3D-Druck mit Kohlefaserfilament: Ultimativer Leitfaden

Kohlefaserfilament ist ein neuartiges Material, das im 3D-Druck und der additiven Fertigung für Aufsehen sorgt. Wie der Name schon sagt, handelt es sich dabei um Kohlefaser – eine feste 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 hergestellt werden, die dennoch leicht sind. Aber was genau ist Kohlefaserfilament und warum sollte es für diejenigen, die sich mit 3D-Druck beschäftigen, wichtig sein? Beginnen wir mit den Grundlagen.

Geschichte und Herstellung von Kohlenstofffaserfilamenten

Während 3D-druckbares Kohlefaserfilament gerade erst auf dem Vormarsch ist, wurden die Grundlagen bereits gelegt in den späten 1950er Jahren. Dies war der erste Versuch, die Schichtung und Einwebung von Kohlefasern in verstärkte Harzmaterialien zu erforschen. 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 gleichen Prinzipien zunutze gemacht, um spezielle Kohlefaserfilamente zu entwickeln, die mit Desktop-3D-Druckern kompatibel sind. Beim Produktionsprozess werden lange Kohlefaserstränge in einem Polymergrundmaterial wie ABS oder Nylon angeordnet. Anschließend werden die Teile im 3D-Druckverfahren aufgebaut, 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 zu vermeiden, die mit Temperaturschwankungen einhergehen. Diese einzigartige Kombination von Eigenschaften ermöglicht funktionellere 3D-gedruckte Werkzeuge in der Automobil-, Luft- und Raumfahrtindustrie und sogar bei Sportartikeln, bei denen herkömmliche Materialien versagen.

Arten von Kohlenstofffaserfilamenten

Nachdem wir nun die Grundlagen der Entwicklung von 3D-druckbaren Kohlefaserfilamenten aus Verbundwerkstoffen für die Luft- und Raumfahrt behandelt haben, wollen wir uns nun die heute verfügbaren spezifischen Typen ansehen. Es gibt einige Kernvarianten, die sich durch die Länge der Kohlefasern und die Verstärkungsmethode unterscheiden.

1. Kurzes Carbonfaserfilament

Wie der Name schon sagt, Die in diesem Filament enthaltenen Kohlenstofffasern sind klein und im Allgemeinen etwa 0,1–0,7 mm lang. 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 sind jedoch einige Nachteile damit verbunden. Auf der positiven Seite verteilt sich die kurze Kohlefaser gleichmäßig und vorhersehbar durch die Druckschichten, ohne dass die Gefahr besteht, dass sich Fasern an Stellen verklumpen. Isotrope Eigenschaften bedeuten auch, dass Teile in alle Richtungen ähnliche Festigkeiten aufweisen.

Zu den Nachteilen der Verwendung kurzer Kohlefaserfilamente gehören weniger dramatische Festigkeitszuwächse im Vergleich zu anderen Verbundwerkstoffen sowie sichtbarere Schichtlinien an schrägen Kurven oder Winkeln. Die kurzen Stränge haben einfach weniger Verstärkungspotenzial als längere Optionen.

2. Langes Carbonfaserfilament

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 höheres Risiko für eine ungleichmäßige Verteilung.

Zu den Vorteilen gehört ein außergewöhnliches Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht, das auf eine stärkere unidirektionale Kohlefaserverstärkung zurückzuführen ist. Anisotrope Eigenschaften bedeuten auch eine deutliche Festigkeitssteigerung, hauptsächlich in Richtung der Druckschicht, im Gegensatz zu beeinträchtigteren Eigenschaften in senkrechten Winkeln. Eine geringere Schichtsichtbarkeit verbessert auch 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 Kohlenstofffaserfilament

Bei verstärkten Kohlefaserfilamenten wird ein hybrider Ansatz verfolgt: Basiskunststoffe wie ABS und Nylon werden mit sehr kurzen Kohlefasern versetzt, um eine verteilte Festigkeit zu erzielen. Anschließend werden zusätzliche durchgehende Kohlefaserstränge hinzugefügt, um die Festigkeit noch weiter zu erhöhen.

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

Infolge, Verstärkte Mischungen erleichtern das Drucken und optimieren gleichzeitig die Festigkeit und Bildqualität für unerfahrenere Benutzer. Die Einfachheit geht mit einigen Kompromissen bei der maximal möglichen 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 können speziell für den 3D-Druck entwickelt werden, sind jedoch nicht unbedingt auf allen Desktop-Druckern sofort verwendbar. Das robuste, abrasive Material stellt besondere Anforderungen. Lassen Sie uns die Eignungsfaktoren für den Drucker und alle erforderlichen Modifikationen für die Verwendung von Kohlefaserfilamenten aufschlüsseln.

