Impression 3D avec filament en fibre de carbone:guide ultime

Le filament en fibre de carbone est un nouveau matériau qui fait des vagues dans l'impression 3D et la fabrication additive. Comme son nom l'indique, il intègre de la fibre de carbone, une fibre solide et légère utilisée dans l'aérospatiale et le sport et fabriquée à partir de fins brins de carbone. Cela permet au filament de fibre de carbone de produire des pièces imprimées en 3D avec une durabilité exceptionnelle tout en restant légères. Mais qu'est-ce qu'un filament en fibre de carbone exactement et pourquoi les personnes impliquées dans l'impression 3D devraient-elles s'en soucier ? Commençons par les bases..

Histoire et fabrication du filament en fibre de carbone

Alors que le filament de fibre de carbone imprimable en 3D fait tout juste son apparition, les fondations ont été posées à la fin des années 1950. Cela a vu la première exploration de la superposition et du tissage de la fibre de carbone dans des matériaux en résine renforcée. Avance rapide jusqu’en 1981 - l'industrie a produit les tout premiers vélos et clubs de golf composites utilisant de fines fibres de carbone pour une résistance en toute légèreté sans précédent.

Au cours des dernières années, les fabricants ont exploité ces mêmes principes pour développer des filaments spécialisés en fibre de carbone compatibles avec les imprimantes 3D de bureau. Le processus de production aligne de longs brins de fibre de carbone dans un matériau à base de polymère comme l'ABS ou le nylon. L’impression 3D permet ensuite de construire des pièces en déposant couche par couche le matériau infusé de fibre de carbone selon des conceptions numériques.

La fibre de carbone renforce non seulement la résistance et la rigidité tout en réduisant le poids - son faible coefficient de dilatation thermique permet de lutter contre les problèmes de gauchissement et de précision dimensionnelle liés aux variations de température. Ce mélange unique de propriétés permet d'obtenir des outils imprimés en 3D plus fonctionnels dans les domaines de l'automobile, de l'aérospatiale et même des articles de sport, là où les matériaux traditionnels ne sont pas à la hauteur.

Types de filaments en fibre de carbone

Maintenant que nous avons couvert les bases de l'évolution des filaments de fibre de carbone imprimables en 3D à partir de composites de qualité aérospatiale, passons en revue les types spécifiques disponibles aujourd'hui. Il existe quelques variétés de noyaux différenciées par la longueur des fibres de carbone et la méthode de renforcement.

1. Filament court en fibre de carbone

Comme le nom le suggère, les fibres de carbone contenues dans ce filament sont petites et mesurent généralement environ 0,1 à 0,7 mm de longueur. Pensez aux mèches courtes par rapport aux mèches plus longues ressemblant à des cheveux.

La courte longueur facilite l’extrusion et la qualité globale du processus d’impression. Mais cela comporte certains compromis par rapport aux filaments en fibre de carbone plus longs. Du côté positif, la fibre de carbone courte se disperse de manière uniforme et prévisible à travers les couches d'impression sans risque de regroupement des fibres par endroits. Les propriétés isotropes signifient également que les pièces ont des résistances similaires dans toutes les directions.

Les inconvénients de l'utilisation d'un filament court en fibre de carbone incluent des gains de résistance moins spectaculaires par rapport à d'autres composites, ainsi que des lignes de couche plus visibles sur les courbes ou les angles inclinés. Les brins courts ont tout simplement moins de potentiel de renforcement que les options plus longues.

2. Filament long en fibre de carbone

Fidèle à nouveau à son nom, les longs filaments de fibre de carbone utilisent davantage de brins de fibre de carbone ressemblant à des cheveux mesurant environ 6 à 12 mm de longueur. Les fibres plus longues permettent un renforcement plus important mais présentent un potentiel accru de dispersion inégale si elles ne sont pas correctement optimisées.

Les avantages incluent des rapports résistance/poids exceptionnels reflétant un renforcement plus unidirectionnel en fibre de carbone. Les propriétés anisotropes signifient également des gains de résistance notables, principalement liés à la direction de la couche d'impression, par rapport à des propriétés plus compromises aux angles perpendiculaires. Une visibilité moindre des couches améliore également la finition de surface sur les courbes et les impressions de haute qualité.

