Met koolstofvezel versterkte materialen voor 3D-printen: voordelen, nadelen en wanneer je ze gebruikt
Een groeiende trend: met koolstofvezel versterkte materialen
Met koolstofvezel versterkte materialen zijn een van de interessantste opties geworden binnen industrieel 3D-printen.
Filamenten zoals PETG-CF, ABS-CF, PA-CF, PC-CF en PPS-CF worden steeds vaker gebruikt voor functionele onderdelen die meer stijfheid en maatvastheid nodig hebben.
Toch leeft het idee dat elk materiaal met koolstofvezel automatisch “beter” is. De werkelijkheid is een stuk complexer.
In dit artikel bekijken we wat koolstofvezel echt toevoegt aan een filament, wat de voordelen en beperkingen zijn en bij welke toepassingen dit soort materialen echt de moeite waard is.
Wat zijn met koolstofvezel versterkte materialen?
Met koolstofvezel versterkte filamenten zijn composietmaterialen: ze combineren een basispolymeer met kleine koolstofvezels die door het materiaal verdeeld zijn.
Bij FDM-3D-printen gaat het meestal om korte vezels, die tijdens de productie van het filament worden toegevoegd. Gebruikelijke gehaltes liggen tussen 10 % en 30 %, afhankelijk van de fabrikant en het basismateriaal.
Het doel is niet het polymeer te vervangen, maar bepaalde mechanische eigenschappen aan te passen voor veeleisendere toepassingen.
Wat zijn de belangrijkste voordelen van met koolstofvezel versterkte filamenten?
De eigenschap die het meest verandert door koolstofvezel toe te voegen is de stijfheid.
Een stijver onderdeel vervormt minder onder belasting, behoudt zo beter zijn vorm en wordt nauwkeuriger tijdens gebruik.
Dat is vooral interessant voor onderdelen zoals: – Industriële mallen en hulpmiddelen. – Constructieve steunen. – Montagehulpmiddelen.
Een ander voordeel is dat het onderdeel hogere temperaturen verdraagt voordat het vervormt, zodat het zijn vorm behoudt, ook als de omgevingstemperatuur tijdens gebruik stijgt.
Een weinig bekend voordeel: materialen met vezels printen meestal beter
Er is één aspect dat vaak over het hoofd wordt gezien.
Door koolstofvezel toe te voegen krimpt het polymeer minder tijdens het afkoelen.
Daardoor hebben onderdelen meestal:
– Minder warping.
– Minder vervorming.
– Betere maatvastheid.
– Meer gemak bij het maken van grote onderdelen.
Dat is een van de redenen waarom veel fabrikanten kiezen voor versterkte materialen bij grote of bijzonder veeleisende geometrieën.
Bij industrieel 3D-printen, waar een onderdeel tientallen uren kan duren, is minder vervorming een groot voordeel.
Wat zijn de nadelen van met koolstofvezel versterkte materialen?
Een van de meest gemaakte fouten is denken dat een met koolstofvezel versterkt materiaal altijd hogere belastingen aankan. Dat is niet per se zo.
Hoewel de stijfheid flink toeneemt, neemt het vermogen van het materiaal om te vervormen voordat het breekt meestal af. Met andere woorden: het wordt brosser.
Daarnaast brengen materialen met koolstofvezel nog andere beperkingen met zich mee.
Koolstofvezel is bijvoorbeeld schurend. De vezels slijten gewone messing nozzles snel, dus het is raadzaam geharde nozzles van behandeld staal of wolfraamcarbide te gebruiken.
Deze materialen zijn ook meestal duurder dan hun varianten zonder vezel, zowel door de grondstof als door de extra slijtage van sommige printeronderdelen.
Daarom zijn er toepassingen waarbij een materiaal zonder vezel betere resultaten geeft dan de versterkte versie.
Het juiste materiaal kiezen blijft veel belangrijker dan simpelweg het duurste of meest technische materiaal nemen.
Wanneer loont een materiaal met koolstofvezel?
Met koolstofvezel versterkte materialen blinken vooral uit als je: – De stijfheid van het onderdeel wilt verhogen. – De maatvastheid wilt verbeteren. – Vervorming tijdens het printen wilt beperken. – Precisiemallen en -hulpmiddelen wilt maken. – Lichte constructieve onderdelen wilt produceren. – Toleranties wilt aanhouden tijdens lange werkcycli.
Daarentegen: als het onderdeel vooral te maken krijgt met schokken, herhaaldelijk buigen of grote vervormingen, kan een materiaal zonder vezel of een nog taaier polymeer een betere keuze zijn.
Welk koolstofvezelfilament kies je?
Hoewel veel fabrikanten hun materialen als koolstofvezel verkopen, kunnen er grote verschillen zijn tussen filamenten. Twee materialen met dezelfde handelsnaam kunnen zich totaal anders gedragen, afhankelijk van het type versterking en hoe die in het polymeer is verwerkt.
Bij het kiezen van een met koolstofvezel versterkt filament let je vooral op vier aspecten.
