Giải Thích Chi Tiết Về In 3D Bằng Sợi Carbon

Tìm hiểu cách in 3D kết hợp với sức mạnh và độ bền của sợi carbon, đồng thời xem máy in 3D sợi carbon nào làm điều đó tốt nhất.

Khi bạn cần các đặc tính cơ học tuyệt vời, trọng lượng nhẹ và độ bền trong các bộ phận hoặc sản phẩm của mình, sợi carbon là tiêu chuẩn vàng để đạt được chính xác điều đó. Tỷ lệ cường độ trên trọng lượng tuyệt vời của nó làm cho nó trở thành vật liệu phù hợp cho các ứng dụng kỹ thuật hiệu suất cao, công cụ cửa hàng, đồ gá và đồ đạc trong nhà máy, nguyên mẫu thân xe ô tô, v.v.

Phổ biến từ những năm 1960, in 3D bằng sợi carbon gần đây đã được chú ý như một vật liệu mang lại cho các bộ phận nhựa độ bền và khả năng chống chịu nhiệt, hóa chất và ăn mòn ở cấp độ kim loại của các bộ phận nhựa.

Thế Nào Là In 3D bằng sợi carbon ?

In 3D sợi carbon là một thuật ngữ chung cho quá trình in 3D sử dụng vật liệu sợi carbon cắt nhỏ hoặc liên tục được nhúng trong bột hoặc sợi polyme. Vật liệu in 3D “cơ bản” mà sợi carbon được truyền vào có thể là Nylon, PEEK hoặc nhiều loại polyme khác và lượng sợi carbon trong vật liệu này sẽ khác nhau. Vì vật liệu là sợi carbon với polyme nên thỉnh thoảng bạn sẽ nghe thấy loại in 3D này được gọi là in 3D “tổng hợp”.

Hai công nghệ in chính với vật liệu in 3d sợi carbon 

• Fused Deposition Modeling (FDM)
• Selective Laser Sintering (SLS)

FDM sợi carbon

In 3D FDM là phương pháp linh hoạt và dễ tiếp cận nhất để chế tạo các bộ phận bằng sợi carbon. Có nhiều biến thể giữa các máy in và loại vật liệu có thể tạo ra sự khác biệt trong sản phẩm cuối cùng của bạn.

Filament sợi carbon có thể được sử dụng trên nhiều loại máy in 3D FDM miễn là bạn sử dụng vòi phun bằng thép cứng. Các sợi chứa các hạt sợi carbon hoạt động theo cách tương tự tất cả các loại nhựa khác: nhiệt từ máy đùn làm cho sợi nhựa mềm dẻo và cũng sắp xếp các sợi carbon theo hướng in, mang lại độ bền và độ cứng cho bản in cuối cùng.

Phương pháp in sợi carbon thứ hai là continuous carbon fiber (sợi carbon liên tục), sử dụng vòi phun đùn kép. Một đầu đùn in một lớp sợi carbon liên tục, trong khi đầu còn lại in một lớp vật liệu khác. Phương pháp này tạo ra các bộ phận bền hơn so với việc sử dụng các sợi carbon được cắt nhỏ và cung cấp sự phân bố tải trọng ổn định hơn. Đó là lý tưởng cho các bộ phận không yêu cầu sợi carbon xuyên suốt mà thay vào đó, gia cố ở những khu vực cụ thể – chẳng hạn như chỉ ở bức tường bên ngoài.

Một phiên bản khác của phương pháp này là continuous fiber coextrusion, trong đó vật liệu nhựa và sợi liên tục được hợp nhất bên trong máy đùn.

Điều rất thú vị về hai phương pháp này là tùy thuộc vào infill(kết cấu bên trong) và lớp tường, các đặc tính vật liệu có thể tùy chỉnh mà không làm thay đổi hình dạng tổng thể của nó.

Bột Carbon SLS

In 3D SLS sử dụng tia laser công suất cao để kết hợp vật liệu nhựa dạng bột với nhau thành hình dạng 3D từng lớp một. Nó có thể tạo ra các bộ phận có chi tiết tinh xảo, mạnh mẽ, bền bỉ và chịu nhiệt cùng một lúc. Carbon fiber Nylon (sợi carbon-PA) là một trong những vật liệu phổ biến nhất để in 3D SLS.

