Włókno węglowe i jego związek z drukiem 3D techniką FDM 0
Włókno węglowe i jego związek z drukiem 3D techniką FDM

Obecnie użytkownicy drukarek 3D nabyć mogą filamenty do druku techniką FDM, które występują w wielu, różnorodnych, czasem wręcz zaskakujących wariantach. Mowa tu nie tylko o szerokim spektrum dekoracyjnych form tych tworzyw. Filamenty występują bowiem w wariantach, których pierwotny skład wzbogacono materiałami, w wyniku czego uzyskano surowce do druku 3D, które nabyły interesujące własności. Mogą być to zwiększone wartości parametrów wytrzymałościowych, ale może to być też zdolność do rozpraszania elektrycznych ładunków! Liczba możliwości jest ogromna. Jakimi materiałami wzbogaca się zatem skład różnorodnych filamentów? Jeden z nich stanowić może... Włókno węglowe!

Włókno węglowe. Czym jest? Jak się je otrzymuje?

Włókno węglowe stanowi włókno, w skład struktury którego wchodzą głównie komponenty, które w ujęciu chemicznym zbliżone są do grafitu, czyli jednej z odmian węgla. Główną metodę jego wytwarzania stanowi umiejętne przetwarzenie polimeru, który zwie się poliakrylonitrylem. Jego nazwa skrótowa to PAN. Włókno węglowe uzyskuje się w wyniku poddania poliakrylonitrylu szeregowi procesów. Ów zbiór zdarzeń, których zajście jest wymagane, podzielić można na trzy zasadnicze etapy, którymi są kolejno: oksydacja, karbonizacja i grafityzacja. Zanim jednak proces przemiany PAN we włókno węglowe się rozpocznie, poliakrylonitryl uformowany zostaje w nić. Dopiero tak przygotowany substrat ulega dalszym metamorfozom. Oksydacja to etap, podczas którego zachodzi piroliza poliakrylonitrylowego włókna najpierw w otoczeniu wysyconym tlenem, a następnie w atmosferze azotowej. Procesy te odbywają się w różnych warunkach termicznych. Wartość temperatury dla pirolizy w warunkach tlenowych wynosi od 200°C do 220°C. Zakres termiczny dla analogicznego procesu, który zachodzi w obecności azotu, równy jest od 200°C do 300°C. Kolejny etap przekształcania poliakrylonitrylu we włókno węglowe stanowi karbonizacja. Proces ten odbywa się w temperaturze wynoszącej około 1300°C. W wyniku zajścia karbonizacji uzyskuje się płaską, uporządkowaną, grafitową strukturę. Cechuje się ona bardzo wysokim poziomem wytrzymałości właściwej2. Ostatni etap - grafityzacja - odbywa się w temperaturze , która przyjmuje wartość równą około 2200°C. Wynik tego procesu stanowią włókna węglowe, które charakteryzują się wysoką wartością modułu sprężystości. W budowie uzyskanego produktu wyróżnić można dwie strefy, które różnią się składem. W skład pierwszej z nich, czyli powierzchni włókna węglowego wchodzi 85% węgla. Resztę stanowią tlen, azot oraz krzem. Druga strefa - rdzeń włókna węglowego - składa się w stu procentach z węgla. Produkt omawianej, trójetapowej procedury poddawany jest dalszej obróbce. Składają się na nią głównie dwa procesy, czyli tzw. utlenianie oraz powlekanie nici żywicą epoksydową. Tak przetworzony materiał stanowi właśnie włókno węglowe.