1. Druckereignung für Carbonfaserfilament

Aufgrund der Abrasivität des Materials und seiner Tendenz, wichtige Komponenten langsam aber sicher zu erodieren, sind bei Kohlefaserfilamenten Drucker mit kompatiblen gehärteten Teilen erforderlich, um die Grundfunktionen zu erfüllen:

• Düsen aus gehärtetem Stahl: Standarddüsen aus Messing verschleißen schnell durch den Abrieb der starren Kohlenstofffasern und es besteht die Gefahr einer Impedanz oder eines vollständigen Düsenausfalls. Gehärteter Stahl ist praktisch erforderlich.
• Geschlossener Rahmen: Freiliegende Bowden-Schläuche nutzen sich mit der Zeit ebenfalls ab und verursachen Zufuhrprobleme oder Fehldrucke. Geschlossene Rahmen schützen die Schläuche.
• Verstärktes Extrudergetriebe: Um eine hohe Zuführsteifigkeit zu gewährleisten, sind Extruderzahnräder aus abriebfesten Metallen erforderlich, damit der Halt erhalten bleibt, ohne zu reißen.
• Beheizte Betten: Aufgrund von Verformungs- und Betthaftungsproblemen sind beheizte Druckbetten mit einer Temperatur von über 100 °C erforderlich, um eine bessere Haftung der ersten Schicht zu erzielen.

Drucker, denen diese Mindestanforderungen nicht entsprechen, können nicht zuverlässig sofort funktionsfähige Kohlefaserteile drucken, ohne dass es durch den Abrieb zu schnellem Verschleiß der Komponenten kommt und diese versagen.3D-Drucker von QIDI Tech enthalten sowohl Düsen aus Messing als auch aus gehärtetem Stahl. Dadurch können Benutzer Standard- und Kohlefaserfilamente drucken, ohne dass Änderungen oder Ergänzungen erforderlich sind.

2. Notwendige Modifikationen für den Einsatz von Carbonfaserfilamenten

Für Drucker ohne verbaute gehärtete Komponenten, die ansonsten technisch fähig sind, ist nicht alle Hoffnung verloren. Einige Modifikationen ermöglichen das Arbeiten mit Kohlefaser:

• Düsenwechsel: Ersetzen Sie Standarddüsen durch Düsen aus gehärtetem Stahl.
• Bowden- und Rahmenschutz: Treffen Sie Vorsichtsmaßnahmen, z. B. durch Ummanteln von Rohren und Verlängerungen.
• Upgrades für Extrudergetriebe: Tauschen Sie Standardgetriebe langfristig gegen Alternativen aus Metall aus.
• Oberflächenvorbereitung: Zusätzliche Klebelösungen können manchmal das Fehlen von Heizbetten ausgleichen.

Mit Sorgfalt und schrittweisen Verbesserungen zum Schutz der am stärksten beanspruchten Komponenten wird der Kohlefaserdruck rentabler.Um jedoch optimale Ergebnisse und dauerhafte Zuverlässigkeit zu erzielen, sollten Sie sich für speziell entwickelte Desktop-Drucker mit integriertem Schutz entscheiden. So vermeiden Sie Ärger und Frustration beim Arbeiten mit empfindlichen Kohlefaserfilamenten.

Warum sollte man Kohlefaserfilament für den 3D-Druck wählen?

Nachdem wir nun die Herstellungsverfahren, die Arten von Kohlefaserfilamenten und die Überlegungen zur Druckerkompatibilität behandelt haben, wollen wir den Entscheidungspunkt untersuchen - Warum Kohlefaserfilament verwenden im Vergleich zu herkömmlicheren 3D-Druckmaterialien? Welche besonderen Vorteile und Nachteile bringen verstärkte Kohlenstofffaserfilamente mit sich?

1. Vorteile der Verwendung von Kohlefaserfilamenten

Kohlenstofffaserverbundwerkstoffe bieten vier wesentliche Vorteile, die herkömmliche Kunststoffe nicht bieten können:

• Festigkeit und Steifheit: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 Kohlenstofffaserstränge verbessern die Traktion der ersten Schicht und die anschließende Haftung zwischen den Druckschichten. Dies ergänzt die Dimensionsstabilität mit einer wunderschönen visuellen Schichtbindungsqualität ohne sichtbare Stufen und verbesserten Oberflächenbeschaffenheiten.
• Hitze- und Flammbeständigkeit: Die hohe chemische Beständigkeit von Kohlefasern, die bereits in der Luft- und Raumfahrt sowie im Motorsport eingesetzt werden, führt dazu, dass gedruckte Teile extrem hohen Temperaturen von über 150 °C standhalten, bevor sie weich werden, und außerdem 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 mit Eigenschaften, die Haushaltskunststoffe einfach nicht haben.