Ni lông chứa sợi carbon có xu hướng biến dạng cao, có nghĩa là các đặc tính của vật liệu sẽ thay đổi tùy theo hướng của bộ phận trong quá trình in vì các sợi nhỏ sẽ thẳng hàng với cách bột được trải trên nền bàn in. Ví dụ: độ bền kéo theo hướng này sẽ cao hơn nhiều so với hai hướng còn lại, vì vậy hướng đặt in của bộ phận rất quan trọng và là điều mà phần mềm slice của bạn sẽ cảnh báo cho bạn.

Bột sợi carbon SLS từng đắt tiền, nhưng các loại máy để bàn mới và giá cả phải chăng hơn với bột độc quyền đã được đưa vào thị trường. Đừng bỏ lỡ hướng dẫn của chúng tôi về máy in 3D sợi carbon cỡ để bàn tốt nhất.

Những lợi ích hàng đầu của việc in 3D bằng sợi carbon

In bằng vật liệu gia cố bằng sợi carbon được chọn thay vì các vật liệu tiêu chuẩn hơn như PLA, ABS, Nylon hoặc PETG khi cần có các đặc tính vật lý vượt trội. Đây là lúc thích hợp đối với các bộ phận sử dụng để làm giàn, đồ gá và nguyên mẫu chức năng (tái tạo lại chức năng của sản phầm thực tế).

Sợi carbon tăng cường độ bền trong khi giảm trọng lượng, khiến nó trở thành vật liệu tổng hợp lý tưởng cho nhiều ngành công nghiệp như ô tô, hàng không vũ trụ và thể thao. Tất nhiên, các đặc điểm như thẩm mỹ khi xếp chồng các lớp hoặc độ chính xác về kích thước sẽ chủ yếu vẫn được quyết định bởi loại máy được sử dụng.

Nhìn chung, in 3D bằng sợi carbon được đánh giá cao vì:

• Độ bền và độ cứng cao
• Thay thế kim loại tiềm năng
• Ổn định kích thước đặc biệt
• Có thể sử dụng cho các bộ phận sử dụng được ngay lập tức sau khi in và nguyên mẫu chức năng
• Chống ăn mòn, nhiệt, dầu và mỡ

Đâu là máy in 3D sợi carbon tốt nhất ?

Có rất nhiều điều cần cân nhắc khi chọn máy in 3D bằng sợi carbon. Khi đi mua sắm xung quanh, hãy nghĩ về những khía cạnh sau:

• Máy in 3D và chi phí vật liệu
• Tính chất cơ học của các bộ phận của bạn
• Mức độ chi tiết
• Kích thước và khối lượng in
• Tốc độ in
• Tùy chọn vật liệu (mở hay độc quyền)
• Nhu cầu thị trường cụ thể (ô tô, hàng không vũ trụ, sản xuất)

Nếu bạn đang bắt đầu in 3D bằng sợi carbon cho các công cụ, đồ đạc và nguyên mẫu khó của cửa hàng quy mô vừa và nhỏ, thì có rất nhiều mẫu kích thước phù hợp để bàn. Chúng tôi đã chọn những lựa chọn hàng đầu của mình trong hướng dẫn dưới đây với phạm vi từ 4.750 đô la đến 75.000 đô la. Các công nghệ bao gồm cả FDM sợi carbon truyền vào và liên tục. Hướng dẫn này đặc biệt dành cho các nhà thiết kế và nhà sản xuất muốn xây dựng kiến thức chuyên môn về sợi carbon nội bộ.

Các vật liệu in 3D sử dụng sợi carbon tốt nhất

Filament sợi carbon

Khi mua filament sợi carbon, hãy lưu ý loại polymer mà sợi carbon được pha vào (PLA, PEEK, PETG, v.v.) và số lượng (% tính theo trọng lượng) của sợi carbon trong filament.

Sợi carbon trong filament PLA của bạn sẽ làm cho các bộ phận của bạn bền hơn một chút so với chỉ PLA, nhưng chắc chắn sẽ không bằng kim loại. Sợi carbon trong các vật liệu in 3d vốn đã chắc chắn, chẳng hạn như Nylon hoặc PEEK, thực sự vượt trội so với quy mô.