Les inconvénients impliquent principalement un soin accru pour éviter les obstructions des buses et les agglomérations inégales lorsque les brins les plus longs se regroupent ou s’emmêlent. Trouver des paramètres et des configurations optimaux est également plus délicat. Le biais considérable de résistance directionnelle nécessite de prendre en compte la direction de la charge lors de la conception des pièces fonctionnelles.

3. Filament renforcé en fibre de carbone

Les filaments de fibre de carbone renforcés adoptent une approche hybride : infusant des plastiques de base comme l'ABS et le nylon avec des fibres de carbone très courtes pour une résistance dispersée, puis en ajoutant des brins de fibre de carbone continus supplémentaires pour encore plus de renforcement.

Cela permet de fortes performances mécaniques similaires aux filaments purs à fibres longues grâce aux brins de fibres manuels. Mais cela évite les problèmes d’agglutination imprévisibles puisque le matériau de base est déjà doté d’un renfort de fibres courtes uniformément dispersé comme base.

Par conséquent, les mélanges renforcés facilitent l'impression tout en optimisant la résistance et la qualité visuelle pour les utilisateurs plus novices. La facilité s'accompagne de certains compromis en termes de résistance maximale possible par rapport aux filaments purs à fibres longues. Mais pour la plupart des applications, l’approche hybride apporte un équilibre idéal.

N’importe quelle imprimante 3D peut-elle utiliser un filament en fibre de carbone?

Les filaments en fibre de carbone peuvent être spécialement conçus pour l'impression 3D, mais toutes les imprimantes de bureau ne peuvent pas nécessairement les utiliser immédiatement. Le matériau résistant et abrasif pose des exigences uniques. Décomposons les facteurs d'adéquation de l'imprimante et toutes les modifications nécessaires pour utiliser un filament en fibre de carbone.

1. Adéquation de l’imprimante au filament en fibre de carbone

Grâce à l'abrasivité du matériau et à sa tendance à éroder lentement mais sûrement les composants vitaux, les filaments en fibre de carbone nécessitent des imprimantes fabriquées avec des pièces durcies compatibles juste pour gérer les fonctionnalités de base :

• Buses en acier trempé : Les buses en laiton standard s'usent rapidement sous l'abrasion des fibres de carbone rigides, risquant une impédance ou une défaillance totale de la buse. L’acier trempé est pratiquement indispensable.
• Cadre fermé : Les tubes Bowden exposés s'usent également avec le temps, provoquant des problèmes d'alimentation ou des échecs d'impression. Les cadres fermés protègent les tubes.
• Équipement d'extrudeuse renforcé : La rigidité d'alimentation nécessite des engrenages d'extrudeuse fabriqués à partir de métaux résistants à l'abrasion pour maintenir l'adhérence sans se dénuder.
• Lits chauffants : Les problèmes de déformation et d'adhérence du lit nécessitent des lits d'impression chauffés capables de 100 C+ pour une meilleure traction de la première couche..

Les imprimantes ne disposant pas de ces spécifications minimales ne peuvent pas imprimer de manière fiable des pièces fonctionnelles en fibre de carbone prêtes à l'emploi sans que les composants ne s'usent très rapidement jusqu'à la défaillance à cause de l'abrasion.Les imprimantes 3D QIDI Tech comprennent des buses en laiton et en acier trempé. Cela permet aux utilisateurs d'imprimer des filaments standard et en fibre de carbone sans avoir à apporter de modifications ou d'ajouts.

2. Modifications nécessaires à l'utilisation du filament en fibre de carbone

Pour les imprimantes sans composants renforcés installés mais techniquement capables, tout espoir n’est pas perdu. Certaines modifications permettent de travailler la fibre de carbone :

• Remplacements de buses : Remplacez les buses standard par de l'acier trempé.
• Bowden et protection du cadre : Ajoutez des précautions comme des gaines pour protéger les tubes et les extensions.
• Mises à niveau de l'équipement de l'extrudeuse : Remplacez les engrenages standard par des alternatives métalliques à long terme.
• Préparation des surfaces : Des solutions d'adhésion supplémentaires peuvent parfois compenser le manque de lits chauffants.

