Một cái nhìn sâu sắc về các loại sợi carbon dùng cho in 3D
Các loại sợi carbon dùng cho in 3D đang thay đổi trò chơi khi nói đến việc in các bộ phận nhẹ và bền. Bằng cách kết hợp các sợi carbon ngắn với các nhựa in 3D tiêu chuẩn như ABS, PLA và nylon, các vật liệu tổng hợp sợi carbon giữ được tính dễ in trong khi tăng tính chịu lực cơ học.
Trong bài viết toàn diện này, chúng ta sẽ khám phá mọi thứ bạn cần biết về các loại sợi in 3D bằng carbon, bao gồm:
Mục lục
- 1 Các sợi carbon là gì?
- 2 Các tính chất chính của các sợi Carbon Fiber
- 3 Tại sao sử dụng sợi carbon cho in 3D?
- 4 Các yêu cầu phần cứng cho các sợi Carbon Fiber
- 5 In với các vật liệu cho in 3D Carbon Fiber
- 6 Các vật liệu in 3D Carbon Fiber phổ biến
- 7 Sợi carbon liên tục so với sợi ngắn
- 8 Các thương hiệu sợi carbon hàng đầu
- 9 Bảng so sánh các sợi carbon
- 10 Ví dụ in 3D carbon thực tế
- 11 Kết luận về các sợi carbon
Các sợi carbon là gì?
Các sợi carbon (carbon fiber) dùng cho in 3D bao gồm các sợi carbon ngắn, dài vài milimet, được kết hợp với một vật liệu nhựa gốc. Điều này khác với các sợi carbon liên tục được sử dụng trong sản xuất ô tô và hàng không vũ trụ.
Các sợi carbon ngắn đóng vai trò là vật liệu tăng cường khi được pha trộn với nhựa gốc. Carbon tăng cường đáng kể độ bền, độ cứng và độ ổn định kích thước của nhựa gốc.
Các loại nhựa gốc phổ biến được sử dụng trong các sợi in 3D carbon bao gồm:
- PLA
- ABS
- Nylon (Polyamide)
- PETG
- Polycarbonate
Các vật liệu này cũng là các vật liệu in 3D phổ biến nhất. Các sợi carbon ngắn cho phép các sợi có thể đùn ép trên các máy in lắng đọng chất nóng chảy tiêu chuẩn. Các sợi sẽ căn chỉnh theo chiều dài của sợi, sau đó căn chỉnh theo các lớp in khi đùn ép, tăng cường phần in.
Hàm lượng sợi carbon thường từ 10-30% theo khối lượng, với hàm lượng sợi cao hơn sẽ mang lại độ bền tốt hơn, nhưng cũng khó khăn hơn trong việc in. Điều quan trọng là tìm được sự cân bằng phù hợp.
Các tính chất chính của các sợi Carbon Fiber
Việc tăng cường carbon cho phép hỗn hợp sợi tổng hợp có một số tính chất được cải thiện so với nhựa thuần:
Độ bền cao – Tỷ lệ độ bền/khối lượng tuyệt vời, mạnh hơn thép theo khối lượng. Cho phép các bộ phận nhẹ và hiệu suất cao.
Độ cứng – Độ cứng cực đại của sợi carbon dẫn đến độ cứng và giữ hình dáng tốt hơn của các bộ phận dưới tải. Giúp các bộ phận in đạt độ chính xác cao.
Trọng lượng thấp – Khối lượng riêng thấp hơn kim loại cùng với độ bền giúp các bộ phận sợi carbon rất nhẹ.
Khả năng chịu nhiệt – Sợi carbon có điểm nóng chảy rất cao (trên 3000°C), tăng hiệu suất nhiệt so với các loại nhựa tiêu chuẩn.
Khả năng chống mài mòn – Phần tăng cường carbon cải thiện khả năng chống mài mòn cho các ứng dụng có ma sát.
Khả năng chống hóa chất – Kế thừa các mức độ kháng hóa chất của nhựa gốc.
Độ ổn định kích thước được cải thiện – Việc pha trộn carbon giảm co rút và biến dạng, cho phép các bộ phận chính xác, phức tạp về hình học.
Tại sao sử dụng sợi carbon cho in 3D?
