3D-Druck mit Kohlefaserfilament: Ultimativer Leitfaden

Kohlefaserfilament ist ein neuartiges Material, das im 3D-Druck und in der additiven Fertigung für Aufsehen sorgt. Wie der Name schon sagt, enthält es Kohlefaser – eine feste und leichte Faser, die in der Luft- und Raumfahrt sowie im Sport verwendet wird und aus dünnen Kohlenstoffsträngen besteht. Dadurch können aus Kohlefaserfilamenten 3D-gedruckte Teile mit außergewöhnlicher Haltbarkeit hergestellt werden, die dennoch leicht sind. Aber was genau ist Carbonfaser-Filament und warum sollte sich der 3D-Drucker darum kümmern? Beginnen wir mit den Grundlagen.

Geschichte und Herstellung von Kohlefaserfilamenten

Während 3D-druckbare Kohlefaserfilamente gerade erst auf dem Vormarsch sind, wurden die Grundlagen bereits in den späten 1950er Jahren gelegt. Dies war die erste Erforschung der Schichtung und Verwebung von Kohlenstofffasern zu verstärkten Harzmaterialien. Spulen wir zurück ins Jahr 1981 – die Industrie stellte die allerersten Verbundfahrräder und Golfschläger her, bei denen dünne Carbonfasern für eine beispiellose leichte Festigkeit verwendet wurden.

In den letzten Jahren haben sich Hersteller dieselben Prinzipien zunutze gemacht, um spezielle Kohlefaserfilamente zu entwickeln, die mit Desktop-3D-Druckern kompatibel sind. Beim Produktionsprozess werden lange Kohlefaserstränge in einem Polymer-Grundmaterial wie ABS oder Nylon ausgerichtet. Anschließend baut der 3D-Druck Teile auf, indem er das mit Kohlefasern angereicherte Material Schicht für Schicht nach digitalen Entwürfen aufträgt.

Die Kohlefaser erhöht nicht nur die Festigkeit und Steifigkeit und reduziert gleichzeitig das Gewicht – ihr niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient hilft auch, Verformungen und Probleme mit der Maßhaltigkeit, die mit Temperaturschwankungen einhergehen, zu bekämpfen. Diese einzigartige Kombination von Eigenschaften ermöglicht funktionellere 3D-gedruckte Werkzeuge in der Automobil-, Luft- und Raumfahrtindustrie und sogar bei Sportartikeln, bei denen herkömmliche Materialien nicht ausreichen.

Arten von Kohlefaserfilamenten

Nachdem wir uns nun mit den Grundlagen befasst haben, wie 3D-druckbare Kohlefaserfilamente aus Verbundwerkstoffen in Luft- und Raumfahrtqualität entstanden sind, wollen wir uns mit den heute verfügbaren spezifischen Typen befassen. Es gibt einige Kernvarianten, die sich nach Carbonfaserlänge und Verstärkungsmethode unterscheiden.

1. Kurzes Kohlefaserfilament

Wie der Name schon sagt, sind die in diesem Filament enthaltenen Kohlenstofffasern klein und haben im Allgemeinen eine Länge von etwa 0,1 bis 0,7 mm. Denken Sie an kurze Strähnen im Vergleich zu längeren haarähnlichen Strähnen.

Die kurze Länge unterstützt die Extrusion und die Gesamtqualität des Druckprozesses. Im Vergleich zu längeren Kohlefaserfilamenten gibt es jedoch einige Kompromisse. Der Vorteil ist, dass sich die kurzen Kohlefasern gleichmäßig und vorhersehbar in den Druckschichten verteilen, ohne dass die Gefahr besteht, dass sich die Fasern punktuell ansammeln. Isotrope Eigenschaften bedeuten auch, dass Teile in allen Richtungen ähnliche Festigkeiten aufweisen.

Zu den Nachteilen der Verwendung von kurzen Kohlefaserfilamenten zählen weniger starke Festigkeitsgewinne im Vergleich zu anderen Verbundwerkstoffen sowie besser sichtbare Schichtlinien bei abfallenden Kurven oder Winkeln. Die kurzen Stränge haben einfach weniger Verstärkungspotenzial als längere Optionen.

2. Langes Kohlefaserfilament

Getreu dem Namen bestehen lange Kohlefaserfilamente eher aus haarähnlichen Kohlefasersträngen mit einer Länge von etwa 6–12 mm. Die längeren Fasern ermöglichen eine stärkere Verstärkung, bergen jedoch ein erhöhtes Potenzial für eine ungleichmäßige Verteilung, wenn sie nicht richtig optimiert werden.

