هرآنچه باید در مورد فیبر کربن برای پرینت سه بعدی بدانید

پرینت سه بعدی انقلابی متحول کننده در زمینه های طراحی و ساخت بود. و اکنون، با ظهور کامپوزیت‌های فیبر کربنی چاپ‌شده سه‌بعدی، قلمرو جدیدی از احتمالات در حال آشکار شدن است. فیبر کربن که در ابتدا توسط جوزف سوان در سال 1860 معرفی شد، از یک زنجیره طولانی از اتم های کربن به هم پیوسته تشکیل شده است. به طور معمول، این زنجیر دارای قطری بین 5 تا 10 میکرومتر است که طول آن بسته به کاربرد مورد نظر آن متفاوت است. در این راهنمای جامع، نکته‌های مفیدی در رابطه با کاربرد فیبر کربن، سازندگان ارائه‌دهنده این ماده، و دلایل استقبال گسترده از آن را کشف خواهید کرد.

خواص فیبر کربن

همانطور که می دانیم، الیاف کربن به ندرت تنها مورد استفاده قرار می گیرند و معمولا با مواد دیگر برای ایجاد کامپوزیت ترکیب می شوند، که به طور خاص، به عنوان مواد تقویت شده با فیبر کربن شناخته می شوند. این کامپوزیت ها از یک ماده ماتریس، معمولاً یک پلیمر، تشکیل شده اند که الیاف کربن به آن اضافه می شود، اگرچه می توان از مواد غیر پلیمری مانند سرامیک نیز استفاده کرد. هدف اصلی دستیابی به قطعات قوی تر و در عین حال سبک تر با استحکام بیشتر نهفته است. خواص مکانیکی کامپوزیت های فیبر کربن پرینت سه بعدی از نظر سختی و مقاومت در برابر دما تقریباً از همه‌ی پلاستیک های چاپ سه بعدی دیگر فراتر می رود.

فیلامنت‌ها در ترکیبات خود از الیاف کربن کوتاه، متشکل از بخش های کمتر از یک میلی متر استفاده‌ می‌کنند که با یک ترموپلاستیک به نام ماده پایه ترکیب می شوند. فیلامنت های محبوب مختلفی با فیلرهای فیبر کربنی موجود است از جمله PLA، PETG، نایلون، ABS و پلی کربنات. این الیاف‌ها دارای استحکامی استثنایی هستند و در نتیجه باعث افزایش استحکام و سفتی فیلامنت را می‌شوند و وزن کلی را نیز کاهش می‌دهند.

با گذشت زمان، فیبر کربن به دلیل خواص استثنایی‌اش مانند سختی بالا، استحکام کششی، وزن کم، مقاومت شیمیایی، ظرفیت تحمل دماهای بالا و انبساط حرارتی کم، محبوبیت قابل توجهی در صنایع مختلف به دست آورده است. قابل ذکر است که فیبر کربن خالص با وجود سبکتر بودن، پنج برابر قوی تر و دو برابر سفت تر از فولاد است. این ویژگی‌ها فیبرهای کربن را برای کاربردهایی مناسب می‌سازد که برای بهینه‌سازی عملکرد به خواص مواد متکی هستند، به‌ویژه در بخش‌هایی مانند هوافضا، خودروسازی، نظامی، مهندسی عمران و غیره.

چاپ سه بعدی فیبر کربن

نیازها و مقررات پرینت سه بعدی فیلامنت های فیبر کربنی باید با مواد پایه ای که با آن ترکیب شده اند، هماهنگ باشد. تمایز اصلی در این است که الیاف می توانند باعث انسداد نازل پرینت شوند از همین رو کارشناسان توصیه می‌کنند که از نازل فولادی سخت شده استفاده شود. علاوه بر این، هنگامی که محتوای فیبر موجود در فیلامنت از حدی فراتر رود، ممکن است باعث کاهش کیفیت سطح شی چاپ شده شود.

در حوزه‌ی پرینت سه بعدی، فیبر کربن را می توان به دو روش اصلی استفاده کرد: از طریق فیلامنت های تقویت شده با فیبر کربن یا continuous carbon fiber reinforcrment. فیلامنت فیبر کربن، که تقویت شده است، در مقایسه با فیلامنت‌های تقویت نشده، استحکام بیشتری ارائه می دهد. با این حال، برای قطعاتی که نیازمند استحکام بیشتری هستند، می توان از یک تکنیک جایگزین به نام continuous carbon fiber reinforcrment استفاده کرد. این روش شامل استفاده از دو نازل است: یکی فیلامنت را اکسترود می کند و دیگری فیبر کربن را اکسترود می کند. از آنجایی که فیبر کربن پیوسته به بخش های کوچکتر بریده نمی شود، سطح بالاتری از استحکام را ارائه می کند. قابل توجه است که چاپ سه بعدی فیبر کربن پیوسته به حدی قوی است که جایگزین آلومینیوم شود، در حالی که وزن آن نیز یک دوم است. سازندگان پرینترهای سه بعدی ادعا می کنند که به دلیل مقرون به صرفه بودن، حتی می تواند جایگزین پرینت سه بعدی فلزی در برخی کاربردها شود. در نهایت، به‌کارگیری استراتژیک فیبر کربن با توجه به تکنیک‌های طراحی ساخت افزودنی امکان افزایش بیشتر استحکام قطعه در عین کاهش مصرف مواد را فراهم می‌کند.

نگاره ۳) این قطعه نشان می‌دهد چگونه فیبر کربن متصل میتواند به یک قطعه‌ی پلاستیکی استحکام ببخشد.

