснастку, быстрая итерация и достаточная жесткость для данного применения. Для приспособлений, подвергающихся длительному воздействию высоких температур или сильным многократным зажимным нагрузкам, мы обычно по-прежнему рекомендуем алюминий или сталь.

Как мы оцениваем вашу деталь, прежде чем рекомендовать 3D-печать или формование из углепластика

Прежде чем рекомендовать какой-либо процесс, мы обычно проводим анализ следующих аспектов:

• Размер детали и толщина стенки
• Направление нагрузки и тип нагрузки (одноосевая или многонаправленная)
• Воздействие температуры во время использования
• УФ-излучение или воздействие окружающей среды
• Необходимое количество
• Ожидаемые характеристики отделки поверхности (матовая, функциональная или глянцевая, напоминающая тканое полотно).
• Способ установки и монтажа (винты, вставки, клей)
• Доступны ли файлы STEP/STP, физический образец или 3D-сканирование?

Это обычно более быстрый способ получить точную рекомендацию, чем начинать с вопроса "можно ли это напечатать на 3D-принтере?" — ответ почти всегда зависит от этих факторов больше, чем от самого материала.

Часто задаваемые вопросы

Действительно ли углеродное волокно является настоящим углеродным волокном?

В его состав входит настоящее углеродное волокно, но в виде рубленых коротких волокон, смешанных с пластиковой основой, а не тканое полотно или непрерывный жгут, используемые в традиционных композитах из углеродного волокна.

Водонепроницаемо ли углеродное волокно, напечатанное на 3D-принтере?

Водостойкость определяется базовым полимером (PLA, PETG, нейлон, PC), а не самим углеродным волокном. PETG и нейлон-CF, как правило, лучше выдерживают воздействие влажной среды, чем PLA-CF.

Насколько прочен PLA-пластик с углеродным волокном?

Он более жесткий и обладает большей размерной стабильностью, чем обычный PLA, но PLA остается относительно хрупким базовым полимером, поэтому он больше подходит для прототипов и деталей дисплеев, чем для применений, связанных с высокими ударными нагрузками.

Нейлон-CF прочнее, чем PLA-CF?

Нейлон-CF обычно обладает лучшей ударопрочностью и прочностью, в то время как PLA-CF проще в печати и имеет более стабильные размеры при комнатной температуре. Лучший выбор зависит от того, требуется ли для детали прочность или точность.

Для печати углеродным волокном нужен специальный 3D-принтер?

Для печати рубленым волокном обычно достаточно стандартного FDM-принтера, модернизированного соплом из закаленной стали или рубина. Для непрерывной печати волокном требуется специально разработанная система с двумя соплами.

Может ли нить из углеродного волокна повредить 3D-принтер?

Да, если печатать стандартным латунным соплом, волокна достаточно абразивны, чтобы быстро его изнашивать. Использование закаленного сопла в значительной степени позволяет избежать этой проблемы.

Действительно ли углеродное волокно, напечатанное на 3D-принтере, прочнее алюминия?

Детали, изготовленные методом сплошной волоконной печати, могут приближаться по жесткости к алюминию в направлении волокон, но прочность значительно снижается в других направлениях. Для обеспечения изотропной прочности обычно более безопасным выбором является алюминий или формованный углепластик.

В каком формате файла мне нужно получить ценовое предложение на деталь из углеродного волокна?

Для расчета стоимости изготовления предпочтительнее использовать формат STEP/STP или 2D-чертеж с размерами; формат STL приемлем для прототипов, напечатанных на 3D-принтере, но не содержит точной геометрии, необходимой для станков с ЧПУ или изготовления пресс-форм.

Нужна помощь в выборе подходящего процесса обработки углеродного волокна?

Если вы не уверены, следует ли изготавливать деталь методом 3D-печати, ЧПУ-резки из углеволокна или формования из углепластика, пришлите нам ваш STEP/STP-файл, 2D-чертеж, образцы фотографий, ожидаемое количество, требования к качеству поверхности и условия нагрузки/температуры. Мы предоставляем услуги 3D-печати из углеволокна и полный спектр услуг. индивидуальные детали из углеродного волокна Наша команда, работающая с производителем, может провести анализ детали и порекомендовать наиболее подходящий способ ее изготовления.