Zu den Vorteilen gehört ein außergewöhnliches Festigkeits-Gewichts-Verhältnis, das auf eine stärker unidirektionale Kohlefaserverstärkung zurückzuführen ist. Anisotrope Eigenschaften bedeuten auch deutliche Festigkeitsgewinne, hauptsächlich entlang der Richtung der Druckschicht, im Vergleich zu stärker beeinträchtigten Eigenschaften bei senkrechten Winkeln. Eine geringere Schichtsichtbarkeit verbessert auch die Oberflächenbeschaffenheit von Kurven und hochwertige Drucke.

Zu den Nachteilen gehört vor allem die erhöhte Sorgfalt, um ein Verstopfen der Düsen und eine ungleichmäßige Verklumpung zu verhindern, wenn sich die längeren Stränge bündeln oder verheddern. Auch das Finden optimaler Einstellungen und Konfigurationen ist schwieriger. Die dramatische Ausrichtung der Festigkeit erfordert die Berücksichtigung der Lastrichtung bei der Konstruktion von Funktionsteilen.

3. Verstärktes Kohlefaserfilament

Bei verstärkten Kohlefaserfilamenten handelt es sich um einen hybriden Ansatz: Basiskunststoffe wie ABS und Nylon werden mit sehr kurzen Kohlefasern versetzt, um eine verteilte Festigkeit zu erzielen, und dann werden zusätzliche durchgehende Kohlefaserstränge für noch mehr Verstärkung hinzugefügt.

Dies ermöglicht dank der manuellen Faserstränge eine starke mechanische Leistung ähnlich wie bei reinen Langfaserfilamenten. Es vermeidet jedoch unvorhersehbare Verklumpungsprobleme, da das Grundmaterial bereits über eine gleichmäßig verteilte Kurzfaserverstärkung als Grundlage verfügt.

Dadurch erleichtern verstärkte Mischungen das Drucken und optimieren gleichzeitig die Festigkeit und visuelle Qualität für unerfahrenere Benutzer. Die Leichtigkeit geht mit einigen Kompromissen in Bezug auf die maximal mögliche Festigkeit im Vergleich zu reinen Langfaserfilamenten einher. Für die meisten Anwendungen bietet der Hybridansatz jedoch eine ideale Balance.

Kann jeder 3D-Drucker Kohlefaserfilament verwenden?

Kohlefaserfilamente sind möglicherweise speziell für die Unterstützung des 3D-Drucks entwickelt, aber nicht alle Desktop-Drucker können sie unbedingt sofort verwenden. Das zähe, abrasive Material stellt besondere Anforderungen. Lassen Sie uns die Eignungsfaktoren für den Drucker und alle für die Verwendung von Kohlefaserfilamenten erforderlichen Modifikationen aufschlüsseln.

1. Druckereignung für Kohlefaserfilamente

Aufgrund der Abrasivität des Materials und der Tendenz, wichtige Komponenten langsam, aber sicher zu erodieren, erfordern Kohlefaserfilamente Drucker, die aus kompatiblen gehärteten Teilen bestehen, nur um die grundlegenden Funktionen zu erfüllen:

• Düsen aus gehärtetem Stahl: Standard-Messingdüsen nutzen sich durch den Abrieb der starren Kohlenstofffasern schnell ab, wodurch die Gefahr einer Impedanz oder eines Totalausfalls der Düse besteht. Gehärteter Stahl ist nahezu erforderlich.
• Geschlossener Rahmen: Auch freiliegende Bowdenschläuche nutzen sich mit der Zeit ab und verursachen Probleme beim Einzug oder fehlerhafte Ausdrucke. Geschlossene Rahmen schützen die Rohre.
• Verstärktes Extrudergetriebe: Für die Zufuhrsteifigkeit sind Extrudergetriebe aus abriebfesten Metallen erforderlich, um den Halt aufrechtzuerhalten, ohne abzureißen.
• Beheizte Druckbetten: Probleme mit Verformungen und Druckbetthaftung erfordern beheizte Druckbetten mit einer Temperatur von über 100 °C, um eine bessere Traktion der ersten Schicht zu gewährleisten.

Drucker, denen diese Mindestspezifikationen fehlen, können funktionsfähige Kohlefaserteile nicht zuverlässig drucken, ohne dass die Komponenten durch den Abrieb sehr schnell verschleißen. QIDI Tech 3D-Drucker verfügen sowohl über Messing- als auch über gehärtete Stahldüsen. Dadurch können Benutzer Standard- und Kohlefaserfilamente drucken, ohne dass Änderungen oder Ergänzungen vorgenommen werden müssen.

