Zastąpienie części metalowych polimerami to jeden z głównych trendów w optymalizacji kosztów produkcji. Tradycyjne tworzywa często jednak nie spełniają wymagań dotyczących sztywności (modułu Younga). Rozwiązaniem są filamenty kompozytowe – najczęściej poliamid (Nylon) lub PET-G domieszkowany ciętym włóknem węglowym (CF – Carbon Fiber). Poniższa analiza techniczna wyjaśnia, w jakich aplikacjach inżynieryjnych warto zlecić druk 3D z kompozytów węglowych na portalu Zlecenia3D.pl oraz jak domieszka węgla wpływa na mechanikę detalu.
Jak działa domieszka włókna węglowego w druku FDM?
Należy rozróżnić technologię układania ciągłego włókna węglowego (CFF) od druku FDM z filamentów kompozytowych. W standardowym druku FDM stosuje się tzw. krótkie (cięte) włókna węglowe. Są to mikroskopijne drobiny węgla zatopione w bazowym polimerze (np. PA12-CF lub PETG-CF).
- Wzrost sztywności: Dodatek włókna drastycznie zwiększa sztywność elementu. Detal nie wygina się pod obciążeniem tak, jak czysty Nylon.
- Zmniejszenie skurczu: Włókna stabilizują tworzywo termicznie podczas stygnięcia. Dzięki temu modele mają znacznie lepszą stabilność wymiarową (nie wypaczają się na stole), co ułatwia precyzyjne pasowanie części.
- Niska waga: Wydruki z włóknem węglowym są znacznie lżejsze niż ich aluminiowe odpowiedniki, przy zachowaniu korzystnego stosunku wytrzymałości do masy.
Sztywność a udarność – inżynieryjny kompromis
Wybierając materiał do zlecenia, musisz zrozumieć kluczową zasadę materiałoznawstwa: wzrost sztywności zawsze pociąga za sobą spadek udarności (odporności na uderzenia). O ile czysty materiał PET-G, który opisywaliśmy w zestawieniu podstawowych tworzyw do druku 3D, ugnie się pod wpływem uderzenia, o tyle wersja PETG-CF zachowa się bardziej jak ceramika – w skrajnym przypadku pęknie bez wcześniejszego ostrzeżenia.
Dlatego do elementów pracujących uderzeniowo (np. odbojniki) znacznie lepszym wyborem będzie elastyczna guma TPU. Z kolei włókno węglowe to idealny wybór tam, gdzie element nie ma prawa się odkształcić (np. ramiona dronów, korpusy narzędzi).
Kiedy zastosować kompozyty Carbon Fiber?
Ze względu na wyższą cenę, kompozyty węglowe stosuje się w aplikacjach specjalistycznych:
- Oprzyrządowanie produkcyjne (Jigs & Fixtures): Przymiary, gniazda montażowe i uchwyty na linie produkcyjne, gdzie wymagana jest niska waga (ergonomia pracy operatora) i brak odkształceń.
- Zastępstwo dla CNC: Elementy z PA12-CF z powodzeniem zastępują drogie w obróbce detale z duraluminium w niskoobciążonych maszynach. Często usługa ta łączona jest z usługą skanowania 3D uszkodzonej części metalowej.
- Przemysł Automotive i Drony: Zastosowania, gdzie redukcja masy o każdy gram ma bezpośredni wpływ na wydajność.
Dlaczego wycena druku z węglem jest wyższa?
Filamenty z domieszką węgla są niezwykle abrazyjne (ścierne). Druk z ich użyciem przy pomocy standardowej, mosiężnej dyszy powoduje jej fizyczne „rozszlifowanie” już po kilkudziesięciu gramach materiału. Wykonawcy na portalu Zlecenia3D.pl muszą stosować specjalistyczne dysze ze stali hartowanej, z powłoką rubinową lub z węglika wolframu.
Zwiększone zużycie sprzętu, wysoki koszt samego surowca (często 3-4 razy droższego niż PLA) oraz konieczność suszenia materiału przed drukiem wpływają na ostateczny koszt i wycenę usługi druku 3D.
Projektowanie pod kompozyty – uwaga na warstwy
O ile w płaszczyźnie XY (wzdłuż ścieżek druku) kompozyty są niezwykle mocne, o tyle w osi Z (w poprzek warstw) włókna węglowe mogą wręcz osłabić adhezję (klejenie się) poszczególnych warstw do siebie. Projektując model STL, zapoznaj się z naszymi zasadami unikania błędów w projektowaniu CAD i poinformuj wykonawcę, w jakiej osi element będzie przenosił największe siły. Pozwoli to na optymalne ułożenie modelu na stole roboczym.