Avec des soins et des mises à niveau progressives pour protéger les composants les plus usés, l’impression en fibre de carbone devient plus viable. Mais pour obtenir des résultats plus simples et une fiabilité durable, opter pour des imprimantes de bureau spécialement conçues avec une protection intégrée élimine les tracas et la frustration lorsque l'on travaille avec des filaments capricieux en fibre de carbone.

Pourquoi choisir le filament en fibre de carbone pour l'impression 3D?

Maintenant que nous avons abordé les processus de fabrication, les types de filaments en fibre de carbone et les considérations relatives à la compatibilité des imprimantes, explorons le point de décision : pourquoi utiliser un filament en fibre de carbone par rapport aux matériaux d'impression 3D plus traditionnels? Quels sont les avantages et les inconvénients uniques des filaments en fibre de carbone renforcée?

1. Avantages de l'utilisation du filament en fibre de carbone

Les composites en fibre de carbone apportent quatre avantages principaux inégalés par les plastiques de base :

• Résistance et rigidité :Avec des rapports résistance/poids dépassant jusqu'à 5 fois ceux des métaux comme l'acier et l'aluminium, les pièces imprimées en fibre de carbone offrent une durabilité et une résistance aux charges remarquables tout en conservant une masse globale très légère.
• Stabilité dimensionnelle: Un coefficient de dilatation thermique extrêmement faible grâce au renfort rigide en fibre de carbone signifie que les pièces imprimées conservent des tolérances précises sur un large delta de températures ambiantes sans se dilater ou se contracter de plus de 1 %.
• Qualité visuelle: Les brins de fibre de carbone améliorent la traction de la première couche et l'adhésion ultérieure entre les couches d'impression. Cela complète la stabilité dimensionnelle avec une superbe qualité visuelle de liaison des couches sans marches visibles et des finitions de surface améliorées.
• Résistance à la chaleur et aux flammes : Déjà utilisée dans l'aérospatiale et les sports automobiles, la haute résistance chimique de la fibre de carbone se transforme en pièces imprimées résistant à des températures extrêmement élevées dépassant 150 °C avant de se ramollir ainsi que de caractéristiques ininflammables..

Qu'il s'agisse de tirer parti d'une résistance extrêmement légère ou de résister à la température ou à la dégradation chimique, les filaments en fibre de carbone permettent des applications bien au-delà du ordinaire. PLA et ABS imprime grâce à des propriétés tout simplement introuvables dans les plastiques ménagers.

2. Inconvénients du filament en fibre de carbone

Cependant, la réalisation de ces avantages tant convoités en termes de performances s’accompagne également de certains inconvénients pratiques à prendre en compte :

• Abrasivité : Les brins robustes en fibre de carbone érodent rapidement les buses, les engrenages et les composants non spécialement durcis, limitant ainsi la compatibilité des imprimantes et la longévité des pièces.
• Fragilité et rigidité : Bien que solides et rigides, les composites en fibre de carbone manquent de flexibilité et de résistance aux chocs. En comparaison, ils se brisent soudainement sous l'effet d'une force trop importante plutôt que de se plier temporairement comme l'ABS ou l'ABS. nylon.
• Conductivité: La conductivité thermique et électrique élevée peut compliquer l’impression sous boîtier en l’absence de contrôles thermiques, risquant une surchauffe ou des courts-circuits.

Avec son renfort en fibre intelligent minimisant la déformation, sa faible absorption d'humidité et sa densité, ainsi que sa résistance à l'usure, Filament en fibre de carbone PA12-CF de QIDI Tech fournit une excellente solution aux problèmes de fragilité, de conductivité thermique et d’abrasivité auxquels sont confrontés les composites de carbone standard. Cela permet de profiter davantage des avantages mentionnés avec moins d’inconvénients typiques.

Conseils pour l'impression 3D avec un filament en fibre de carbone

Nous avons couvert le contexte, les types, les facteurs d'adéquation et les compromis des filaments de fibre de carbone renforcés. Voyons maintenant comment réussir à imprimer avec ce matériau spécial à l'aide d'imprimantes 3D de bureau. Suivez ces conseils et bonnes pratiques pour une utilisation fluide et efficace du filament en fibre de carbone.

