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2023-11-07 【3D列印知識(shí)】碳纖維列印材料入門指南 : PLA-CF、PAHT-CF、PET-CF、PETG-C
【3D列印知識(shí)】碳纖維列印材料入門指南 : PLA-CF、PAHT-CF、PET-CF、PETG-CF 終極比較
當(dāng)談到3D列印材料時(shí)，我們通常會(huì)根據(jù)它們的列印性能和機(jī)械性能來評(píng)估它們。列印性能是一個(gè)關(guān)鍵因素，它決定了材料是否適合3D列印，並影響了列印品的最終外觀和尺寸精度。機(jī)械性能經(jīng)常被忽視，但它在確定材料是否適合特定應(yīng)用中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。
如果您列印無人機(jī)、賽車或機(jī)械零部件，產(chǎn)品將需要基本的機(jī)械性能，如剛度（抵抗變形的能力）、強(qiáng)度（抵抗損壞的能力）、韌性（抵抗衝擊斷裂的能力）、耐高溫性（不在高溫下變形的能力）。這些列印材料的機(jī)械性能至關(guān)重要，可以很大程度上決定在特定環(huán)境中列印產(chǎn)品的壽命。機(jī)械性能越好，產(chǎn)品越能滿足更廣泛的苛刻應(yīng)用場(chǎng)景。具有卓越機(jī)械性能的材料稱為高性能材料。
由於市場(chǎng)上3D列印機(jī)的價(jià)格和能力有限，高性能材料一直受到較少關(guān)注。Bambu Lab X1系列是一個(gè)更好的解決方案，完美支持常見的高性能材料。同時(shí)，Bambu Lab的目標(biāo)是提供多維系統(tǒng)解決方案，包括列印機(jī)、列印材料和列印參數(shù)，確保用戶可以享受3D列印帶來的獨(dú)特體驗(yàn)。
碳纖維是什麼?
製作高性能材料的一個(gè)常見解決方案是將纖維注入聚合物基料。想像一下，就像在混凝土中添加鋼筋一樣。如果沒有鋼筋，混凝土的機(jī)械性能就很差，容易在外部作用力下開裂。添加高強(qiáng)度鋼筋後，混凝土變成一個(gè)具有抵抗外部作用力的結(jié)構(gòu)。同樣的原理適用於通過纖維增強(qiáng)3D列印材料的機(jī)械性能，關(guān)鍵在於高強(qiáng)度纖維包覆在基材中。
碳纖維是最受歡迎的增強(qiáng)纖維之一，還有玻璃纖維和凱夫拉纖維。碳纖維是一種非常細(xì)直徑的碳材料，具有卓越的機(jī)械性能，如高剛度、強(qiáng)度、低重量、耐化學(xué)腐蝕和耐高溫性。這些特點(diǎn)使其在航空航天、軍事、賽車和競(jìng)技運(yùn)動(dòng)等領(lǐng)域非常受歡迎。然而，生產(chǎn)困難和高成本限制了其大規(guī)模應(yīng)用。
想象一下，如果3D列印材料具有碳纖維的一些機(jī)械特性，那將改變很多行業(yè)的遊戲規(guī)則！目前的行業(yè)實(shí)踐涉及將碳纖維切碎並與3D列印的基材一起擠出，以創(chuàng)造最終的3D列印材料。
由3D列印的基材和碳纖維組成，這種混合3D列印材料的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)是什麼？?jī)?yōu)點(diǎn)包括更好的機(jī)械性能（剛度、強(qiáng)度等）、更高的耐高溫性、更高的尺寸精度、碳纖維的外觀質(zhì)感等。然而，應(yīng)該清楚的是，將碳纖維添加到不同的基材後，這些方面的改進(jìn)完全不同。某些方面可以大幅度改進(jìn)，而某些方面則可以改進(jìn)得很少。這種差異與基材本身直接相關(guān)，擁有機(jī)械性能提升至很高水平的碳纖維材料被稱為高性能碳纖維材料。否則，將其視為入門級(jí)碳纖維材料。
需要考慮的缺點(diǎn)
1. 高性能碳纖維材料對(duì)列印機(jī)的列印要求更高。需要使用封閉的列印室以確保更高且更均勻的室溫。它還需要具有更高列印溫度的噴嘴，以及由硬化鋼、碳化鎢、紅寶石或其他超耐磨材料製成的噴嘴材料。此外，高性能碳纖維材料通常具有更大的剛度，這意味著在列印過程中更難彎曲，可能在列印過程中更容易磨損列印通道。
2.由於碳纖維在材料中仍然保留一定的長(zhǎng)度（約0.05-0.2mm），無法在材料的列印溫度下熔化，因此在列印過程中更容易引起堵塞。
