3D列印材料應用

玻璃與碳纖維複合材料 您應該選擇哪種 3D 列印材料？

璃和碳纖維複合材料都通過增強部件的機械性能來擴展熔絲製造 (FFF) 3D 列印的多功能性。

例如，通過在兼容的 3D 列印機（如Ultimaker S5 Pro Bundle或Ultimaker S3）上使用玻璃或碳纖維複合材料，您可以快速且經濟地生產高強度部件，這些部件：

  • 驗證幾何
  • 優化設計
  • 減輕體重
  • 合併裝配體
  • 將注塑成型的測試原型
  • 更換金屬部件

但是您首先應該選擇哪種複合 3D 列印材料？

畢竟，玻璃和碳纖維細絲最終都可以在 3D 列印部件中具有相似的機械性能。

當領先的材料公司（例如可以通過Ultimaker Cura 市場下載列印設置配置文件的公司）可以通過調整來提升各種屬性時尤其如此：

  • 基礎聚合物選擇（例如 ABS、尼龍、聚碳酸酯）
  • 基礎聚合物混合物（例如 ABS + 聚碳酸酯）
  • 纖維長度（例如長的或短切的、短的或磨碎的）
  • 纖維填充百分比（例如 20% 玻璃纖維）
  • 還有更多變量…

那麼為什麼要選擇一種光纖而不是另一種呢？

玻璃與碳纖維複合材料——誰是贏家？

巴斯夫 3D Print Solutions Additive Extrusion Systems 銷售主管 Roger Sijlbing 告訴我們：

確定哪種材料適合應用需要考慮很多因素。即使在例如汽車中，[玻璃和碳纖維複合材料]材料都可以適用。這取決於應用程序的要求和總擁有成本。

因此，為了根據您的3D 列印應用程序的要求來指導您的材料選擇，這裡有一個一覽表，以顯示哪種複合材料（通常）能夠滿足不同的 3D 列印要求：

要求

優勝者？
更實惠 玻璃纖維
抗拉強度 碳纖維
剛性 碳纖維
耐用性 玻璃纖維
靈活性 玻璃纖維
重量輕 碳纖維
耐熱 兩個都
耐化學性 兩個都
抗疲勞 碳纖維
抗紫外線 兩個都
ESD安全電位 碳纖維
電導電位 碳纖維
允許無線電波通過 玻璃纖維
多種顏色可供選擇 玻璃纖維

如果這些屬性中的任何一個是您的應用程序的優先級，這可能會很有用。 

但是，如果您的 3D 列印需求在玻璃和碳纖維之間仍然沒有明確的選擇怎麼辦？然後，還有一些考慮因素可以告知您的選擇。 

為了理解這些，讓我們深入了解所涉及的製造過程…… 

玻璃纖維和碳纖維是如何製造的

玻璃纖維

玻璃纖維於 1936 年開始商業化生產。事實上，這種材料的發明促成了今天稱為歐文斯科寧的合作夥伴關係。

玻璃纖維是通過熔化二氧化矽以去除雜質製成的。然後將液態玻璃通過帶有小孔的加熱金屬板（稱為襯套）擠出。當玻璃繩用水和空氣從大約 1,200 °C 冷卻時，當它們被拉到繞線機上時，它們會被拉伸成細纖維。

碳纖維

碳纖維的製造過程是在分子水平上進行的。儘管該材料價格較高，但其剛性和出色的強度重量比使碳纖維成為輕型汽車和航空航天應用的首選複合添加劑。

從液態聚丙烯腈前體開始，碳原子的纖維混合物在 300 °C 左右被氧化，以阻止纖維熔化在一起。然後在溫度高達 1,000 °C 的無氧烘箱中碳化。這個過程會導致原子融合，然後排出任何雜質，從而在非常剛性的弦中產生純碳原子。