De vezellengte
Niet alle koolstofvezels die bij 3D-printen worden gebruikt zijn gelijk. Hun lengte bepaalt direct hoe het materiaal zich gedraagt en hoe het onderdeel eruitziet.
Korte vezels zijn meestal de beste keuze als je wilt:
– Een gelijkmatigere oppervlakteafwerking.
– Een homogene verdeling van de vezels.
– Een stabielere, eenvoudigere extrusie.
– Minder slijtage van de nozzle.
– Onderdelen met een strakker uiterlijk.
Langere vezels kunnen daarentegen interessanter zijn als je bepaalde mechanische eigenschappen wilt maximaliseren, al geven ze meestal een ruwere afwerking en maken ze het printen wat veeleisender.
Het koolstofgehalte
Niet alle versterkte filamenten bevatten evenveel koolstofvezel. Het vezelgehalte bepaalt direct de stijfheid, het printgemak en het mechanische gedrag van het onderdeel.
Filamenten met een gemiddeld koolstofvezelgehalte zijn meestal de beste keuze als je:
– De stijfheid van het onderdeel wilt verbeteren.
– Een goede laaghechting wilt behouden.
– Printen en extrusie eenvoudiger wilt maken.
– Minder slijtage van de nozzle wilt.
– Een goede balans zoekt tussen sterkte en maatvastheid.
Een hoger koolstofvezelgehalte kan interessant zijn als de prioriteit ligt bij maximale stijfheid en minimale thermische vervorming. Maar het verhoogt ook de slijtage van de nozzle, maakt extrusie veeleisender en vooral: er is een praktische grens. Koolstofvezel smelt niet en draagt niet bij aan de verbinding tussen lagen; het polymeer werkt als lijm. Is het vezelaandeel te hoog, dan is er minder gesmolten materiaal om elke laag te versmelten, wat de sterkte tussen de lagen kan verminderen en het onderdeel brosser maakt.
Daarom betekent meer koolstofvezel niet automatisch een beter filament. De kwaliteit en lengte van de vezel, de samenstelling van het composiet en het basispolymeer hebben een even grote of zelfs grotere invloed op de uiteindelijke prestaties.
Het type vezel
Niet alle met koolstof versterkte filamenten gebruiken hetzelfde type versterking. Hoewel ze meestal onder de noemer “koolstofvezel” vallen, zijn er belangrijke verschillen die het gedrag van het materiaal beïnvloeden.
In grote lijnen:
– Koolstofpoeder of -deeltjes zorgen vooral voor een matte afwerking en iets meer stijfheid. De mechanische versterking is beperkt, omdat deeltjes krachten niet kunnen overbrengen zoals een vezel dat doet.
– Gehakte koolstofvezels zijn de meest gebruikte versterking in FDM-filamenten. Afhankelijk van hun lengte en de samenstelling van de fabrikant verhogen ze de stijfheid, verbeteren ze de maatvastheid en beperken ze thermische vervorming. Zoals we eerder zagen, is de vezellengte een van de factoren die het gedrag van het materiaal het sterkst bepalen.
– Continue vezel is een totaal ander concept. Hier wordt de koolstof niet met het polymeer gemengd, maar wordt tijdens het printen een doorlopende draad in het onderdeel gelegd. Dat levert in bepaalde richtingen veel betere mechanische eigenschappen op, maar vraagt om specifieke apparatuur en technologie.
Het basispolymeer
Hoewel koolstofvezel meestal de aandacht trekt, wordt het uiteindelijke gedrag van het materiaal grotendeels bepaald door het polymeer waaraan het is toegevoegd. De vezel werkt als versterking en verhoogt de stijfheid en maatvastheid, maar maakt van een materiaal geen totaal ander materiaal.
Zo blijft PLA met koolstofvezel een relatief stijf en makkelijk te printen materiaal, maar met een beperkte hittebestendigheid. PETG-CF behoudt zijn goede chemische bestendigheid en hogere taaiheid, terwijl PA-CF uitblinkt door uitstekende mechanische sterkte en slijtvastheid. Ook PC-CF blijft een van de beste opties voor toepassingen met hoge temperaturen en constructieve belastingen.
Met andere woorden: koolstofvezel versterkt de eigenschappen van het basismateriaal, maar vervangt de fundamentele kenmerken ervan niet. Daarom kunnen twee met koolstofvezel versterkte filamenten zich totaal anders gedragen, simpelweg omdat ze een ander polymeer gebruiken.
Hoe print je onderdelen met koolstofvezelfilament?
Met koolstofvezel versterkte filamenten vragen geen totaal andere printtechniek dan hun versies zonder versterking, maar het is wel verstandig enkele parameters aan te passen voor het beste resultaat.
In grote lijnen:
– Droog het filament altijd voor het printen. Veel van deze materialen gebruiken technische polymeren zoals PA, PC of PETG, die hygroscopisch zijn: ze nemen gemakkelijk vocht op uit de lucht.
