Koolstofvezels en 3D printen

Koolstofvezels, ook vaak te zien onder de afkorting CF (Carbon Fibers), zijn een van de meest gebruikte composieten in 3D printen, in zowel filament (FDM) als poeder (SLS).

In dit artikel leggen we uit hoe deze composieten gemaakt worden, wat de voor en nadelen ervan zijn en waar je naar moet kijken in de keuze van een koolstofvezel versterkt kunststof.

Wat zijn koolstofvezels?

Een koolstofvezel is een kristalketen van koolstofatomen ongeveer 5-10 micrometer (0.0005 cm) breed. De lengte van de ruwe koolstofvezels varieert, maar is meestal niet langer als een paar millimeter. Het is een redelijk licht materiaal dat minder dan 2g/cm³ weegt en vooral heel sterk in verband met zijn gewicht/lengte.

Deze vezels tot een draad gedraaid en met deze draad worden weer stoffen gewoven die vaak als versterking in andere materialen verwerkt worden. Bijvoorbeeld in combinatie met het gebruik van epoxy of hars. Dit gewoven patroon is wat de meeste mensen als koolstofvezel beschouwen.

In 3D printen gebruiken wij de ruwe korte vezels, en in het geval van speciale FDM technieken soms ook de draad in een 2 stappen proces.

Ander eigenschappen

• Conductief, koolstof kan stroom begeleiden
• In hoge concentratie kan koolstof EMI eigenschappen hebben
• Abrasief
• Hogere degradatie dan temperatuur aramide (kevlar) en glasvezels

Hoe worden koolstofvezels in SLS poeder verwerkt?

SLS 3D printen werkt door het smelten van kunststof middels een laser tot een vorm, dit gebeurt laag per laag. In het geval van SLS is het dus een kwestie van het poeder mixen met de koolstofvezels. Dit kan door de fabrikant gedaan worden, maar ook door de gebruiker. Let op, fijn poeder en koolstof kunnen (en zullen) statische elektriciteit genereren tijdens dit proces. Bij het verwerken en mengen van SLS poeders dien je altijd persoonlijke beschermingsmiddelen te gebruiken!

De lengte van de vezels is ook gelimiteerd door het proces, als deze te lang zijn of te geconcentreerd, kan het zijn dat het kunststof niet goed om de vezels heen smelt.

Hoe word koolstof in filamenten verwerkt.

3D printer filamenten worden gemaakt door kunststof korrels, onder hoge druk, door een verwarmd systeem te forceren met een schroefdraad (enkelschroefextruder). Aan het einde van dit systeem zit een gat van het gewenste diameter waar de draad uitkomt. Deze draad loopt door een koelbad heen en wordt op een spoel gedraaid. Een lasercontrole zorgt ervoor dat de draad min of meer strak opgewonden wordt om het diameter constant te houden.

Vezelversterkt 3D printer filament heeft hier nog een stap voor nodig. In deze stap worden weer kunststof korrels op een soortgelijke machine (dubbelschroefextruder) gesmolten en door 2 naar elkaar toe draaiende schroefdraden door het systeem geduwd en gemixt. Op deze machine zitten openingen waar continu vezels worden toegevoegd bij het gesmolten kunststof.

Tijdens dit proces worden de vezels beschadigd, en hoe eerder ze in de machine worden toegevoegd, hoe kleiner/gebroken ze eruit komen. Soms is het ook nodig om dit proces te herhalen om een homogene mix te krijgen.

Dit proces werkt onder veel lagere druk, om de vezels te kunnen introduceren en resulteert in een draad met een ongelijk diameter. Deze draad wordt daarna gemalen en in het bovenstaande proces gebruikt.

Met SLS en FDM hebben wij het dus over korte vezels.

Niet elke kunststof hecht met koolstof

Sommige kunststoffen kunnen direct met koolstofvezels gemixt worden, sommige tot een bepaald percentage en weer andere zullen gelijk klonteren. Om deze kunststoffen te mixen moet er eerst een dunne coating over de vezels heen. Dit proces is vaak niet vermeld en heeft soms drastische gevolgen op een materiaal zijn thermische en chemische eigenschappen.

Het is belangrijk om dit te onthouden en altijd naar deze eigenschappen op de TDS van het composiet te kijken en niet aannemen dat de eigenschappen gelijk zijn aan het basismateriaal.

Koolstofvezels zullen een materiaal niet verlichten, maar maken wel lichtere onderdelen mogelijk

Omdat koolstofvezels een hoger massa hebben dan de meeste kunststoffen zal een composiet altijd zwaarder zijn (zo niet dan zit er lucht in het product). Dit in tegenstelling tot metaal wat vaak vervangen wordt door koolstof (carbon)platen in de automotive- en transport sectoren. Daarentegen is het door de positieve eigenschappen van koolstofvezels wel mogelijk om een onder deel anders te construeren, bijvoorbeeld door deze dunner te maken en dus minder materiaal nodig te hebben.

Meer is niet altijd beter

Sommige fabrikanten leggen de nadruk op de concentratie van vezels in het product. Dit is meestal een goede eerste indicatie van de eigenschappen, vooral in vergelijking met producten van dezelfde fabrikant, maar niet altijd.

Kortere vezels zullen minder impact hebben op de mechanische eigenschappen, maar zijn goedkoper in inkoop. Het is dus mogelijk dat een product met minder, maar langere vezels beter presteert.

De eigenschappen van koolstofvezel composieten

Voordelen

Koolstofvezels zijn sterker dan kunststoffen en het grootste voordeel van een composiet is dat er meer kracht nodig zal zijn om een onderdeel uit elkaar te trekken, soms tot 2-3 keer zoveel in het geval van polycarbonaat CF.

Materialen worden ook veel minder flexibel door koolstof vezels, wat voor sommige toepassingen gewenst is. Denk aan autosport waar zowel laag gewicht als hoge stijfheid gewenst is.

Koolstofvezels zorgen er ook voor dat tijdens het printproces het materiaal minder snel vervormt (warping en delaminatie). Dit maakt het mogelijk om bijvoorbeeld nylon te 3D printen zonder een gesloten bouwkamer. Ook kunnen exotische materialen hierdoor op machines met lagere bouwkamertemperaturen geprint worden.

Koolstofvezels zijn bestendig tegen Uv-straling, composieten zijn hierdoor dus minder vatbaar voor beschadiging door langdurige bloedstelling aan zonlicht.

Nadelen

Omdat een koolstofcomposiet minder flexibel is, is deze ook vaak minder schokbestendig. CF materialen zijn daarom niet aanbevolen voor onderdelen die herhaaldelijk schokken of extreme bewegingen ondergaan.

Koolstofvezels zijn abrasief. Om filament hiermee te printen is het aangeraden om een slijtbestendige nozzle te gebruiken. Ook kunnen vezels kleine nozzle diameters verstoppen, wij raden aan om nozzles met minimaal 0,6 mm opening te gebruiken.

Met filament 3D printen worden de vezels in de richting van de printkop neergelegd. Onderdelen zijn daarom sterker op de XY as. Dit is ook het geval bij SLS 3D printen. De vezels zijn alleen binnen de printlaag verbonden, niet door de lagen heen in de Z as.

Door het langere productieproces en de prijs van de vezels in de meeste gevallen hoger zijn dan de basis kunststofprijs, zijn koolstofvezelcomposieten vaak ruim +50% duurder.

Beschikbare Producten

Bekijk hier alle filamenten, resins, en poeders versterkt met koolstof vezels.