カーボンファイバーフィラメントを使用した 3D プリント: 究極のガイド
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カーボンファイバーフィラメントは、3D プリンティングと積層造形において大きな話題となっている新しい素材です。 名前が示すように、この素材にはカーボン ファイバーが使用されています。カーボン ファイバーは、航空宇宙やスポーツで使用される、細い炭素繊維でできた軽量で頑丈な繊維です。このため、カーボン ファイバー フィラメントを使用すると、軽量でありながら優れた耐久性を備えた 3D プリント部品を製造できます。しかし、カーボン ファイバー フィラメントとは一体何であり、3D プリントに携わる人はなぜ気にする必要があるのでしょうか。まずは基本から始めましょう。
炭素繊維フィラメントの歴史と製造
3Dプリント可能な炭素繊維フィラメントは今まさに登場しつつあるが、その基礎は 1950年代後半。 これにより、炭素繊維を積層して織り込み、強化樹脂材料にする最初の研究が行われました。 1981年に早送り - 業界では、前例のない軽量強度を実現するために薄いカーボンファイバーを使用した初の複合自転車とゴルフクラブが生産されました。
近年では、 メーカーは、同じ原理を利用して、デスクトップ 3D プリンターと互換性のある特殊な炭素繊維フィラメントを開発しています。 製造工程では、長い炭素繊維のストランドを ABS やナイロンなどのポリマーベースの材料に並べます。次に、3D プリントにより、デジタル設計に従って炭素繊維を注入した材料を層ごとに積み重ねて部品を構築します。
カーボンファイバーは強度と剛性を高めながら重量を軽減するだけでなく - 熱膨張係数が低いため、温度変動に伴う反りや寸法精度の問題に対処できます。この独自の特性の組み合わせにより、従来の材料では不十分だった自動車、航空宇宙、さらにはスポーツ用品において、より機能的な 3D プリント ツールが可能になります。
炭素繊維フィラメントの種類
3D プリント可能な炭素繊維フィラメントが航空宇宙グレードの複合材からどのように進化したかの基本を説明したので、現在利用可能な特定のタイプを見ていきましょう。炭素繊維の長さと強化方法によって区別されるいくつかの主要な種類があります。
1. 短炭素繊維フィラメント
名前の通り、 このフィラメントに含まれる炭素繊維は小さく、長さは通常 0.1 ～ 0.7 mm 程度です。 短い毛束と長い毛束を比較して考えてみましょう。
短い長さは押し出しと全体的な印刷プロセスの品質に役立ちます。ただし、長いカーボン ファイバー フィラメントと比較すると、いくつかのトレードオフがあります。プラス面としては、短いカーボン ファイバーは、繊維がスポット状に集まるリスクがなく、印刷層全体に均一かつ予測どおりに分散します。等方性特性により、部品はすべての方向で同様の強度を持ちます。
短い炭素繊維フィラメントを使用することの欠点としては、他の複合材に比べて強度がそれほど向上しないこと、また傾斜した曲線や角度で層の線が目立ちやすいことが挙げられます。短い繊維は、長い繊維よりも単純に補強効果が低いのです。
2. 長い炭素繊維フィラメント
名前の通り、 長い炭素繊維フィラメントは、長さがおよそ 6 ～ 12 mm の髪の毛のような炭素繊維ストランドを使用します。 繊維が長くなると、補強効果は高まりますが、適切に最適化されていない場合は、分散が不均一になる可能性が高くなります。
利点としては、より一方向の炭素繊維強化を反映した、並外れた強度対重量比が挙げられます。 異方性特性は、垂直角度では特性が損なわれるのに対し、主に印刷層の方向に沿った強度が著しく向上することを意味します。層の可視性が低いため、曲線や高品質の印刷物の表面仕上げも向上します。
主な欠点は、長い糸が束になったり絡まったりしてノズルが詰まったり、不均一に固まったりしないように注意する必要があることです。 最適な設定と構成を見つけることも難しくなります。方向性のある強度の偏りが大きいため、機能部品を設計する際には荷重方向を考慮する必要があります。
3. 強化炭素繊維フィラメント
強化カーボンファイバーフィラメントはハイブリッドアプローチを採用しており、ABS やナイロンなどのベースラインプラスチックに非常に短いカーボンファイバーを注入して強度を分散させ、さらに連続カーボンファイバーストランドを追加して強化します。
これにより、手作業による繊維ストランドのおかげで、純粋な長繊維フィラメントと同様の強力な機械的性能が実現します。 しかし、ベース材料にはすでに均一に分散された短繊維強化材が基礎として含まれているため、予期しない凝集の問題は回避されます。
結果として、 強化ブレンドにより、初心者ユーザー向けに強度と視覚品質を最適化しながら印刷が容易になります。 この容易さには、純粋な長繊維フィラメントと比較した場合の最大強度のトレードオフが伴います。しかし、ほとんどの用途では、ハイブリッド アプローチが理想的なバランスをもたらします。
どの 3D プリンターでもカーボンファイバーフィラメントを使用できますか?