Bambu Lab的列印機(jī)目前滿足使用碳纖維的基本需求，克服了第一個(gè)缺點(diǎn)，這也是Bambu Lab列印機(jī)的最初設(shè)計(jì)意圖之一。Bambu Lab X1-Carbon擁有完全封閉的列印室、硬化鋼噴嘴、高達(dá)300℃的噴嘴溫度和110℃的床面溫度。
對(duì)於第二個(gè)缺點(diǎn)，Bambu Lab通過列印材料和列印參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，以提供更好的列印體驗(yàn)。一方面，Bambu碳纖維材料的配方得到了優(yōu)化和改進(jìn)，以降低列印過程中堵塞的可能性。
另一方面，列印參數(shù)也得到匹配和優(yōu)化。建議使用較低的列印速度和較大的噴嘴尺寸來列印碳纖維材料。
常見碳纖維材料
到目前為止，碳纖維3D列印材料可能被認(rèn)為是可以提高外觀和機(jī)械性能但不容易列印的材料。然而，當(dāng)碳纖維添加到PLA、PETG、PA等基材中時(shí)，改進(jìn)的程度各不相同。根據(jù)它們的特性和性能，Bambu Lab有不同的分類，主要分為高性能和入門級(jí)碳纖維材料。讓Bambu Lab從兩種高性能碳纖維材料開始。
-高性能碳纖維材料-
PA-CF
PA-CF是一種基於尼龍的碳纖維材料。尼龍是最常見的工程塑料之一，具有良好的綜合機(jī)械性能。它通過注射成型廣泛用於工業(yè)應(yīng)用，如齒輪和汽車零部件。當(dāng)碳纖維添加到這種材料中時(shí)，它的機(jī)械性能會(huì)得到顯著提升。
幸運(yùn)的是，PA-CF也適合3D列印，列印品的綜合性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了普通PLA列印品，因此它是最常見的3D列印高性能材料之一。然而，尼龍材料存在一個(gè)主要缺點(diǎn) - 高吸水性，對(duì)3D列印過程中的潮濕非常敏感。當(dāng)尼龍材料吸水時(shí)，容易出現(xiàn)缺陷，如絲狀物和滲漏，這可能導(dǎo)致堵塞和列印失敗。此外，當(dāng)尼龍列印品吸水時(shí)，其強(qiáng)度和剛度會(huì)降低，但韌性會(huì)增加。這個(gè)缺點(diǎn)要求Bambu Lab在使用此材料進(jìn)行列印時(shí)需要在密封環(huán)境中充分乾燥和存儲(chǔ)材料。
事實(shí)上，有許多種PA（聚酰胺）材料，其性能差異顯著。在3D列印中，最常用的PA種類包括PA6、PA12以及一些特殊的尼龍材料。PA6具有強(qiáng)大的機(jī)械性能，但其主要缺點(diǎn)是其吸水率（約3%）遠(yuǎn)高於PA12（約0.3%）。然而，在乾燥條件下，PA12的機(jī)械性能無法媲美PA6，而它們之間還存在顯著的成本差異。總之，優(yōu)秀的PA-CF（碳纖維增強(qiáng)聚酰胺）配方需要在機(jī)械性能、吸水率、成本等多方面實(shí)現(xiàn)全面平衡。
Bambu Lab推出了一種特別配方的PA-CF線材，旨在實(shí)現(xiàn)較低的吸水率和較高的耐熱性。Bambu Lab還在設(shè)計(jì)中優(yōu)化了其剛度，以確保它可以通過AMS自動(dòng)供料系統(tǒng) ( 相關(guān)文章 : 【3D列印快訊】Bambu Lab AMS詳解！多色列印的秘訣！) 平滑列印，這使得它可以用於列印支撐材料。Bambu Lab將其命名為Bambu PAHT-CF。
總之，Bambu PAHT-CF適用於AMS，具有最全面的機(jī)械性能、低吸水率和高溫耐受性。它是一種多功能高性能碳纖維材料，可用於工業(yè)夾具、夾具、汽車零件、無人機(jī)零件等領(lǐng)域。它能輕鬆滿足日常生活中各種苛刻的應(yīng)用需求。
PET-CF
Bambu Lab希望引入一種具有比PAHT-CF更高剛度的碳纖維材料，以滿足某些工作條件下極高剛度需求的用戶，這就是Bambu PET-CF。
Bambu PET-CF主要由PET（聁醚基聚合物）和CF（碳纖維）組成。PET是一種晶體塑料，廣泛應(yīng)用於塑料瓶和汽車零件等行業(yè)。它具有高機(jī)械性能、耐溫性、耐化學(xué)性等特點(diǎn)。當(dāng)碳纖維添加到PET中時(shí)，尤其是剛度方面，其機(jī)械性能可以得到顯著提升。此外，PET-CF相對(duì)於尼龍?zhí)祭w維具有顯著優(yōu)勢(shì)，即其極低的吸水率（約0.3%），使得印刷品即使在受潮時(shí)也能保持幾乎相同的機(jī)械性能。這使其適用於潮濕環(huán)境。
