3D -Druck mit Kohlefaserfilament: Ultimate Guide

Kohlefaserfilament ist ein neuartiges Material, das im 3D-Druck und in 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 Kohlenstofffasern 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. Damals wurden erstmals Schichten und Weben von Carbonfasern in verstärkte Harzmaterialien untersucht. 1981 produzierte die Branche die ersten Verbundfahrräder und -golfschläger unter Verwendung dünner Carbonfasern für beispiellose Festigkeit bei geringem Gewicht.

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 - Sein niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient hilft, Verformungen und Maßgenauigkeitsprobleme aufgrund von Temperaturschwankungen zu vermeiden. Diese einzigartige Kombination von Eigenschaften ermöglicht funktionalere 3D-gedruckte Werkzeuge in der Automobil-, Luft- und Raumfahrt- und sogar Sportartikelindustrie, wo herkömmliche Materialien versagen.

Arten von Kohlefaserfilamenten

Nachdem wir nun die Grundlagen der Entwicklung von 3D-druckbarem Kohlefaserfilament aus Verbundwerkstoffen für die Luft- und Raumfahrt behandelt 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 Kohlefaserfilament

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 besteht, dass sich Fasern punktuell verklumpen. 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 Optionen.

2. Langes Kohlefaserfilament

Getreu dem Namen wieder, Lange Kohlefaserfilamente verwenden eher haarähnliche Kohlefaserstränge mit einer Länge von etwa 6–12 mm. Die längeren Fasern ermöglichen eine stärkere Verstärkung, bergen jedoch bei unsachgemäßer Optimierung ein erhöhtes Potenzial für eine ungleichmäßige Verteilung.

Zu den Vorteilen zählen außergewöhnliche Festigkeits-Gewichts-Verhältnisse, die auf eine stärkere unidirektionale Kohlefaserverstärkung zurückzuführen sind. Anisotrope Eigenschaften bedeuten außerdem eine deutliche Festigkeitssteigerung, vor allem in Richtung der Druckschicht, während die Eigenschaften im rechten Winkel beeinträchtigt sind. Eine geringere Schichtsichtbarkeit verbessert zudem die Oberflächenbeschaffenheit bei Kurven und hochwertigen Drucken.

Zu den Nachteilen gehört vor allem, dass man vorsichtiger vorgehen muss, 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 kontinuierliche Kohlefaserstränge hinzugefügt, um die Verstärkung noch weiter zu verstärken.

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, aber nicht alle Desktop-Drucker können sie sofort verwenden. Das robuste, abrasive Material stellt besondere Anforderungen. Lassen Sie uns die Eignungsfaktoren des Druckers und die für die Verwendung von Kohlefaserfilamenten erforderlichen Modifikationen aufschlüsseln.

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 Kohlefasern schnell, wodurch die Gefahr einer Impedanz oder eines vollständigen Düsenausfalls besteht. Gehärteter Stahl ist praktisch unabdingbar.
• Geschlossener Rahmen: Freiliegende Bowden-Schläuche nutzen sich mit der Zeit ab und verursachen Zufuhrprobleme 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 nicht sofort funktionsfähige Kohlefaserteile zuverlässig drucken, ohne dass die Komponenten durch Abrieb sehr schnell 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 die Verwendung von Kohlefaserfilamenten

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- & Rahmenschutz: Treffen Sie Vorsichtsmaßnahmen wie das Anbringen von Ummantelungen zum Schutz von Rohren und Verlängerungen.
• Upgrades für Extrudergetriebe: Tauschen Sie Standardgetriebe langfristig gegen Alternativen aus Metall aus.
• Oberflächenvorbereitung: Zusätzliche Haftlösungen können manchmal das Fehlen beheizter Betten ausgleichen.

Durch sorgfältige und schrittweise Verbesserungen zum Schutz der am stärksten beanspruchten Komponenten wird der Kohlefaserdruck rentabler. Für optimale Ergebnisse und dauerhafte Zuverlässigkeit sollten Sie sich jedoch für speziell entwickelte Desktop-Drucker mit integriertem Schutz entscheiden. Das erspart Ihnen Ärger und Frustration bei der Arbeit mit launischen Kohlefaserfilamenten.

Warum sollte man sich für Kohlefaserfilamente für den 3D-Druck entscheiden?

Nachdem wir nun die Herstellungsverfahren, die Arten von Kohlefaserfilamenten und Überlegungen zur Druckerkompatibilität behandelt haben, wollen wir uns dem Entscheidungspunkt zuwenden – Warum sollte man Kohlefaserfilamente anstelle herkömmlicher 3D-Druckmaterialien verwenden? Welche besonderen Vorteile und Nachteile bringen verstärkte Kohlefaserfilamente mit sich?