之後，碳纖維線穿過表面處理浴以蝕刻碳的表面。這使碳弦更有彈性，並且能夠更好地粘附在塗層化學品上。

用於 3D 列印長絲的塗層、切割或研磨纖維

技術上稱為“上漿”，塗料化學品（如聚氨酯、環氧樹脂或甘油）使惰性玻璃或碳纖維更容易與將與之混合的聚合物接觸。通過匹配該聚合物的化學成分，塗層可以增強粘合力。

當纖維被切割或“切碎”成最長 7 毫米的長度時，通常會進行塗層處理。結果是一種複合 3D 列印材料，由在聚合物基質中編織在一起的“長纖維”增強。

但並非所有用於 3D 列印燈絲的碳纖維和玻璃纖維都經過塗層處理。

雖然不塗層或使用質量較低的塗層可能是複合材料較便宜的原因，但它也可能是一個合理的選擇。

如果將纖維研磨成細粉（也稱為“短纖維”），則尤其如此。這些纖維的長度在 30 到 150 微米之間，具有較大的表面積，從而減少了塗層的必要性。在這種情況下，複合長絲可以更準確地描述為“填充”（而不是“增強”）碳纖維或玻璃纖維。

這種不塗覆研磨纖維的方法不一定是壞事。它只是導致不同的材料特性。複合材料可能會更耐用和抗衝擊，而不是變得更硬和更堅固。

在塗佈、切碎或研磨後，纖維與基礎聚合物混合以形成複合材料，然後可將其擠出成 3D 列印機細絲。

這種最終的長絲擠出很重要，因為在這里長玻璃或碳纖維在聚合物基質中變得定向。它們沿著燈絲的長度運行，創造出一種編織效果，為 3D 列印部件提供額外的強度。（這個方向是 FFF 3D 列印機可以通過 0.4 或 0.6 毫米噴嘴擠出長達 7 毫米長纖維的細絲的原因。）

 

如何在不同的複合材料之間進行選擇

生活中有這麼多事情，你得到你所付出的。複合3D列印材料也不例外

來自較小長絲公司的複合材料可能更實惠。但因為他們不一定專門研究用於開發複合材料的材料科學，這些公司可能會從更大的批發商那裡購買現成的顆粒。然後他們自己擠出長絲，在機器上可能沒有正確定向聚合物基質中的纖維所需的扭矩，導致長絲質量較低。

相比之下，領先的製造商在開發增強聚合物方面擁有數十年的專業知識——通常用於注塑行業。通過將這些專業知識應用於增材製造，使用最優質的纖維、塗層和工藝，他們微調聚合物基質並在工業級機器上擠出它們。這使得燈絲更容易將您需要的機械性能傳遞到您的 3D 列印部件。

例如，科萊恩的複合長絲包括：

  • PA6/66-CF20
  • PA6/66-GF20
  • 使用 Exolit® 的 PA6/66-GF20 阻燃劑
  • PC+ABS-GF15
  • PLA-HI-GF10

巴斯夫的複合長絲包括：

  • PAHT CF15
  • PET CF15
  • 聚丙烯GF30

和歐文斯科寧的：

  • XSTRAND® GF30-PA6
  • XSTRAND® GF30-PP

 

結論：做出明智的選擇

所有這些複合長絲（以及更多）都列在Ultimaker Cura市場中。

通過下載他們預定義的列印配置文件，您可以使用Ultimaker S5 Pro Bundle和Ultimaker S3獲得即插即用的 3D 列印體驗——無需反複試驗。此外，材料的描述和數據錶鍊接使您可以更輕鬆地為您的應用選擇合適的複合材料。

這意味著您可以更有信心實現所需的機械性能和高質量結果——即使是第一次列印。

隨著對碳纖維或玻璃纖維如何用於增強 3D 列印線材的深入了解，您可以利用複合材料的諸多優勢來滿足您自己的內部生產需求。

要訪問 Marketplace，請在此處免費下載 Ultimaker Cura：

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