PET-CF的缺點(diǎn)在於相對(duì)脆弱，其層間黏合強(qiáng)度較差。為了解決這個(gè)問題，Bambu Lab調(diào)整了Bambu PET-CF的配方，其Z軸沖擊強(qiáng)度約為4.5 kJ/m²（市場(chǎng)上其他PET-CF通常為約2-3 kJ/m²）。通過合理的列印工藝和使用條件，也可以避免這種材料的缺陷。例如，使用PET-CF結(jié)構(gòu)元件時(shí)，最好避免在層間黏合方向上施加力量，避免過度的沖擊或碰撞，從而發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)並減小其弱點(diǎn)。
總之，Bambu PET-CF具有更高的剛度、超低吸水率、層間黏合強(qiáng)度較弱，相對(duì)脆弱。根據(jù)具體用途，您可以靈活選擇這兩種高性能材料之一。如果您需要使用AMS的線材，那麼PAHT-CF是最佳選擇，因?yàn)镻ET-CF不兼容AMS。Bambu PET-CF和Bambu PAHT-CF的性能比較如下圖所示。
PAHT-CF和PET-CF比較
-入門級(jí)碳纖維線材-
在接下來的部分，Bambu Lab將介紹兩種入門級(jí)碳纖維材料，Bambu PLA-CF和Bambu PETG-CF，以滿足更多用戶的碳纖維列印需求。碳纖維的添加並不會(huì)顯著改善PLA和PETG基材的性能。然而，與普通PLA和PETG相比，您可以將碳纖維的添加視為使它們稍微更堅(jiān)固和堅(jiān)硬，同時(shí)仍然容易列印且外觀討喜。PLA-CF和PETG-CF都可以用於AMS列印。
PLA-CF
Bambu PLA-CF是一種具有磨砂碳纖維質(zhì)感的線材，它可以極大地提升產(chǎn)品的美觀外觀，同時(shí)保持與PLA相當(dāng)?shù)牧杏⌒阅堋榱诉M(jìn)一步優(yōu)化其列印體驗(yàn)，Bambu Lab降低了碳纖維的含量，以確保在更高的列印速度下也不會(huì)出現(xiàn)堵塞的風(fēng)險(xiǎn)。儘管碳纖維含量不如高性能碳纖維材料高，但與普通PLA相比，其剛度仍然增加了30%以上。此外，碳纖維可以抑制列印過程中的收縮變形，從而提高列印精度。PLA-CF的缺點(diǎn)在於這些碳纖維可能會(huì)影響層間黏合強(qiáng)度。但從另一個(gè)角度來看，使用這種線材列印的支撐結(jié)構(gòu)可能更容易拆卸。
總之，Bambu PLA-CF具有比PLA更高的剛度和尺寸精度，具有磨砂碳纖維質(zhì)感，且易於列印。它主要適用於列印小工具、功能性原型、需要?jiǎng)傂缘慕Y(jié)構(gòu)組件等日常生活中的應(yīng)用。其性能相較於普通PLA如下：
PLA和PLA-CF比較
PETG-CF
另一種入門級(jí)碳纖維材料是Bambu PETG-CF，它主要由PETG和CF組成，具有光亮的碳纖維質(zhì)感。其機(jī)械性能無法達(dá)到PET-CF的水平。PETG的關(guān)鍵差異在於“G”代表乙二醇。PETG是PET的乙二醇改性版本，含有少量乙二醇作為共聚單體。乙二醇的添加降低了PETG的晶體度，使其更加透明，但也降低了其強(qiáng)度和剛度。
當(dāng)碳纖維添加到PETG中時(shí)，它只能稍微提高其強(qiáng)度和剛度。與PLA-CF相比，其剛度不高，這意味著它具有更好的韌性。此外，其層間黏合強(qiáng)度更好。在某些特殊情況下，PLA-CF的高剛度可能導(dǎo)致列印失敗，但PETG-CF不具備這種風(fēng)險(xiǎn)。在列印體驗(yàn)方面，它可能比PLA-CF稍微優(yōu)越。PETG-CF還具有較好的耐水性、耐紫外線性能和耐候性，因此在受到戶外元素的曝曬時(shí)，它可能提供更好的耐用性，不容易降解和老化。
總之，Bambu PETG-CF具有更高的韌性、層間黏合強(qiáng)度和耐熱性，適合戶外使用，具有光亮的碳纖維質(zhì)感，且易於列印。如果您的列印品需要更好的韌性和層間黏合強(qiáng)度，可以考慮使用Bambu PETG-CF。如果需要更高的剛度，可以選擇Bambu PLA-CF。
PETG、PETG-CF和PLA-CF比較
當(dāng)人們想到碳纖維材料時(shí)，通常會(huì)聯(lián)想到黑色的外觀。對(duì)於像PLA-CF和PETG-CF這樣的入門級(jí)碳纖維材料，Bambu Lab提供了更多的顏色選擇，使其用途更加多樣化。
有關(guān)更詳細(xì)的參數(shù)，請(qǐng)參閱線材指南以及每種線材的具體TDS和MSDS文件。