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 en fibre de carbone de produire des pièces imprimées en 3D avec une durabilité exceptionnelle tout en restant légères. Mais qu'est-ce que le 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

Bien que le filament en fibre de carbone imprimable en 3D ne fasse son apparition que maintenant, les bases ont été posées à la fin des années 1950. C'est à cette époque qu'a eu lieu la première exploration de la superposition et du tissage de fibres 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 légère sans précédent.

Au cours des dernières années, les fabricants ont exploité ces mêmes principes pour développer des filaments en fibre de carbone spécialisés compatibles avec les imprimantes 3D de bureau. Le processus de production consiste à aligner de longs brins de fibres de carbone dans un matériau de base polymère comme l'ABS ou le nylon. L'impression 3D construit ensuite des pièces en déposant couche par couche le matériau imprégné de fibres 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 déformation et de précision dimensionnelle liés aux fluctuations de température. Ce mélange unique de propriétés permet de fabriquer 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 sont insuffisants.

Types de filaments en fibre de carbone

Maintenant que nous avons couvert les bases de l'évolution des filaments en 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 base différenciées par la longueur de la fibre de carbone et la méthode de renforcement.

1. Filament en fibre de carbone court

Comme son nom l'indique, 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 longueur courte facilite l'extrusion et la qualité globale du processus d'impression. Mais elle présente certains inconvénients par rapport aux filaments en fibre de carbone plus longs. Le point positif est que la fibre de carbone courte se disperse uniformément et de manière prévisible à travers les couches d'impression sans risque de regroupement de fibres par endroits. Les propriétés isotropes signifient également que les pièces ont des résistances similaires dans toutes les directions.

Les inconvénients de l'utilisation de filaments courts en fibre de carbone sont notamment des gains de résistance moins spectaculaires par rapport aux autres composites, ainsi que des lignes de couches plus visibles sur les courbes ou les angles inclinés. Les brins courts ont simplement moins de potentiel de renforcement que les options plus longues.

2. Filament en fibre de carbone longue

Fidèle à son nom encore une fois, Les longs filaments de fibres de carbone utilisent des brins de fibres de carbone ressemblant davantage 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 optimisées correctement.

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

Les inconvénients concernent principalement des précautions accrues pour éviter les obstructions des buses et l’agglutination inégale lorsque les brins les plus longs se regroupent ou s’emmêlent. Il est également plus difficile de trouver les paramètres et configurations optimaux. La forte variation de la force directionnelle nécessite de prendre en compte la direction de la charge lors de la conception des pièces fonctionnelles.

3. Filament en fibre de carbone renforcé

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

Cela permet d'obtenir de fortes performances mécaniques similaires aux filaments de fibres longues pures grâce aux brins de fibres manuels. Mais cela évite les problèmes d'agglutination imprévisibles puisque le matériau de base possède déjà un renfort en fibres courtes uniformément dispersé comme fondation.

Par conséquent, les mélanges renforcés facilitent l'impression tout en optimisant la résistance et la qualité visuelle pour les utilisateurs plus novices. Cette simplicité implique toutefois quelques compromis en termes de résistance maximale par rapport aux filaments à fibres longues pures. Mais pour la plupart des applications, l'approche hybride apporte un équilibre idéal.

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

Les filaments en fibre de carbone peuvent être spécialement conçus pour la prise en charge de l'impression 3D, mais toutes les imprimantes de bureau ne peuvent pas nécessairement les utiliser dès leur sortie de la boîte. Le matériau résistant et abrasif pose des exigences particulières. Décomposons les facteurs d'adéquation de l'imprimante et les éventuelles modifications nécessaires à l'utilisation du filament en fibre de carbone.

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

En raison de l'abrasivité du matériau et de sa tendance à éroder lentement mais sûrement les composants vitaux, le filament en fibre de carbone nécessite des imprimantes fabriquées avec des pièces durcies compatibles pour gérer uniquement les fonctionnalités de base :

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

Les imprimantes qui ne disposent 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 s'usent très rapidement jusqu'à tomber en panne 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 standards et en fibre de carbone sans avoir besoin d’effectuer 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 avec de la fibre de carbone :

• Échanges de buses : Remplacez les buses standard par de l'acier trempé.
• Protection du Bowden et du cadre : Ajoutez des précautions telles que des gaines pour protéger les tubes et les extensions.
• Mises à niveau de l'engrenage de l'extrudeuse : Remplacez les engrenages standards par des alternatives en métal à long terme.
• Préparation de la surface : Des solutions d’adhésion supplémentaires peuvent parfois compenser l’absence de lits chauffants.

Avec soin et des mises à niveau progressives pour protéger les composants les plus sujets à l'usure, l'impression en fibre de carbone devient plus viable.Mais pour 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 vous travaillez avec des filaments en fibre de carbone capricieux.