Dưới đây là một số lợi ích và ứng dụng chính mà các sợi tăng cường carbon cho máy in 3D vượt trội:
- Các bộ phận nhẹ và bền – Rất tốt cho drone, xe điều khiển từ xa, thiết bị thể thao, hàng không vũ trụ.
- Thay thế kim loại – Sợi carbon có thể thay thế các bộ phận nhôm và thép trong khi nhẹ hơn.
- Nguyên mẫu chức năng – Kiểm tra hình dạng, khớp nối và hiệu suất chức năng.
- Công cụ – In các khuôn mẫu, đồ gá và công cụ tay robot bền.
- Ứng dụng nhiệt độ cao – Khả năng chịu nhiệt và sốc nhiệt tuyệt vời.
- Khả năng chống hóa chất – Được sử dụng cho các ứng dụng công nghiệp và kiểm tra tương thích hóa chất.
- Độ chính xác kích thước – Ít biến dạng cho phép các bộ phận phức tạp, chính xác về mặt hình học.
- Hoàn thiện bề mặt – Ít vân lớp hơn so với các loại nhựa tiêu chuẩn, dễ hoàn thiện hơn.
Các ứng dụng phổ biến bao gồm các nguyên mẫu ô tô, các bộ phận hàng không vũ trụ, công cụ công nghiệp, các bộ phận drone/RC, thiết bị thể thao và các bộ phận sản xuất cuối cùng trong nhiều lĩnh vực khác. Các tính chất cơ học được tối ưu hóa khiến sợi carbon là một lựa chọn hàng đầu cho các ứng dụng đòi hỏi cao.
Các yêu cầu phần cứng cho các sợi Carbon Fiber
Trong khi quy trình in cho các sợi carbon tương tự như các loại nhựa tiêu chuẩn, phần tăng cường carbon yêu cầu một số cân nhắc đặc biệt:
- Vòi phun thép tôi – Các sợi carbon nhanh chóng mòn vòi phun đồng. Thép tôi được khuyến nghị mạnh mẽ. Một số sử dụng vòi phun ruby như một lựa chọn thay thế.
- Nhiệt độ cao hơn – Cần nhiều nhiệt hơn để đùn ép sợi một cách sạch sẽ. In nóng hơn 15-20°C so với nhựa gốc.
- Máy in kín – Vỏ máy in giúp duy trì môi trường in nhất quán.
- Giường nóng – Nhiệt độ giường cao lên đến 110°C giúp dính trong khi in.
- Vòi lớn hơn (> 0,4 mm) – Các sợi có thể bị tắc ở các đường kính vòi nhỏ hơn. Sử dụng các vòi có đường kính 0,5mm hoặc lớn hơn.
- Tốc độ chậm hơn – In chậm hơn 20-30% so với các cài đặt nhựa FDM tiêu chuẩn. Giúp giảm nhỏ giọt và rỉ.
Tuân theo các nguyên tắc này giúp tránh các vấn đề phổ biến như nghẹt và dính giường kém khi in các vật liệu tổng hợp sợi carbon.
In với các vật liệu cho in 3D Carbon Fiber
Dưới đây là một số mẹo in chung tốt nhất cho các sợi tăng cường carbon:
- Thực hiện hiệu chỉnh estep và điều chỉnh pid để tinh chỉnh máy đùn.
- Làm phẳng giường tốt và sử dụng keo nếu cần để dính tối đa lớp đầu tiên.
- In lớp đầu tiên chậm ở 10-15mm/s.
- Giữ tốc độ trong khoảng 40-60mm/s để có chi tiết và độ bền tốt nhất.
- Sử dụng chiều cao lớp 0,2-0,3mm để dính lớp tối ưu.
- In ở nhiệt độ vòi nóng hơn 15-20°C so với vật liệu gốc.
- Sử dụng tốc độ quạt 100% nếu có quạt làm mát.
- Giảm nhỏ để tránh tắc nghẽn chỉ 1-2mm.
- Thêm vỏ silicon lên vòi để ngăn chặn sự tích tụ.
- Giảm tốc độ các thành ngoài để giảm nhỏ giọt/rỉ.