Włókno węglowe i jego właściwości1

Ważną cechę włókna węglowego stanowi jego wieloaspektowa wytrzymałość. Jednym z elementów składowych tejże własności omawianego materiału jest jego duża odporność na negatywny wpływ wysokiej temperatury. Włókno węglowe cechuje się również znakomitą wytrzymałością chemiczną. Obejmuje ona niepodatność na destrukcyjne działanie zarówno wielu kwasów, jak również związków o odczynie zasadowym. Włókno węglowe jest także odporne na negatywny wpływ szerokiej gamy substancji organicznych. Jedynymi związkami chemicznymi, które naruszyć mogą strukturę obiektu utworzonego z omawianego materiału, są kwasy będące silnymi utleniaczami. Włókno węglowe cechuje się niepodatnością na wpływ różnorodnych, mechanicznych czynników. Jeden z nich stanowi zmęczenie materiałowe. Zjawisko to zachodzi, gdy na daną strukturę działają mechaniczne obciążenia, które charakteryzują się zarówno zmiennością w czasie, jak również cyklicznością. Skutkiem ubocznym ich występowania jest pękanie obiektu, który na ich ekspozycję został wystawiony. Problem ten nie dotyczy jednak struktur, które utworzono z włókna węglowego. Materiał ten przejawia również znakomicie wysoką odporność na rozciąganie. Włókno węglowe jest tworzywem cechującym się dużą sztywnością. Charakteryzuje się ono niewielkim współczynnikiem rozszerzalności cieplnej. Co to oznacza w praktyce? Włókno węglowe cechuje się bardzo dużą, wymiarową stabilnością. Jest również materiałem lekkim, co wynika z jego niewielkiej gęstości. Na wytrzymałość włókna węglowego to zatem spory zbiór odpornościowych aspektów, na co wskazują przytoczone w niniejszym akapicie jego elementy składowe.

Koło zębate wydrukowane z PET-G CarbonLook

Zębatka, którą wydrukowano z filamentu PET-G CarbonLook firmy ROSA 3D Filaments. Składnikiem bazowym tego tworzywa jest popularny PET-G. Materiał wzbogacono niewielkim dodatkiem włókna węglowego.

Włókno węglowe a filamenty2

Włókno węglowe powszechnie wykorzystuje mrowie producentów filamentów przeznaczonych do druku 3D techniką FDM, wzbogacając swoje produkty tymże wyjątkowym materiałem. Czynią to m.in.: Fiberlogy, ROSA 3D Filaments oraz F3D Filament. Zwykle dodatkiem włókna węglowego wzbogaca się filamenty, których składnikami bazowymi są nylon oraz PET-G. Czasem wchodzi ono w skład tworzyw opartych na polilaktydzie, czyli popularnym PLA. Filamenty, które wzbogacone zostały włóknem węglowym nabywają cechy, którymi ów materiał się charakteryzuje. Zwiększa się ich wytrzymałość temperaturowa. Przykładowo tworzywo PA12 + CF15, za produkcję którego odpowiada firma Fiberlogy, bezproblemowo przetrwa w temperaturze osiągającej nawet wartość równą 160°C. Wykonane z takich filamentów wydruki zyskują większą sztywność w porównaniu do obiektów 3D, które wydrukowano z tworzywa, w skład którego włókno węglowe nie wchodzi. Zwiększeniu ulega również odporność tak zmodyfikowanych materiałów na negatywne działanie szeregu różnorodnych związków chemicznych. Wydruki z filamentów, które wzbogacone zostały domieszką włókna węglowego, cechują się ponadto bardzo dobrą stabilnością wymiarową. Wynika to bezpośrednio z własności węglowych włókien, jaką jest niski współczynnik rozszerzalności cieplnej. Czasami dodatek omawianego materiału ma wpływ na walory wizualne obiektu 3D, który wydrukowany został z filamentu go zawierającego. Dobrymi przykładami takich tworzyw są PET-G + CF oraz PET-G CarbonLook, czyli produkty firmy ROSA 3D Filaments. Wykonane z nich przestrzenne obiekty cechują się satynowym wykończeniem powierzchni, co stanowić może interesujący atut dekoracyjny. Nie budzi zdziwienia fakt, iż włókno węglowe stosowane jest jako jeden ze składników różnorodnych filamentów. Uzyskiwane z nich wydruki nabywają szeroko rozumianej wytrzymałości oraz innych cech pożądanych w określonych przypadkach. Zwiększa się zatem ilość możliwych zastosowań tych wykorzystywanych w druku 3D tworzyw. Niektóre z nich stanowić mogą surowiec budulcowy elementów stosowanych np. w określonych sferach industrialnych. Włókno węglowe może wpływać także na walory dekoracyjne określonych rodzajów filamentów, o czym w niniejszym akapicie już wspomniano.