2. Notwendige Modifikationen für die Verwendung von Kohlefaserfilamenten

Für Drucker ohne eingebaute gehärtete Komponenten, die aber ansonsten technisch leistungsfähig sind, ist nicht alle Hoffnung verloren. Einige Modifikationen ermöglichen die Arbeit mit Kohlefaser:

• Düsenwechsel: Ersetzen Sie Standarddüsen durch gehärtete Stahldüsen.
• Bowden- und Rahmenschutz: Fügen Sie Vorsichtsmaßnahmen wie Schutzhüllen zum Schutz von Rohren und Verlängerungen hinzu.
• Extruder-Getriebe-Upgrades: Tauschen Sie langfristig Standardgetriebe gegen Metallalternativen aus.
• Oberflächenvorbereitung: Zusätzliche Klebelösungen können manchmal den Mangel an beheizten Betten ausgleichen.

Mit Sorgfalt und schrittweisen Verbesserungen zum Schutz der am stärksten beanspruchten Komponenten wird der Kohlefaserdruck immer rentabler. Für einfachste Ergebnisse und dauerhafte Zuverlässigkeit können Sie sich jedoch für speziell entwickelte Desktop-Drucker mit integriertem Schutz entscheiden, um Ärger und Frustration bei der Arbeit mit launischen Kohlefaserfilamenten zu vermeiden.

Warum sollten Sie sich für Kohlefaserfilamente für den 3D-Druck entscheiden?

Nachdem wir nun die Herstellungsprozesse, Arten von Kohlefaserfilamenten und Überlegungen zur Druckerkompatibilität behandelt haben, wollen wir uns mit dem Entscheidungspunkt befassen: Warum Kohlefaserfilamente im Vergleich zu traditionelleren 3D-Druckmaterialien verwenden ? Welche einzigartigen Vor- und Nachteile haben verstärkte Kohlefaserfilamente?

1. Vorteile der Verwendung von Kohlefaserfilamenten

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

• Festigkeit und Steifigkeit: Mit einem Festigkeits-Gewichts-Verhältnis, das sogar das von Metallen wie Stahl und Aluminium um das Fünffache übersteigt, bieten gedruckte Teile aus Kohlefaser eine bemerkenswerte Haltbarkeit und Belastbarkeit bei gleichzeitig sehr geringer Gesamtmasse.
• Dimensionsstabilität: Der extrem niedrige Wärmeausdehnungskoeffizient dank der starren Kohlefaserverstärkung bedeutet, dass gedruckte Teile über ein breites Spektrum an Umgebungstemperaturen 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. Dies ergänzt die Dimensionsstabilität durch eine hervorragende visuelle Verbindungsqualität der Schichten ohne sichtbare Abstufungen und verbesserte Oberflächengüten.
• Hitze- und Flammenbeständigkeit: Die hohe chemische Beständigkeit von Kohlefasern wird bereits in der Luft- und Raumfahrt sowie im Motorsport eingesetzt und führt dazu, dass gedruckte Teile extrem hohen Temperaturen von über 150 °C standhalten, bevor sie erweichen, und außerdem nicht brennbar sind.

Von der extremen Leichtbaufestigkeit bis hin zur Temperatur- und chemischen Zersetzungsbeständigkeit ermöglichen Kohlefaserfilamente Anwendungen, die weit über gewöhnliche PLA- und ABS- Drucke hinausgehen, und zwar 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 es zu berücksichtigen gilt:

• Abrasivität: Die robusten Kohlefaserstränge erodieren schnell Düsen, Zahnräder und Komponenten, die nicht speziell gehärtet sind, was die breite Druckerkompatibilität und die Langlebigkeit der Teile einschränkt.
• Sprödigkeit und Steifigkeit: Carbonfaser-Verbundwerkstoffe sind zwar stark und steif, aber im Vergleich dazu mangelt es ihnen an Flexibilität und Schlagfestigkeit, da sie bei zu großer Krafteinwirkung plötzlich versagen, 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, geringe Feuchtigkeitsaufnahme und -dichte sowie Verschleißfestigkeit bietet das PA12-CF-Kohlenstofffaserfilament von QIDI Tech eine hervorragende Lösung für die Probleme mit Sprödigkeit, Wärmeleitfähigkeit und Abrasivität, mit denen Standard-Kohlenstoffverbundstoffe konfrontiert sind. Dies ermöglicht es, mehr der genannten Vorteile mit weniger der typischen Nachteile zu nutzen.

Tipps für den 3D-Druck mit Kohlefaserfilamenten

Wir haben den Hintergrund, die Typen, Eignungsfaktoren und Kompromisse von verstärkten Kohlefaserfilamenten behandelt. Lassen Sie uns nun näher auf das erfolgreiche Drucken mit diesem speziellen Material mit Desktop-3D-Druckern eingehen. Befolgen Sie diese Tipps und Best Practices für eine reibungslose und effektive Verwendung von Kohlefaserfilamenten.