カーボンファイバーフィラメントは 3D プリントをサポートするために特別に設計されている場合もありますが、すべてのデスクトップ プリンターですぐに使用できるとは限りません。 丈夫で研磨性のある素材には、いくつかの独特な要求があります。プリンターの適合性要因と、カーボン ファイバー フィラメントを使用するために必要な変更について詳しく見ていきましょう。
1. カーボンファイバーフィラメントのプリンター適合性
カーボンファイバーフィラメントは、その研磨性と、ゆっくりと確実に重要な部品を侵食する性質のため、基本的な機能を処理するだけでも、互換性のある硬化部品で作られたプリンターが必要です。
- 硬化鋼ノズル: 標準的な真鍮ノズルは、硬い炭素繊維による摩耗で急速に摩耗し、抵抗が生じたり、ノズル全体が故障するリスクがあります。硬化鋼が必須です。
- 囲まれたフレーム: 露出したボウデン チューブも時間の経過とともに摩耗し、フィードの問題や印刷の失敗の原因になります。密閉されたフレームがチューブを保護します。
- 強化された押出機ギア: 供給剛性には、剥離せずにグリップを維持するために、耐摩耗性金属で作られた押出機ギアが必要です。
- 加熱ベッド: 反りやベッド接着の問題により、第 1 層のトラクションを向上させるために、100 ̊C 以上の加熱が可能なプリント ベッドが必要になります。
これらの最小仕様を満たしていないプリンターでは、摩耗によりコンポーネントが急速に劣化して故障することなく、箱から出してすぐに機能するカーボンファイバー部品を確実に印刷することはできません。QIDI Tech 3D プリンターには、真鍮製ノズルと硬化鋼製ノズルの両方が含まれています。 これにより、ユーザーは変更や追加をすることなく、標準フィラメントとカーボンファイバーフィラメントを印刷できます。
2. 炭素繊維フィラメントの使用に必要な変更
強化コンポーネントが搭載されていないが、技術的に可能なプリンターの場合、希望が失われるわけではありません。いくつかの変更により、カーボン ファイバーを扱えるようになります。
- ノズル交換: 標準ノズルを硬化鋼に交換します。
- ボウデンとフレームの保護: シールドチューブや延長部分にスリーブなどの予防措置を追加します。
- 押出機ギアのアップグレード: 長期的には標準ギアを金属製の代替品に交換します。
- 表面の準備: 追加の接着ソリューションにより、加熱ベッドの不足を補える場合もあります。
最も摩耗しやすい部品を保護するために注意を払い、段階的にアップグレードすることで、カーボンファイバー印刷はより実現可能になります。しかし、最も簡単な結果と持続的な信頼性のためには、統合保護機能が組み込まれた専用のデスクトップ プリンターを選択すると、気まぐれなカーボン ファイバー フィラメントを扱う際の面倒やストレスが軽減されます。
3D プリントにカーボンファイバーフィラメントを選択する理由
製造プロセス、カーボンファイバーフィラメントの種類、プリンターの互換性に関する考慮事項について説明しましたので、次に決定ポイントについて検討してみましょう。 炭素繊維フィラメントを使用する理由 従来の 3D プリント材料と比べてどうでしょうか? 強化炭素繊維フィラメントにはどのような独自の利点と欠点がありますか?
1. 炭素繊維フィラメントを使用する利点
炭素繊維複合材は、ベースラインプラスチックにはない 4 つの主な利点をもたらします。
- 強度と剛性:炭素繊維で印刷された部品は、鋼鉄やアルミニウムなどの金属よりも最大 5 倍も強度と重量の比が優れており、全体の質量を非常に軽く保ちながら、優れた耐久性と耐荷重性を備えています。
- 寸法安定性: 剛性カーボンファイバー強化により熱膨張係数が極めて低いため、印刷された部品は 1% 以上膨張または収縮することなく、広範囲の周囲温度にわたって正確な許容範囲を維持します。
- 視覚品質: カーボン ファイバー ストランドは、第 1 層の牽引力と、それに続く印刷層間の接着力を強化します。これにより、目に見える段差がなく、表面仕上げが改善された、優れた視覚的な層結合品質によって寸法安定性が強化されます。
- 耐熱性と耐炎性: 航空宇宙やモータースポーツですでに利用されているカーボンファイバーは、耐薬品性が高く、印刷された部品は軟化するまでに 150°C を超える非常に高い温度に耐え、不燃性も備えています。
超軽量の強度を活かし、温度や化学劣化に耐えるカーボンファイバーフィラメントは、ありふれた用途をはるかに超えた用途を可能にします。 PLAとABS 家庭用プラスチックにはまったく見られない特性を備えています。
2. 炭素繊維フィラメントの欠点
ただし、これらの切望されたパフォーマンス上の利点を実現するには、考慮すべきいくつかの実際的な欠点も伴います。
- 研磨性: 頑丈なカーボンファイバーの繊維は、ノズル、ギア、および特別に強化されていないコンポーネントを急速に侵食し、幅広いプリンタの互換性を制限し、 部品の寿命。