Người ta cho rằng tỷ lệ sợi carbon trong filament càng cao thì khả năng gia cố càng tốt. Lượng phổ biến nhất là 20% sợi carbon.

Nếu bạn đang bắt đầu in sợi carbon 3D, bạn không cần phải lùng sục các cửa hàng filament để tìm filament sợi carbon tốt nhất. Chỉ cần liên hệ trực tiếp chúng tôi để được tư vấn kĩ nhất.

Nếu bạn đang muốn chuyển sang in 3D sợi carbon công nghiệp, bạn có thể không có lựa chọn filament. Nhiều máy in 3D chuyên nghiệp và công nghiệp chỉ hoạt động với filament sợi carbon của thương hiệu đó.

Vật liệu in 3d sợi carbon chỉ có thể được xử lý bằng máy móc chuyên dụng vì chúng yêu cầu phần cứng bố trí và cắt sợi sợi carbon liên tục được tích hợp vào vật liệu cơ bản.

Giá thành của Filament sợi carbon

Điều này, tất nhiên, phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Ở phân khúc giá rẻ, một cuộn dây tóc CFF nặng 1 kg sẽ tiêu tốn của bạn khoảng 50 đô la. Chênh lệch này không quá lớn so với các sợi tiêu chuẩn trong thế giới FDM để bàn. Tất nhiên, mức giá này có thể bùng nổ nhanh chóng, với một cuộn dây tóc Onyx của Markforged nặng 800 gram được bán lẻ ở mức 230 đô la.

Có rất nhiều loại khi nói đến in 3D bằng sợi carbon và giá cả có thể nhanh chóng tăng lên khi ống chỉ cần đi kèm với máy in chuyên dụng, vì vậy hãy đảm bảo bạn hiểu chính xác những yêu cầu cơ tính mà các bộ phận của bạn cần đáp ứng để không bị hoang phí. Hướng dẫn về filament sợi carbon của chúng tôi là một khởi đầu tuyệt vời vì nó liệt kê các yêu cầu cụ thể về vật liệu đối với nhiều loại sợi filament carbon cắt nhỏ.

Bột polymer CF

Mặc dù chúng ta sẽ không đi sâu vào tất cả các chi tiết tốt nhất của bột polymer CF ở đây, nhưng hãy biết rằng cách các sợi được trộn với bột polymer sẽ tạo ra sự khác biệt.

Ví dụ, các nhà sản xuất hệ thống SLS để bàn Formlabs và Sinterit đều cung cấp nylon PA 11 trộn với sợi carbon được phân bố lỏng lẻo giữa các hạt polymer. Điều này dẫn đến sự liên kết hướng của lớp sơn phủ bột và cuối cùng là các biên dạng không đẳng hướng, như chúng tôi đã đề cập ở trên. Loại sợi carbon bổ sung này có thể cải thiện đáng kể độ bền kéo của PA theo một hướng nhưng thực tế lại gây bất lợi cho hiệu suất của bộ phận ở các khía cạnh khác. Hãy chắc chắn rằng bạn xem xét điều này khi thiết kế và chuẩn bị mô hình của bạn để in.

Bây giờ, hãy xem bột sợi carbon SLS cấp công nghiệp, giống như bột từ EOS có tên là HT-23. Ở đây, 23% sợi carbon được liên kết với các hạt polyme tạo ra độ bền đồng đều hơn theo hướng X, Y và Z. Tuy nhiên, vật liệu này thuộc hàng cao cấp nhất trong số các loại bột cả về hiệu suất lẫn giá cả và thực sự chỉ có thể được xử lý bởi một trong hai hệ thống EOS nhiệt độ cao chuyên dụng, P450 và P810.

Chi phí bột polymer sợi carbon là bao nhiêu?

Bột SLS thường đắt hơn, như Formlabs PA 11 CF và Sinterit PA 11 CF đã đề cập trước đây với giá khoảng 1.000 USD cho mỗi 6 kg. EOS thậm chí sẽ không tiết lộ công khai giá của họ cho bột HT-23, đây không bao giờ là một dấu hiệu tốt khi nói đến việc săn hàng giá hời.