• Verringern Sie die Druckgeschwindigkeit: Das starre Material lässt sich nicht so leicht fließen. Reduzieren Sie daher die Geschwindigkeit um 30–50 %, um die Extrusion zu erleichtern. 45–80 mm/s funktionieren gut.
• Maximieren Sie die Drucktemperaturen: Durch Hitze wird der Filamentfluss aus der Düse weicher. Gehen Sie also bis an die oberen Grenzen der Sicherheitsbewertung Ihres Hotends, um die Extrusion zu erleichtern, ohne Staus zu riskieren. Ideal sind 250–320 °C .
• 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 zusätzlich und verhindert ein Verziehen der Teile. Empfohlen werden 50-80 °C.
• Rückzugseinstellungen aktivieren: Ziehen Sie das Filament zwischen den Druckvorgängen leicht zurück, um Fadenziehprobleme zu mildern, die durch übermäßiges Auslaufen entstehen, das bei steifen Verbundwerkstoffen häufig vorkommt.
• Das Bett perfekt nivellieren: Überprüfen Sie erneut die Quetschfestigkeit und die Nivellierung der Plattform, um eine ordnungsgemäße Haftung für die im Vergleich zu anderen Kunststoffen geringere Traktion des Betts aus Kohlefaser sicherzustellen.

Berücksichtigen Sie Variablen aus der Materialwissenschaft hinter Kohlefaser, iterieren Sie anhand von Testdrucken, und durch Übung wird es mit der Zeit immer einfacher, schöne, starke, verstärkte Drucke zu erzielen.

Nutzen Sie das Potenzial von Carbonfaser für Ihre 3D-Druckanforderungen!

Kohlefaser eröffnet neue 3D-Druckmöglichkeiten für leichte, langlebige und hitzebeständige Teile, die mit herkömmlichen Kunststoffen nicht möglich wären. Obwohl Kohlenstofffasern nicht so einfach sind wie Standardmaterialien, eröffnen sie die Möglichkeit, maßgeschneiderte Lösungen zu entwickeln, die besondere Anforderungen erfüllen, die Basiskunststoffe nicht erfüllen können. Wenn immer mehr verstärkte Filamente auf den Markt kommen, können Sie die Vorteile nutzen, indem Sie Optionen prüfen, Drucker aufrüsten, Profile durch Wiederholung optimieren und letztendlich die idealen Parameter für Ihre Anwendungsanforderungen ermitteln.

FAQ zu Kohlefaserfilamenten für den 3D-Druck

F: Wie stark ist Kohlefaserfilament?

A: Kohlefaserfilamente können gewichtsmäßig fünfmal stärker sein als Stahl und Aluminium. Mit Kohlefaserfilamenten bedruckte Teile bieten eine außergewöhnliche Haltbarkeit und Belastbarkeit bei gleichzeitig sehr geringer Gesamtmasse.

F: Wie lagert man Kohlefaserfilamente?

A: Lagern Sie Kohlefaserfilamente an einem kühlen, trockenen Ort, fern von Feuchtigkeit. 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 stärker und steifer als ABS-Kunststoff. Es weist außerdem eine geringere Wärmeausdehnung, eine bessere Hitzebeständigkeit und eine verbesserte visuelle Qualität mit weniger sichtbaren Schichtlinien auf. Der Nachteil ist, dass Kohlefaser spröder ist.

F: Lohnt sich der 3D-Druck aus Kohlefaser?

A: Für Anwendungen, die eine hohe Festigkeit, ein geringes Gewicht, Formstabilität und Hitzebeständigkeit erfordern, können Kohlefasern Lösungen ermöglichen, die mit herkömmlichen Kunststoffen nicht möglich sind. Es lohnt sich also, sie auszuprobieren. Es sind jedoch optimiertere Drucker und eingewählte Einstellungen erforderlich.

F: Ist es sicher, auf Kohlefaser zu drucken?

A: Mit der richtigen Düsen- und Maschinenaufrüstung zur Handhabung des abrasiven Materials ist das Drucken von Kohlefaserfilamenten sicher. Wie bei jedem 3D-Druckmaterial wird eine ausreichende Belüftung empfohlen.

F: Ist Kohlefaserfilament stärker als PLA?

A: Ja, kohlenstofffaserverstärkte Filamente sind in Bezug auf Zugfestigkeit, Steifigkeit und maximale Tragfähigkeit viel stärker als Standard-PLA.

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