- 脆さと剛性: 炭素繊維複合材は強くて硬いが、柔軟性と耐衝撃性に欠け、ABSやBSのように一時的に曲がるのではなく、過度の力がかかると突然破損してしまう。 ナイロン。
- 導電率: 熱伝導率と電気伝導率が高いため、熱制御がない場合には密閉型印刷が複雑になり、過熱や短絡の危険があります。
反りを最小限に抑えるスマートな繊維強化、低吸湿性、密度、耐摩耗性を備えた QIDI TechのPA12-CFカーボンファイバーフィラメント 標準的な炭素複合材が抱える脆さ、熱伝導性、摩耗性の問題に対する優れたソリューションを提供します。これにより、一般的な欠点を減らしながら、前述の利点をさらに多く得ることができます。
カーボンファイバーフィラメントを使った3Dプリントのヒント
強化炭素繊維フィラメントの背景、種類、適合性要因、トレードオフについて説明しました。それでは、デスクトップ 3D プリンターを使用してこの特殊な材料で印刷を成功させる方法について詳しく説明しましょう。カーボン ファイバー フィラメントをスムーズかつ効果的に使用するには、次のヒントとベスト プラクティスに従ってください。
- 印刷速度が遅い: 硬い材料は流れにくいので、押し出しを容易にするために速度を 30 ～ 50% 落とします。45 ～ 80 mm/s が適しています。
- 印刷温度を最大化:熱によりノズルからのフィラメントの流れが柔らかくなるため、ホットエンドの安全定格の上限まで押し上げると、詰まりのリスクなしに押し出しが容易になります。 250〜320℃が理想的です。
- 密閉式加熱チャンバー: 印刷領域を断熱し、補助熱を導入して周囲温度を高く保ちます。 QIDI Tech 3Dプリンター アクティブ加熱制御を備えた高度な密閉チャンバーを備えています。 これにより、流れがさらにスムーズになり、部品の反りが防止されます。50〜80 ̊C が推奨されます。
- 撤回設定を有効にする:硬い複合材でよく見られる過剰な滲み出しから生じる糸引きの問題を軽減するために、印刷移動の合間にフィラメントをわずかに引き戻します。
- ベッドを完璧に水平にする: 他のプラスチックに比べてカーボンファイバーのベッド牽引力が低下しているため、最初の層の圧縮とプラットフォームの水平を再検証して、適切な接着力を確保します。
カーボンファイバーの背後にある材料科学からの変数を考慮し、テストプリントに基づいて反復し、練習を重ねるうちに、美しく強固な強化プリントを実現することがより簡単になります。
3D プリントのニーズに合わせてカーボン ファイバーの可能性を解き放ちましょう。
カーボン ファイバーは、通常のプラスチックでは不可能な、軽量で耐久性があり、耐熱性のある部品の 3D プリントの新しい可能性を開きます。標準材料ほど単純ではありませんが、カーボン ファイバーは、ベース プラスチックでは実現できない特定の要求を満たすカスタマイズされたソリューションの開発への扉を開きます。強化されたフィラメントがさらに登場するにつれて、オプションを調査し、プリンターをアップグレードし、繰り返してプロファイルを最適化し、最終的にアプリケーションのニーズに最適なパラメーターを見つけることで、メリットを享受できます。
3Dプリント用カーボンファイバーフィラメントに関するよくある質問
Q: カーボンファイバーフィラメントの強度はどのくらいですか?
A: カーボンファイバーフィラメントは、重量でスチールやアルミニウムの 5 倍の強度があります。カーボンファイバーフィラメントで印刷された部品は、全体の質量が非常に軽く、優れた耐久性と耐荷重性を備えています。
Q: カーボンファイバーフィラメントはどのように保管しますか?
A: カーボンファイバーフィラメントは湿気を避けて涼しく乾燥した場所に保管してください。理想的な保管条件は、18～25°C、相対湿度35～55%です。温度変化や直射日光を避けてください。
Q: 3D プリントされたカーボンファイバーは ABS よりも優れていますか?
A: はい、カーボンファイバーフィラメントは一般に ABS プラスチックよりも強度と剛性に優れています。また、熱膨張率が低く、耐熱性に優れ、層状の線が目立たず見た目の品質も向上しています。ただし、カーボンファイバーはより脆いという欠点があります。
Q: カーボンファイバー 3D プリントは価値がありますか?
A: 高強度、軽量、寸法安定性、耐熱性が求められる用途では、カーボン ファイバーは通常のプラスチックでは不可能なソリューションを実現できるため、検討する価値があります。ただし、より最適化されたプリンターと調整された設定が必要になります。
Q: カーボンファイバーに印刷しても安全ですか?
A: 研磨材に対応できるように適切なノズルとマシンをアップグレードすれば、カーボン ファイバー フィラメントの印刷は安全です。他の 3D 印刷材料と同様に、適切な換気をお勧めします。
Q: カーボンファイバーフィラメントは PLA よりも強度がありますか?
A: はい、炭素繊維強化フィラメントは、引張強度、剛性、最大耐荷重の点で標準 PLA よりもはるかに強力です。