Tái chế sợi carbon

Vì sợi carbon là một vật liệu cứng nên rất khó để cắt nhỏ và tái chế như các loại nhựa khác. Hiện nay, một lượng lớn chất thải polyme sợi carbon được xử lý tại các bãi chôn lấp hoặc đốt. Vì lý do này, một số nhà sản xuất đang quay trở lại sử dụng kim loại, chẳng hạn như titan, vì chúng có thể được tái chế khi sản phẩm hết hạn sử dụng. Đây là một trở ngại mà ngành công nghiệp sản xuất phụ gia đang hướng tới để khắc phục bằng các nghiên cứu đang được tiến hành về các cách thu hồi các sản phẩm in bằng sợi carbon. Để thúc đẩy việc sử dụng bền vững polyme sợi cacbon trong in 3D, hãy thử bắt đầu với vật liệu được làm từ sợi cacbon tái chế và polyme tái chế.

Sợi carbon có hại và độc hại gì không?

Ngoài các nguy cơ điển hình trong quá trình in 3D như bỏng nhiệt từ nhựa nóng chảy hoặc các bộ phận máy nóng, còn có các rủi ro liên quan đến vật liệu cụ thể liên quan đến sợi carbon làm vật liệu in 3D.

Không có gì đáng ngạc nhiên khi tồn tại các sợi carbon siêu nhỏ trong không khí, vì chúng có thể xuất hiện khi xử lý thô bột SLS được gia cố bằng sợi carbon, đây không phải là thứ bạn muốn trong phổi của mình, có khả năng dẫn đến kích ứng và các vấn đề về hô hấp. Hệ thống thông gió, lọc không khí đầy đủ tại nơi làm việc và thiết bị bảo hộ cá nhân bao gồm găng tay và khẩu trang là hoàn toàn cần thiết.

Trong trường hợp sử dụng continuous carbon fiber và continuous fiber coextrusion, rủi ro này được giảm thiểu. Tuy nhiên, khói và hơi từ vật liệu nóng chảy vẫn là một mối lo ngại về sức khỏe. Do sợi carbon thường được kết hợp với nhựa gốc dầu lửa, chẳng hạn như nylon (PA12), ABS hoặc PETG, nên áp dụng các biện pháp phòng ngừa sức khỏe cho những vật liệu đó và thông gió đầy đủ ngoài việc sử dụng đồ bảo hộ để tránh hít phải bụi khí và Volatile Organic Compound(VOCs).

Phần mềm cho máy in 3D sợi carbon

Tất cả các máy in 3D đều yêu cầu phần mềm vận hành để biến mô hình 3D kỹ thuật số của bạn thành các hướng dẫn để máy làm theo. Nếu bạn đã sử dụng máy in 3D FDM, bạn sẽ quen với khái niệm này. Trong trường hợp in sợi nhựa đã cắt nhỏ, phần mềm trên với máy tính của bạn sẽ có thể hoàn thành công việc, miễn là máy in của bạn đáp ứng các thông số kỹ thuật của sợi nhựa.

Với các vật liệu và công nghệ tiên tiến hơn, phần mềm cắt lát tiêu chuẩn có thể không hoạt động, đơn giản vì phần mềm này không được thiết kế để cho phép các thông số dành riêng cho vật liệu như carbon fiber reinforcement strategies. Ví dụ, Markforged cung cấp phần mềm quản lý thông số dựa trên điện toán đám mây độc quyền Eiger cho mọi máy in. Gần đây, phần mềm kết hợp thử nghiệm ảo thông qua mô phỏng. Thay vì kiểm tra độ bền của bộ phận sau khi thực tế, công cụ này hiện cung cấp quy trình xác thực và tối ưu hóa gia cố sợi carbon thông minh trước khi in và xuất file in chỉ bằng một nút nhấn.

Trên đây là tổng quản về máy in 3d sợi carbon, nếu bạn có bất kì thắc mắc nào có thể liên hệ với https://www.meme3d.com/ để được chuyên gia, kĩ thuật viên của chúng tôi giải đáp mọi thắc mắc liên quan.