کاربرد

به طور سنتی، کامپوزیت های فیبر کربن برای طراحی ساختاری استفاده می شود، که در آن وزن بیشتر به معنی هزینه های چرخه عمر بالاتر یا عملکرد نامطلوب است. کامپوزیت های فیبر کربن را می توان برای ساخت بسیاری از محصولات مانند قاب دوچرخه، بال هواپیما، پره موتور، قطعات خودرو و غیره استفاده کرد. همانطور که می توانید تصور کنید، با توجه به مزایای بی شمار فیبر کربن، دیگر تنها سیستم های تولید سنتی نیستند که از آن استفاده می کنند. در سال‌های اخیر، تعداد فزاینده‌ای از شرکت‌های چاپ سه بعدی مواد یا فناوری‌های تقویت‌شده با فیبر کربن را ارائه می‌کنند. آنها توانایی کار با این کامپوزیت را توسعه داده‌اند و استفاده‌ی کاربردی با کارایی بالا را ممکن ساختند زیرا این مواد قادر به مقاومت در برابر دماهای بالا است و به سرعت شکل‌های سفارشی‌سازی شده را به‌طور کارآمد ایجاد می‌کنند. علاوه بر این، آنها فرآیندهای ماشینکاری یا قالب گیری را دور می زنند و تولید قطعات سفارشی، قطعات یدکی و پروتوتایپ های کاربردی را سهولت می‌بخشند.

IDTechEx  در گزارش خود “کامپوزیت های چاپ سه بعدی 2020-2030” نشان می دهد که ارزش بازار جهانی کامپوزیت های چاپ سه بعدی تا سال 2030 به 1.7 میلیارد دلار خواهد رسید. این رقم شامل سایر کامپوزیت ها مانند مواد تقویت شده با فایبرگلاس یا پلاستیک می شود. با این حال، روند به وضوح نشان می دهد که صنعت تولید مواد افزودنی به طور فزاینده ای از انواع کامپوزیت ها از جمله کربن در فعالیت های تولیدی خود استفاده می کند. در نتیجه، قطعات فیبر کربن چاپ شده سه بعدی برای طیف گسترده ای از کاربردها مناسب هستند. آنها سخت اما سبک وزن هستند و می توانند در برابر ضربه، گرما و مواد شیمیایی مقاومت کنند. به عنوان مثال، قطعات پرینت سه بعدی ساخته شده از کامپوزیت های پلاستیکی و فیبر کربنی می توانند گرمای تولید شده توسط موتورهای خودرو و هواپیما را تحمل کنند. آنها همچنین می توانند جایگزین خوبی برای قطعات آلومینیومی ماشینکاری شده و وسایل تولیدی باشند.

نگاره ۴) بدنه‌ی این دوچرخه از فیبر کربن ساخته شده است.

تولید کنندگان و قیمت

چندین سازنده در بازار فناوری هایی را ارائه می دهند که چاپ مداوم این مواد را امکان پذیر می کند. Markforged آن را به عنوان ” Continuous Filament Fabrication ” (CFF) به بازار عرضه می کند، در حالی که Anisoprint از آن به عنوان ” Composite Fiber Coextrusion” (CFC) یاد می کند. اخیراً، Desktop Metal نیز با سیستم جدید خود به نام Fiber وارد رقابت شده است که از میکروفیبر خودکار (μAFP) استفاده می کند. علاوه بر این، 9TLabs یک سیستم اضافی برای پرینترهای سه بعدی معمولی توسعه داده است که آن را فناوری فیوژن افزودنی (AFT) می نامند.

برخی از شرکت ها فیلامنت های فیبر کربنی را به طور خاص برای کاربردهای فنی توسعه داده اند. این فیلامنت ها از پلیمرهای با کارایی بالا مانند PEEK یا PEKK به عنوان مواد پایه خود استفاده می کنند. در نتیجه، آنها نه تنها مزایایی مانند دوام و عملکرد مکانیکی و شیمیایی قوی، بلکه نسبت مقاومت به وزن را نیز ارائه می دهند. پارامترهای چاپ باید بر این اساس تنظیم شوند، زیرا این پلیمرها به اکسترودرهایی نیاز دارند که قادر به رسیدن به دمای حدود 400 درجه سانتیگراد، همراه با سیستم های مجهز به محفظه های گرم و صفحات ساختمانی هستند. برخی از تولیدکنندگان رشته های کربنی عبارتند از Roboze، 3DXTech، ColorFabb، Markforged، Kimya، Intamsys، Zortrax و غیره.

با فاصله گرفتن از فرآیند آشنای اکستروژن، یک فناوری جذاب، رویکرد ثبت اختراع شده‌ی AREVO بر اساس فناوری  Direct Energy Deposition است. این روش شامل استفاده از لیزر برای گرم کردن همزمان فیلامنت و فیبر کربن است، در حالی که یک غلتک این دو را با هم فشرده می کند. Impossible Objects و EnvisionTEC همچنین سیستم هایی را برای چاپ سه بعدی فیبر پیوسته در مجموعه ماشین های خود گنجانده اند، اگرچه فناوری آنها تا حدودی متفاوت است. آنها از فرآیند لمینیت استفاده می کنند و ورقه های الیاف را در چاپ می بافند. در نهایت، Continuous Composites از یک فناوری ترکیبی استفاده می کند که در آن نخ الیاف با رزین اشباع شده و سپس با نور ماوراء بنفش سخت می شود، شبیه به چاپ سه بعدی استریولیتوگرافی.

نگاره ۵) با استفاده از تکنیک‌های دیزاین، تقویت یک قطعه امکان پذیر است.

منبع: 3Dnatives.com