Tuân theo các nguyên tắc này sẽ giúp bạn đạt được các bộ phận in sợi carbon sạch và chắc khỏe. Hãy xem một số vật liệu sợi carbon phổ biến tiếp theo.
Các vật liệu in 3D Carbon Fiber phổ biến
Có một số tùy chọn nhựa gốc được sử dụng trong các sợi thương mại carbon cho máy in 3D, mỗi loại có các tính chất khác nhau. Dưới đây là một số loại phổ biến nhất.
Nylon Carbon
Nylon được sử dụng rộng rãi nhờ khả năng dính tuyệt vời giữa các lớp, khả năng chống mài mòn, độ bền và độ cứng khi va đập cao. Khi kết hợp với sợi carbon nó trở nên còn mạnh mẽ hơn và đạt được độ ổn định kích thước được cải thiện.
Nylon carbon cung cấp:
- Khả năng liên kết các lớp tuyệt vời.
- Khả năng chống mài mòn và chịu mòn.
- Độ bền và độ dẻo.
- Độ ổn định kích thước.
Nhược điểm chính của nylon là xu hướng hấp thụ ẩm và chảy nhỏ giọt liên quan. Lưu trữ và sấy khô thích hợp trước khi in được khuyến nghị.
Nylon CF là một lựa chọn hàng đầu cho nguyên mẫu chức năng và các bộ phận sử dụng cuối có khả năng chịu được các ứng suất và mài mòn cao.
ABS Carbon
ABS được biết đến với độ bền, độ dẻo, khả năng chống va đập và khả năng chịu nhiệt tốt hơn so với PLA. Khi được tăng cường bằng sợi carbon nó trở nên còn mạnh mẽ và cứng hơn.
ABS – CF cung cấp:
- Độ bền cơ sở tuyệt vời.
- Khả năng chịu nhiệt được cải thiện.
- Khả năng liên kết lớp tuyệt vời.
- Độ cứng cao hơn so với ABS tiêu chuẩn.
ABS đòi hỏi nhiệt độ in cao hơn và buồng in được làm nóng để đạt kết quả tốt nhất. Quạt làm mát nên được tránh với ABS CF.
Nhìn chung, các sợi ABS – CF dễ in và có thể tạo ra các bộ phận rất chắc khỏe, chức năng trong khi kháng lại nhiệt và hóa chất.
PLA Carbon
PLA là vật liệu in 3D phổ biến nhất, nổi tiếng với ít biến dạng, hoàn thiện bề mặt tốt và nhiều tùy chọn màu sắc và vật liệu. Nó khá yếu so với các nhựa kỹ thuật, vì vậy việc bổ sung carbon thực sự tăng mạnh độ bền của PLA.
Các lợi ích của PLA CF bao gồm:
- Rất dễ in.
- Cải thiện liên kết lớp so với PLA thuần.
- Mạnh và chịu nhiệt hơn nhiều.
Nhược điểm là ít bền hơn so với các vật liệu khác và vẫn dễ bị hư hại do tia UV. Nhưng để in các bộ phận carbon sợi và hoàn thiện bề mặt tốt, PLA – CF là lựa chọn lý tưởng.
Sợi carbon liên tục so với sợi ngắn
Không phải tất cả các in 3D carbon sử dụng các sợi ngắn. In sợi carbon liên tục đùn ra các sợi dài hơn để đạt độ bền tối đa.
Sợi carbon liên tục – Sử dụng các sợi carbon dài hơn, liên tục trong sợi, thay vì các đoạn ngắn. Giữ được độ bền tối đa của carbon, nhưng khó đùn ra mà không bị nghẹt vòi.
Sợi carbon ngắn – Các đoạn ngắn của sợi carbon, thường dài 0,1-0,7 mm. Cho phép đùn ép thông qua các vòi tiêu chuẩn nhưng làm giảm độ bền so với sợi liên tục.
In sợi carbon liên tục đòi hỏi các hệ thống đùn ép đặc biệt để xử lý các sợi dài mà không bị tắc nghẽn hoặc đứt. Điều này bao gồm:
- Hệ thống đùn kép – Một máy đùn ép in nhựa gốc, trong khi máy thứ hai đùn ra các sợi carbon liên tục dọc theo các đường gánh tải chính.