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

Maintenant que nous avons couvert les processus de fabrication, les types de filaments en fibre de carbone et les considérations de 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 renforcés ?

1. Avantages de l'utilisation de filaments en fibre de carbone

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

• Résistance et rigidité :Avec des rapports résistance/poids dépassant même les métaux comme l'acier et l'aluminium jusqu'à 5 fois, les pièces imprimées en fibre de carbone offrent une durabilité et une résistance à la charge remarquables tout en conservant une masse globale très légère.
• Stabilité dimensionnelle : Le coefficient de dilatation thermique extrêmement faible grâce au renfort rigide en fibre de carbone signifie que les pièces imprimées maintiennent 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'adhérence ultérieure entre les couches d'impression. Cela complète la stabilité dimensionnelle avec une superbe qualité de liaison visuelle des couches sans marches visibles et des finitions de surface améliorées.
• Résistance à la chaleur et aux flammes : Déjà utilisée dans l'aérospatiale et le sport automobile, la haute résistance chimique de la fibre de carbone permet d'obtenir des pièces imprimées résistant à des températures extrêmement élevées dépassant 150°C avant de ramollir ainsi que des caractéristiques ininflammables.

Qu'il s'agisse de tirer parti d'une résistance extrême à la légèreté ou de résister à la température ou à la dégradation chimique, les filaments en fibre de carbone permettent des applications bien au-delà des applications courantes. PLA et ABS imprime grâce à des propriétés que l'on ne trouve tout simplement pas dans les plastiques ménagers.

2. Inconvénients du filament en fibre de carbone

Cependant, la réalisation de ces avantages de performance tant convoités 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 renforcés, ce qui limite la compatibilité et la fiabilité des imprimantes. 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, se brisant soudainement sous une force trop importante plutôt que de se plier temporairement comme l'ABS ou nylon.
• Conductivité: La conductivité thermique et électrique élevée peut compliquer l'impression en circuit fermé en l'absence de contrôles thermiques, risquant ainsi une surchauffe ou des courts-circuits.

Avec son renfort en fibres intelligentes minimisant le gauchissement, 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 offre une excellente solution aux problèmes de fragilité, de conductivité thermique et d'abrasivité auxquels sont confrontés les composites de carbone standard. Cela permet de bénéficier d'un plus grand nombre des avantages mentionnés ci-dessus 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 en 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.

• Réduction des vitesses d'impression lentes : Le matériau rigide résiste à l'écoulement facile, réduisez donc les vitesses de 30 à 50 % pour faciliter l'extrusion. 45 à 80 mm/s fonctionnent bien.
• Maximiser les températures d'impression :La chaleur adoucit le flux de filament provenant de la buse, alors poussez jusqu'aux limites supérieures de la cote de sécurité de votre extrémité chaude pour une extrusion plus facile sans risquer de bourrage. 250‒320 ̊C est idéal.
• Chambre chauffée fermée : Isolez la zone d’impression et introduisez de la chaleur supplémentaire pour maintenir les températures ambiantes élevées. Imprimantes 3D QIDI Tech disposent d'une chambre fermée avancée avec contrôle de chauffage actif. Cela facilite encore davantage l'écoulement et empêche la déformation des pièces. Une température de 50 à 80 ̊C est recommandée.
• Activer les paramètres de rétractation :Retirez légèrement le filament entre les déplacements d'impression pour atténuer les problèmes d'enfilage résultant de l'excès de suintement courant avec les composites rigides.
• Niveler parfaitement le lit : Revérifiez l'écrasement de la première couche et le nivellement de la plate-forme pour garantir une adhérence appropriée à la traction réduite du lit en 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 impressions de test, et obtenir de belles impressions renforcées et solides devient plus simple au fil du 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 à réaliser avec les plastiques classiques. Bien que moins simple que les matériaux standards, la fibre de carbone ouvre la voie au développement de solutions personnalisées répondant à des exigences particulières que les plastiques de base ne peuvent pas satisfaire. À mesure que de plus en plus de filaments renforcés apparaissent, profitez-en pour étudier les options, mettre à niveau les imprimantes, optimiser les profils par répétition et, finalement, découvrir 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 à la charge exceptionnelles tout en conservant une masse globale très légère.

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

R : Conservez les filaments en fibre de carbone dans un endroit frais et sec, à l'abri de l'humidité. Les conditions de stockage idéales sont d'environ 18 à 25 °C et 35 à 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 solide 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 couches 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 avec les plastiques classiques, il vaut donc la peine d'explorer cette possibilité. Cela nécessite des imprimantes plus optimisées et des paramètres plus précis.

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

R : Avec des buses et des machines adaptées pour gérer le matériau abrasif, l'impression de filaments en fibre de carbone est sûre. Une ventilation adéquate 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 en fibre 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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