– Bewaar het filament op een geschikte plek, ook tijdens het printen. Sommige van deze materialen nemen zelfs tijdens het printen vocht op. Onze IDENTITY heeft een gesloten lade waarin de filamenten altijd in de beste conditie blijven. Vochtig filament geeft een slechtere oppervlaktekwaliteit, een instabiele extrusie en een flink verlies aan mechanische eigenschappen.
– Gebruik een nozzle van minimaal 0,6 mm. Hoewel sommige fabrikanten 0,4 mm toestaan, verkleint een diameter van 0,6 mm of meer het risico op verstoppingen aanzienlijk, vooral bij langere vezels of een hoog koolstofgehalte.
– Verlaag de printsnelheid iets. De vezels verhogen de viscositeit van het gesmolten materiaal, dus een gematigde snelheid zorgt voor een stabielere extrusie en betere laaghechting.
– Beperk de laagkoeling. Vooral bij technische materialen zoals PA-CF of PC-CF. Een goede versmelting tussen de lagen is essentieel om het mechanische potentieel van het materiaal te benutten.
– Houd je aan de temperaturen die de fabrikant aanbeveelt. Een te lage temperatuur vermindert de laaghechting, een te hoge kan zowel het polymeer als het composiet aantasten.
In de meeste gevallen is de grootste uitdaging niet het printen zelf, maar het filament volledig droog houden en een printer hebben die tijdens het hele proces stabiele thermische omstandigheden biedt.
Wat heb je nodig om koolstofvezelfilamenten te printen?
Hoewel veel fabrikanten compatibiliteit met versterkte materialen aangeven, zijn niet alle 3D-printers echt geschikt om er continu en betrouwbaar mee te werken.
Onze ervaring leert dat het succes van een print afhangt van factoren zoals:
– Een hotend voor hoge temperaturen. Materialen zoals PA-CF, PC-CF of ASA-CF vragen hoge extrusietemperaturen. De printers R3DIMENSION IDENTITY en R3DIMENSION CUBE hebben hotends voor hoge temperaturen waarmee je vrijwel elk versterkt technisch polymeer op de markt kunt verwerken.
– Een gesloten of verwarmde kamer. In onze ervaring is dit een van de factoren met de meeste invloed op het succes. Materialen zoals PA-CF of PC-CF bouwen tijdens het afkoelen flinke interne spanningen op; een gelijkmatige temperatuur vermindert warping, verbetert de laaghechting en verhoogt de maatvastheid. Daarom heeft de R3DIMENSION IDENTITY een gesloten kamer die is geoptimaliseerd om technische materialen betrouwbaar te printen. Moet je ook onderdelen, mallen of matrijzen op groot formaat maken, dan combineert de R3DIMENSION CUBE een enorm bouwvolume met de juiste thermische omstandigheden voor dit soort industriële toepassingen.
– Een slijtvaste nozzle. Koolstofvezel is sterk schurend. Messing nozzles slijten snel, dus nozzles van gehard staal, behandeld staal of wolfraamcarbide zijn aan te raden.
– Een robuust toevoersysteem. Door de grotere stijfheid van deze filamenten zijn krachtige extruders en een zorgvuldig ontworpen filamentpad aan te raden, zodat de toevoer ook bij prints van vele uren constant blijft.
– Nauwkeurige temperatuurregeling. Het gaat er niet alleen om een bepaalde temperatuur te halen, maar om die tijdens de hele print stabiel te houden. De stabiliteit van hotend, bed en kamer bepaalt direct de oppervlaktekwaliteit, de laaghechting en de uiteindelijke mechanische eigenschappen van het onderdeel.
Conclusies
Koolstofvezel maakt een materiaal niet automatisch beter. Het maakt er een materiaal met andere eigenschappen van. De belangrijkste bijdrage is een hogere stijfheid en maatvastheid, waardoor je nauwkeurigere onderdelen met minder vervorming kunt maken, vooral in industriële toepassingen. Die verbetering heeft echter ook nadelen, zoals een lagere vervormbaarheid, meer slijtage van de nozzle en hogere eisen aan het printproces.
Zoals bij elk engineeringproject geldt: het beste materiaal is niet het duurste of meest geavanceerde, maar het materiaal dat het best past bij de echte werkomstandigheden van het onderdeel. Het juiste basispolymeer, het type vezel en een goede samenstelling kiezen is veel belangrijker dan alleen naar het koolstofpercentage kijken.
Ook hangen de uiteindelijke prestaties niet alleen af van het filament, maar ook van de printer. Een machine die een stabiele temperatuur aanhoudt, met technische materialen overweg kan en bestand is tegen de slijtage van versterkte composieten, maakt een groot verschil voor de kwaliteit en herhaalbaarheid van onderdelen. Daarom hebben we bij R3DIMENSION onze industriële printers IDENTITY en CUBE precies voor dit soort toepassingen ontworpen, van functionele prototypes tot mallen, matrijzen en eindonderdelen in hoogwaardige versterkte materialen.