- Các sợi thấm ướt – Các sợi carbon dài được thấm ướt trước vào một vật liệu sợi như nylon hoặc PEKK. Việc thấm ướt cho phép các sợi dài chảy qua vòi.
- Quấn sợi – Các sợi carbon được quấn quanh / dọc theo một lõi vật liệu sợi.
Sợi carbon liên tục cho phép độ bền tối đa của bộ phận tương tự như sản xuất ô tô và hàng không. Nhưng thiết bị chuyên dụng có chi phí cao hơn. Các sợi carbon ngắn cung cấp sự cân bằng tốt giữa độ bền được cải thiện, in dễ dàng hơn và chi phí thấp hơn.
Các thương hiệu sợi carbon hàng đầu
Nhiều công ty cung cấp các sợi tăng cường carbon. Dưới đây là một số thương hiệu hàng đầu:
Markforged – Markforged đi tiên phong trong các sợi carbon ngắn với công nghệ Chế tạo vải sợi liên tục độc quyền của họ. Nylon CF và Onyx CF của họ là những sản phẩm hàng đầu.
3DXTech – Một loạt các sợi tăng cường carbon, bao gồm PETG, PLA, ABS, nylon và nhiều loại khác. Các sợi chất lượng được sản xuất tại Mỹ.
Polymaker – PC-CF Polymaker là một sợi tuyệt vời polycarbonate – sợi carbon. In dễ dàng với liên kết lớp tốt.
Matterhackers – Cung cấp sợi NylonX carbon riêng của họ được tối ưu hóa cho máy in Pulse 3D. Độ bền và khả năng chống mài mòn tốt.
Kimya – Các hỗn hợp sợi carbon PEEK và PEKK cấp cao có thể chịu được nhiệt độ trên 240°C. Dành cho các ứng dụng cực hạn.
Ngoài ra còn có nhiều thương hiệu khác cung cấp các sợi FDM tăng cường carbon, cung cấp một loạt các tùy chọn vật liệu.
Bảng so sánh các sợi carbon
Dưới đây là bảng so sánh các sợi tăng cường carbon phổ biến và các thuộc tính của chúng:
| Sợi | Độ bền | Độ cứng | Độ khó in | Giá |
|---|---|---|---|---|
| Nylon CF | Xuất sắc | Cao | Trung bình | $$$ |
| ABS CF | Rất tốt | Rất cao | Dễ | $$ |
| PETG CF | Tốt | Cao | Dễ | $$ |
| PLA CF | Rất tốt | Trung bình | Rất dễ | $ |
| PC CF | Xuất sắc | Rất cao | Trung bình | $$$ |
| PEEK CF | Xuất sắc | Rất cao | Khó | $$$$ |
Ví dụ in 3D carbon thực tế
Hãy xem một số ứng dụng mẫu sử dụng các sợi carbon ngắn và liên tục:
Khung drone
- Sợi nylonX CF
- Tỷ lệ độ bền/khối lượng lý tưởng cho drone
- Khả năng liên kết lớp tuyệt vời cải thiện độ bền
Bộ phận ô tô
- Markforged Onyx CF
- Các sợi carbon liên tục
- Thay thế nhôm được gia công có trọng lượng chỉ bằng một nửa
Đường khí nạp động cơ ô tô bằng vật liệu in 3D PA-carbon fiber
Công cụ công nghiệp
- Sợi PC CF
- Khả năng chịu nhiệt và hóa chất tuyệt vời
- Độ ổn định kích thước tuyệt vời cho độ chính xác công cụ
Bộ phận xe đạp
- Hỗn hợp PLA CF
- Tăng mạnh độ bền so với PLA tiêu chuẩn
- Quy trình in dễ dàng
Kết luận về các sợi carbon
Độ bền, độ cứng và khả năng chịu nhiệt được tăng cường của các sợi carbon mở ra những cánh cửa mới cho các ứng dụng in 3D hiệu suất cao.
Bằng cách hiểu rõ các lựa chọn vật liệu khác nhau, các yêu cầu quy trình in và các lợi ích độc đáo của các nhựa tăng cường carbon, bạn có thể đưa khả năng in 3D của mình lên một tầm cao mới.
Nguồn tham khảo:
