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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 de produire des pièces imprimées en 3D d'une durabilité exceptionnelle tout en restant légères. Mais qu'est-ce qu'un filament de fibre de carbone exactement, et pourquoi les acteurs de l'impression 3D devraient-ils s'y intéresser ? Commençons par les bases.
Histoire et fabrication du filament en fibre de carbone
Alors que le filament en fibre de carbone imprimable en 3D n'en est qu'à ses débuts, les fondations ont été posées à la fin des années 1950. C'est ainsi que débuta l'exploration de la superposition et du tissage de fibres de carbone dans des matériaux en résine renforcée. En 1981, l'industrie produisit les tout premiers vélos et clubs de golf composites utilisant des fibres de carbone fines pour une résistance et une légèreté 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 aligne 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 le matériau infusé de fibres de carbone couche par couche 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. Cette combinaison unique de propriétés permet de concevoir des outils imprimés en 3D plus fonctionnels dans les secteurs 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 abordé les bases de l'évolution des filaments en fibre de carbone imprimables en 3D à partir de composites de qualité aérospatiale, examinons les types spécifiques disponibles aujourd'hui. Il existe plusieurs variétés de fibres de carbone, différenciées par la longueur de leurs fibres et leur méthode de renforcement.
1. Filament court en fibre de carbone
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 réduite facilite l'extrusion et la qualité globale du processus d'impression. Cependant, elle présente certains inconvénients par rapport aux filaments en fibre de carbone plus longs. L'avantage est que la fibre de carbone courte se disperse uniformément et de manière prévisible à travers les couches d'impression, sans risque d'agglutination. Les propriétés isotropes garantissent également une résistance similaire des pièces dans toutes les directions.
Les inconvénients de l'utilisation de filaments courts en fibre de carbone incluent des gains de résistance moins importants que ceux d'autres composites, ainsi que des lignes de couches plus visibles sur les courbes ou les angles inclinés. Les brins courts ont simplement un potentiel de renforcement inférieur à celui des options plus longues.
2. Filament de fibre de carbone long
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 davantage unidirectionnel. Les propriétés anisotropes se traduisent également par des gains de résistance notables, principalement dans le sens de la couche d'impression, par rapport aux propriétés plus compromises aux angles perpendiculaires. La visibilité réduite des couches améliore également l'état de surface des courbes et la qualité des impressions.
Les inconvénients concernent principalement un soin accru pour éviter les obstructions des buses et l’agglutination inégale lorsque les brins les plus longs se regroupent ou s’emmêlent. Trouver les réglages et configurations optimaux est également plus complexe. L'importante variation de la résistance 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 de fibre de carbone renforcés adoptent une approche hybride : ils incorporent des plastiques de base comme l'ABS et le nylon avec des fibres de carbone très courtes pour une résistance dispersée, puis ajoutent des brins de fibre de carbone continus supplémentaires pour encore plus de renforcement.
Cela permet de fortes performances mécaniques similaires aux filaments de fibres longues pures, grâce aux brins de fibres manuels. Mais cela évite les problèmes d'agglomération imprévisibles puisque le matériau de base possède déjà un renfort en 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. Cette simplicité implique toutefois des compromis en termes de résistance maximale par rapport aux filaments à fibres longues pures. Cependant, pour la plupart des applications, l'approche hybride offre 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. Ce matériau résistant et abrasif impose des exigences particulières. Examinons les critères d'adéquation de l'imprimante et les modifications nécessaires à son utilisation.
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 juste pour gérer 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 peut entraîner une impédance ou une défaillance totale de la buse. L'acier trempé est quasiment indispensable.
- Cadre fermé : Les tubes Bowden exposés s'usent également avec le temps, ce qui peut entraîner des problèmes d'alimentation ou des impressions ratées. Des 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 dénudage.
- 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 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 en raison 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 besoin d'effectuer des modifications ou des ajouts.
2. Modifications nécessaires à l'utilisation du filament en fibre de carbone
Pour les imprimantes dépourvues de composants renforcés, mais techniquement performantes, tout espoir n'est pas perdu. Certaines modifications permettent de travailler avec la fibre de carbone :
- Échanges de buses : Remplacez les buses standard par de l'acier trempé.
- Protection Bowden et 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 standard 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.
Grâce à des améliorations progressives et à des précautions pour protéger les composants les plus sollicités, l'impression en fibre de carbone devient plus viable. Pour des résultats plus faciles et une fiabilité durable, opter pour des imprimantes de bureau spécialement conçues avec protection intégrée élimine les tracas et la frustration liés à l'utilisation de 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 du filament en fibre de carbone plutôt que des 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. Ce supplément offre une stabilité dimensionnelle, une qualité de collage des couches visuellement remarquable, une absence de reliefs 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 retrouve 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 de fibre de carbone robustes érodent rapidement les buses, les engrenages et les composants non spécialement renforcés, ce qui limite la compatibilité des imprimantes et 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 excessive 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 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 rencontrés par les composites carbone standard. Cela permet de bénéficier de davantage d'avantages, tout en réduisant les inconvénients habituels.
Conseils pour l'impression 3D avec un filament en fibre de carbone
Nous avons abordé le contexte, les types, les facteurs d'adéquation et les compromis des filaments en fibre de carbone renforcés. Voyons maintenant comment imprimer avec succès ce matériau spécifique sur des imprimantes 3D de bureau. Suivez ces conseils et bonnes pratiques pour une utilisation fluide et efficace des filaments 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 de cordage 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 solides et renforcées 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 sur mesure répondant à des exigences spécifiques que les plastiques de base ne peuvent pas satisfaire. Avec l'émergence de nouveaux filaments renforcés, profitez-en pour étudier les différentes options, moderniser vos imprimantes, optimiser les profils par répétition et, enfin, déterminer les paramètres idéaux pour vos besoins d'application.
6 questions fréquentes sur le filament en fibre de carbone pour l'impression 3D
Q1 : Quelle est la résistance du filament en fibre de carbone ?
UNLe filament en fibre de carbone peut être cinq fois plus résistant que l'acier et l'aluminium. Les pièces imprimées avec ce type de filament offrent une durabilité et une résistance à la charge exceptionnelles, tout en conservant une masse globale très légère.
Q2 : Comment stockez-vous les filaments de fibre de carbone ?
UNStockez le filament de 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.
Q3 : La fibre de carbone imprimée en 3D est-elle meilleure que l'ABS ?
UNOui, 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 meilleure qualité visuelle, avec moins de lignes de couches visibles. En contrepartie, la fibre de carbone est plus fragile.
Q4 : L’impression 3D en fibre de carbone en vaut-elle la peine ?
UNPour les applications exigeant une résistance élevée, un faible poids, une stabilité dimensionnelle et une résistance à la chaleur, la fibre de carbone offre des solutions impossibles à obtenir avec les plastiques classiques. Son utilisation mérite donc d'être explorée. Elle nécessite toutefois des imprimantes optimisées et des paramètres optimisés.
Q5 : Est-il sûr d’imprimer sur de la fibre de carbone ?
UN:Avec une buse et une machine 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.
Q6 : Le filament en fibre de carbone est-il plus résistant que le PLA ?
UN: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.