• Vitesses d'impression lentes : Le matériau rigide résiste à l'écoulement facile, donc réduisez les vitesses de 30 à 50 % pour faciliter l'extrusion. 45 à 80 mm/s fonctionne bien.
• Maximisez les températures d'impression :La chaleur adoucit le flux de filament provenant de la buse, alors poussez-le jusqu'aux limites supérieures de l'indice de sécurité de votre extrémité chaude pour une extrusion plus facile sans risquer de bourrage. 250320 C est idéalal.
• Chambre chauffée fermée : Isolez la zone d'impression et introduisez de la chaleur supplémentaire pour maintenir des températures ambiantes élevées. Imprimantes 3D QIDI Tech disposent d'une chambre fermée avancée avec contrôle actif du chauffage. Cela facilite encore davantage l'écoulement et empêche la déformation des pièces. 50-80 °C est recommandé..
• Activer les paramètres de rétraction :Tirez légèrement le filament entre les courses d'impression pour atténuer les problèmes de cordage dus au suintement excessif courant avec les composites rigides.
• Nivelez parfaitement le lit : Revérifiez l'écrasement de la première couche et le nivellement de la plate-forme pour garantir une bonne adhérence pour la traction réduite du lit de la fibre de carbone par rapport aux autres plastiques.

Tenez compte des variables de la science des matériaux derrière la fibre de carbone, itérez en fonction des tests d'impression, et obtenir de belles impressions renforcées et résistantes devient plus simple avec le temps grâce à la pratique.

Libérez le potentiel de la fibre de carbone pour vos besoins d’impression 3D !

La fibre de carbone ouvre de nouvelles possibilités d'impression 3D pour des pièces légères, durables et résistantes à la chaleur, impossibles avec les plastiques ordinaires. Bien qu’elle ne soit pas aussi simple que les matériaux standards, la fibre de carbone ouvre la porte au développement de solutions personnalisées répondant à des exigences particulières que les plastiques de base ne peuvent pas satisfaire. À mesure que des filaments renforcés apparaissent, profitez-en en étudiant les options, en mettant à niveau les imprimantes, en optimisant les profils par la répétition et, finalement, en découvrant les paramètres idéaux pour les besoins de votre application.

FAQ sur le filament en fibre de carbone pour l'impression 3D

Q : Quelle est la résistance du filament en fibre de carbone ??

R : Le filament en fibre de carbone peut être 5 fois plus résistant que l’acier et l’aluminium en termes de poids. Les pièces imprimées avec du filament en fibre de carbone offrent une durabilité et une résistance aux charges exceptionnelles tout en conservant une masse globale très légère.

Q : Comment stockez-vous les filaments de fibre de carbone?

R : Conservez le filament en fibre de carbone dans un endroit frais et sec, à l'abri de l'humidité. Les conditions de stockage idéales se situent entre 18 et 25 °C et entre 35 et 55 % d’humidité relative. Évitez les variations de température et l’exposition directe au soleil..

Q : La fibre de carbone imprimée en 3D est-elle meilleure que l'ABS ??

R : Oui, le filament en fibre de carbone est généralement plus résistant et plus rigide que le plastique ABS. Il présente également une dilatation thermique plus faible, une meilleure résistance à la chaleur et une qualité visuelle améliorée avec des lignes de couche moins visibles. Le compromis est que la fibre de carbone est plus fragile.

Q : L’impression 3D en fibre de carbone en vaut-elle la peine?

R : Pour les applications nécessitant une résistance élevée, un faible poids, une stabilité dimensionnelle et une résistance à la chaleur, la fibre de carbone peut permettre des solutions impossibles à réaliser avec les plastiques ordinaires, elle mérite donc d'être explorée. Cela nécessite des imprimantes plus optimisées et des paramètres sélectionnés.

Q : Est-il sécuritaire d’imprimer sur de la fibre de carbone ??

R : Avec des mises à niveau appropriées des buses et de la machine pour gérer le matériau abrasif, l'impression de filaments en fibre de carbone est sûre. Une bonne ventilation est recommandée comme pour tout matériau d’impression 3D.

Q : Le filament en fibre de carbone est-il plus résistant que le PLA?

R : Oui, les filaments renforcés de fibres de carbone sont beaucoup plus résistants que le PLA standard en termes de résistance à la traction, de rigidité et de capacité de charge maximale.

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