2. Nachteile von Carbonfaserfilamenten

Mit der Realisierung dieser begehrten Leistungsvorteile sind jedoch auch einige praktische Nachteile verbunden:

• Abrasivität: Die robusten Kohlefaserstränge verschleißen 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 Kohlenstofffaserverbundwerkstoffen 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 bei fehlender Wärmekontrolle 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, mit denen herkömmliche Kohlenstoffverbundwerkstoffe konfrontiert sind. Dadurch können mehr der genannten Vorteile mit weniger der typischen Nachteile erzielt werden.

Tipps zum 3D-Druck mit Carbonfaserfilament

Wir haben die Hintergründe, Typen, Eignungsfaktoren und Vor- und Nachteile von verstärkten Kohlenstofffaserfilamenten behandelt.Lassen Sie uns nun näher auf das erfolgreiche Drucken mit diesem speziellen Material auf Desktop-3D-Druckern eingehen. Befolgen Sie diese Tipps und bewährten Methoden für die reibungslose und effektive Verwendung von Kohlefaserfilamenten.

• Langsame Druckgeschwindigkeiten verringern: Das starre Material widersteht dem Fließen. Reduzieren Sie daher die Geschwindigkeit um 30–50 %, um die Extrusion zu erleichtern. 45–80 mm/s funktionieren gut.
• Drucktemperaturen maximieren:Durch Hitze wird der Filamentfluss aus der Düse gemildert. Gehen Sie daher bis an die oberen Grenzen der Sicherheitsklassifizierung Ihres Hot-Ends, um eine einfachere Extrusion zu erreichen, ohne Staus zu riskieren. 250‒320 °C ist ideal.
• Geschlossene beheizte Kammer: Isolieren Sie den Druckbereich und sorgen Sie für zusätzliche Wärme, um die Umgebungstemperatur hoch zu halten. QIDI Tech 3D-Drucker verfügen über eine moderne geschlossene Kammer mit aktiver Heizungsregelung. 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 Material 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 auf der Grundlage von Testdrucken, und mit der Zeit wird es durch Übung einfacher, schöne, stark verstärkte Drucke zu erzielen.

Schöpfen Sie das Potenzial von Kohlefasern für Ihre 3D-Druckanforderungen!

Kohlefaser eröffnet neue Möglichkeiten für den 3D-Druck von leichten, langlebigen und hitzebeständigen Teilen, die mit herkömmlichen Kunststoffen nicht möglich sind. Kohlefaser ist zwar nicht so einfach wie Standardmaterialien, eröffnet aber die Möglichkeit, maßgeschneiderte Lösungen zu entwickeln, die besondere Anforderungen erfüllen, die mit herkömmlichen Kunststoffen nicht erfüllt werden können. Nutzen Sie die Vorteile der zunehmenden Verfügbarkeit verstärkter Filamente, indem Sie Optionen untersuchen, Drucker aufrüsten, Profile durch Wiederholung optimieren und schließlich die idealen Parameter für Ihre Anwendungsanforderungen ermitteln.

FAQ zum Carbonfaserfilament für den 3D-Druck

F: Wie stark ist Kohlefaserfilament?

A: Kohlenstofffaserfilamente können 5-mal stärker sein als Stahl und Aluminium. Mit Kohlenstofffaserfilamenten gedruckte Teile bieten außergewöhnliche Haltbarkeit und Belastbarkeit bei gleichzeitig sehr geringer Gesamtmasse.

F: Wie lagert man Kohlefaserfilamente?

A: Lagern Sie Kohlefaserfilamente an einem kühlen, trockenen Ort und 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. Sie weisen außerdem eine geringere Wärmeausdehnung, eine bessere Hitzebeständigkeit und eine verbesserte optische Qualität mit weniger sichtbaren Schichtlinien auf. Der Nachteil ist, dass Kohlefaser spröder ist.

F: Lohnt sich der 3D-Druck mit Kohlefasern?

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

F: Ist es sicher, auf Kohlefaser zu drucken?

A: Mit der richtigen Düse und Maschinenaufrüstungen zur Handhabung des abrasiven Materials ist das Drucken mit Kohlefaserfilamenten sicher. Wie bei jedem 3D-Druckmaterial wird eine angemessene Belüftung empfohlen.

F: 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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