Próbka filamentu nylonowego z włóknem węglowym

Próbka filamentu, którego składnikiem bazowym jest nylon, który domieszkowano włóknem węglowym. Zauważyć można chropowatość powierzchni obiektu 3D z tego materiału utworzonego.

Filamenty z włóknem węglowym a ich trudność w druku

Wykonywanie trójwymiarowych wydruków z filamentów, w skład których wchodzi włókno węglowe stanowić może pewnego rodzaju wyzwanie. Po pierwsze znać należy właściwości materiału, który jest składnikiem nadrzędnym danego tworzywa wykorzystywanego w druku 3D. Chcąc zatem drukować przestrzenne wydruki z filamentu typu PA + CF, należy poznać parametry drukowania, które charakterystyczne są dla nylonu. Analogicznie postąpić warto, pragnąc wykonać trójwymiarowy wydruk z materiału, którego nadrzędnym składnikiem jest PET-G. Trzeba mieć jednak na uwadze fakt, iż dodatek włókna węglowego ma mniej lub bardziej istotny wpływ na parametry druku tworzywa jako całości. Najbardziej korzystnym rozwiązaniem dla użytkownika danego filamentu będzie zatem zapoznanie się z informacjami przygotowanymi przez producenta nt. zasad postępowania z wyprodukowanym przez niego materiałem. Nie bez znaczenia jest również odpowiednia dysza drukarki 3D, która uczestniczyć będzie w przetwarzaniu tworzywa w wydruk trójwymiarowy. Dodatek włókna węglowego sprawia, iż zwiększa się poziom ścieralności filamentu, w skład którego materiał ten wchodzi. Zaleca się zatem korzystanie z dysz, które wykonano np. ze stali hartowanej. Mosiądz to materiał odradzany. Mosiężna dysza szybko ulegnie bowiem destrukcji po dłuższym kontakcie z filamentem, który wzbogacony został włóknem węglowym. Podsumowując, chcąc wykonywać wydruki 3D ze zmodyfikowanego tworzywa omawianego rodzaju, poczynić należy stosowne przygotowania, które znacząco zmniejszą ryzyko niepowodzenia.

Koła zębate wydrukowane z filamentów typu PA + CF

Koła zębate znajdujące się na powyższej fotografii wykonano z filamentów nylonowych, które wzbogacono dodatkiem włókna węglowego. Do ich wydrukowania wykorzystano tworzywa firm ROSA 3D Filaments oraz Fiberlogy.

Włókno węglowe. Podsumowanie

Nikogo nie powinien dziwić fakt wykorzystywania włókna węglowego w druku 3D techniką FDM. Jego dodatek potrafi mieć niezwykle istotny wpływ na poprawę cech wytrzymałościowych filamentów, które zostały nim wzbogacone. Wykonywane z nich wydruki zyskują również bardzo dobrą stabilność wymiarową. Włókno węglowe wpływać może także na powierzchnię obiektów 3D, które utworzono z materiałów z dodatkiem tego surowca. Co jednak najbardziej istotne - zwiększony zostaje zakres zastosowań wydruków wykonywanych techniką FDM. Nie tworzy się ich już do celów stricte dekoracyjnych. Wykorzystywać można je także m.in. w różnorodnych sferach przemysłu. Włókno węglowe stanowi materiał o wielu zaletach, którego wysoka pozycja w druku 3D jest w pełni zasłużona.


1.,2. Przygotowano, opierając się na informacjach zawartych w książce "Polimery i ich zastosowania interdyscyplinarne. Tom 2" Jana F. Rabka

3. Wytrzymałość właściwa jest stosunkiem mechanicznej wytrzymałości materiału do ciężaru właściwego surowca. Wytrzymałość mechaniczną wyraża się w MN/m2, czyli meganiutonach (1MN jest równy 1000000N) na metr kwadratowy. Jednostką ciężaru właściwego jest kN/m3, tj. kiloniuton (1kN to 1000N) na metr sześcienny. Dokonując prostych, matematycznych przekształceń, wyznaczyć można jednostkę wytrzymałości właściwej. Jest nią kilometr, czyli km.

Komentarze do wpisu (0)

Informacja w stopce
Menu Szukaj Menu więcej
do góry
Sklep jest w trybie podglądu
Pokaż pełną wersję strony
Sklep internetowy Shoper.pl