1. Vorteile der Verwendung von Kohlefaserfilamenten

Kohlefaserverbundwerkstoffe bieten vier Hauptvorteile, die von herkömmlichen Kunststoffen nicht erreicht werden:

• 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 von Umgebungstemperaturen hinweg präzise Toleranzen einhalten, ohne sich um mehr als 1 % auszudehnen oder zusammenzuziehen.
• Visuelle Qualität: Die Kohlefaserstränge verbessern die Traktion der ersten Schicht und die anschließende Haftung zwischen den Druckschichten. Die Dimensionsstabilität dieses Ergänzungsmittels mit hervorragender optischer Schichtbindungsqualität ist stufenlos und weist eine verbesserte Oberflächenbeschaffenheit auf.
• 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 Kohlefaserfilamente 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

Die Realisierung dieser begehrten Leistungsvorteile bringt jedoch auch einige praktische Nachteile mit sich, 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 und zu Überhitzung oder Kurzschlüssen führen.

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 mit Sprödigkeit, Wärmeleitfähigkeit und Abrasivität herkömmlicher Kohlenstoffverbundwerkstoffe. Dadurch können mehr der genannten Vorteile bei weniger typischen Nachteilen genutzt werden.

Tipps zum 3D-Druck mit Carbonfaser-Filament

Wir haben die Hintergründe, Typen, Eignungsfaktoren und Vor- und Nachteile von verstärkten Kohlefaserfilamenten erläutert. Nun wollen wir uns mit dem erfolgreichen Drucken mit diesem speziellen Material auf Desktop-3D-Druckern befassen. Befolgen Sie diese Tipps und Best Practices für eine reibungslose und effektive Nutzung von Kohlefaserfilamenten.

• Langsame Druckgeschwindigkeiten verringern: Das starre Material ist nicht leicht zu 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 ist 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 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 Kohlefaser, iterieren Sie anhand von Testdrucken, und mit der Zeit wird es durch Übung einfacher, schöne, starke und verstärkte Drucke zu erzielen.

Nutzen Sie das Potenzial von Kohlefaser 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, ermöglicht Kohlefaser die Entwicklung maßgeschneiderter Lösungen für besondere Anforderungen, die mit herkömmlichen Kunststoffen nicht erfüllt werden können. Nutzen Sie die Möglichkeiten verstärkter Filamente, indem Sie Optionen prüfen, Drucker aufrüsten, Profile durch Wiederholung optimieren und schließlich die idealen Parameter für Ihre Anwendungsanforderungen finden.

6 FAQs zum Thema Kohlefaserfilament für den 3D-Druck

F1: 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 geringer Gesamtmasse.

F2: Wie lagert man Kohlefaserfilamente?

ALagern Sie Kohlefaserfilamente kühl, trocken und vor Feuchtigkeit geschützt. Ideale Lagerbedingungen liegen bei 18–25 °C und 35–55 % relativer Luftfeuchtigkeit. Vermeiden Sie Temperaturschwankungen und direkte Sonneneinstrahlung.

F3: Ist 3D-gedruckte Kohlefaser besser als ABS?

A: Ja, Kohlefaserfilamente sind im Allgemeinen stärker und steifer als ABS-Kunststoff. Sie weisen außerdem eine geringere Wärmeausdehnung, eine bessere Hitzebeständigkeit und eine verbesserte optische Qualität mit weniger sichtbaren Schichtlinien auf. Der Nachteil ist jedoch, dass Kohlefaser spröder ist.

F4: Lohnt sich der 3D-Druck mit Kohlefaser?

A: Für Anwendungen, die hohe Festigkeit, geringes Gewicht, Dimensionsstabilität und Hitzebeständigkeit erfordern, kann Kohlefaser Lösungen ermöglichen, die mit herkömmlichen Kunststoffen nicht möglich sind. Daher lohnt es sich, diese Möglichkeit zu prüfen. Es sind jedoch optimiertere Drucker und angepasste Einstellungen erforderlich.

F5: Ist das Drucken auf Kohlefaser sicher?

A: Mit der richtigen Düse und Maschinen-Upgrades für den Umgang mit dem abrasiven Material ist der Druck von Kohlefaserfilamenten sicher. Wie bei jedem 3D-Druckmaterial wird eine ausreichende Belüftung empfohlen.

F6: Ist Kohlefaserfilament stärker als PLA?

A: Ja, kohlenstofffaserverstärkte Filamente sind hinsichtlich Zugfestigkeit, Steifigkeit und maximaler Tragfähigkeit viel stärker als Standard-PLA.

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