پرینت سه بعدی با فیلامنت فیبر کربن:
هرآنچه که باید در این باره بدانید
قبل از آنکه بخواهیم شمارا با خدمات پرینت سه بعدی با فیلامنت CARBON FIBER آشنا کنیم بهتر است اول با این متریال آشنا شوید.فیبر کربن در حقیقت زنجیره بلندی از اتم‌های کربن است که به یکدیگر متصل شده‌اند. برای نخستین بار در سال ۱۸۶۰، جوزف سوان این ماده شگفت‌انگیز را تولید کرد. قطر هر زنجیره معمولا بین ۵ تا ۱۰ میکرومتر است و طول آن بر اساس نوع کاربرد متفاوت خواهد بود. فیبر کربن از خواص جالبی برخوردار است و به همین خاطر در سال‌های اخیر محبوبیت زیادی در بخش‌های مختلف پیدا کرده است. از جمله این خواص می‌توان به سفتی بالا، استحکام کششی بالا، سبکی، مقاومت شیمیایی خیلی خوب، قدرت زیادی برای تحمل دما و انبساط حرارتی پایین اشاره کرد. فیبر کربن پنج برابر قوی‌تر و سفتی آن دو برابر فولاد است اما در عین حال نیز سبک است. پس شاید تا کنون حدس زده باشید که فیبر کربن با داشتن چنین ویژگی‌هایی، مناسب مواردی است که خواص ماده تاثیر مستقیمی بر بهبود عملکرد دارد، مانند بخش‌های هوافضا، خودروسازی، نظامی و مهندسی عمران که در آن‌ها این ماده به طور خاص مورد بررسی قرار گرفته است.
نکته مهمی درباره این مواد وجود دارد و آن اینکه فیبرهای کربن معمولا به تنهایی استفاده نمی‌شوند. بلکه اغلب با مواد دیگر ترکیب شده و یک کامپوزیت تشکیل می‌دهند که گاه با عبارت موادی که با فیبر کربن تقویت شده‌اند از آن‌ها یاد می‌شود. برای تولید این نوع کامپوزیت‌ها فیبر کربن به یک ماده ماتریس اضافه می‌شود. ماده ماتریس معمولا یک پلیمر است، اما می‌تواند ماده غیرپلیمری دیگری نیز مانند سرامیک‌ها باشد. مهم‌ترین بخش ماجرا در اینجاست که با این کار در نهایت به پلاستیکی خواهید رسید که همچنان سبک اما قوی‌تر است و سفتی بالاتری پیدا کرده است.
پیش از این فیبر کربن به دلیل سبک بودن بیشتر در طراحی سازه استفاده می‌شد، زیرا در برخی سازه‌ها وزن اضافه موجب افزایش هزینه‌های چرخه عمر و عملکرد نامطلوب می‌شود. حال آنکه کامپوزیت‌های فیبر کربن را می‌توان برای تولید محصولات مختلفی به کار برد، از جمله بدنه دوچرخه، بال هواپیما، پره‌های پروانه، اجزای خودرو و غیره. بنابراین دیده می‌شود که به دلیل مزایای فراوانی که این ماده به همراه خود دارد، کاربردهای آن دیگر تنها به سیستم‌های سنتی تولید محدود نمی‌شود. در سال‌های اخیر، تعداد روزافزونی از شرکت‌های پرینت سه بعدی به عرضه موادی پرداختند که با فیبر کربن تقویت شده‌اند و یا فناوری‌هایی توسعه بخشیدند که با این کامپوزیت‌ها کار می‌کنند و برای عملکرد‌های حرفه‌ای‌تر استفاده می‌شوند. بنابراین پرسشی مطرح می‌شود که فیبر کربن چگونه در ساخت افزایشی استفاده می‌شود؟
کاربردهای پرینت سه بعدی با فیلامنت CARBON FIBER
شرکت IDTechEx با انتشار گزارشی تحت عنوان «کامپوزیت‌های پرینت سه بعدی ۲۰۲۰ تا ۲۰۳۰» بیان کرد که ارزش بازار جهانی کامپوزیت‌های پرینت سه بعدی تا سال ۲۰۳۰ به مقدار ۱.۷ میلیارد دلار خواهد رسید. این رقم انواع دیگری از کامپوزیت‌ها نیز شامل می‌شود که از میان آن‌ها می‌توان به موادی اشاره کرد که با فیبرهای شیشه یا پلاستیک تقویت شده‌اند. از سوی دیگر، روند پیش رو هم نشان می‌دهد که کاربرد کامپوزیت‌ها در صنعت پرینت سه بعدی پیوسته بیشتر می‌شود و کربن نیز در میان آن‌ها به چشم می‌خورد. فیبر کربن اساسا به دو شکل در پرینت سه بعدی استفاده می‌شود؛ روش اول، استفاده از فیلامنت‌هایی است که با فیبر کربن تقویت شده‌اند و روش دوم، تقویت پیوسته و دائم فیبر کربن است.
فیلامنت فیبر کربن ( CARBON FIBER )
برای تولید فیلامنت فیبر کربن، فیبرهای کوتاهی از کربن با مقطع کمتر از یک میلی‌متر با یک ترموپلاستیک مخلوط می‌شوند؛ در اینجا ترموپلاستیک نقش ماده پایه را دارد. اکنون بسیاری از فیلامنت‌های محبوب مانند PLA، PETG، ABS، نایلون و پلی‌کربنات را می‌توان به شکلی تهیه کرد که درون آن‌ها با فیبر کربن پر شده باشد. از آنجایی که این فیبرها فوق‌العاده محکم هستند، استحکام و سفتی فیلامنت را بالا می‌برند و همچنین باعث سبک‌تر شدن آن می‌شوند. شرایط فیلامنت فیبر کربن در پرینت سه بعدی باید مشابه مواد پایه‌ای باشد که پیش‌تر به آن‌ها اشاره شد؛ همان موادی که فیبر کربن به آن‌ها افزوده می‌شود. در اینجا اما امکان دارد فیبرها نازل را مسدود کنند، از این رو کارشناسان توصیه می‌کنند که نازل از جنس فولاد آبداده باشد. علاوه بر این، اگر فیبرها از آستانه مشخصی تجاوز کنند قطعه به هنگام پرداخت سطح از بین خواهد رفت.
برخی شرکت‌ها نیز فیلامنت‌هایی را با فیبر کربن توسعه داده‌اند که به کاربردهای فنی‌تری اختصاص پیدا می‌کنند. برای تولید این فیلامنت‌ها، از پلیمرهای حرفه‌ای (HPPs) مانند PEEK یا PEKK به عنوان مواد پایه استفاده می‌شود. این مواد بادوام بوده و عملکرد مکانیکی و شیمیایی خیلی خوبی را به نمایش می‌گذارند، ویژگی‌هایی که متعلق به پلیمرهای حرفه‌ای است؛ در عین حال نیز نسبت استحکام به وزن آن‌ها بهبود می‌یابد چرا که فیبر کربن درون ساختار آن‌ها قرار گرفته است. مولفه‌های پرینت باید متناسب با پلیمرهای حرفه‌ای تنظیم شود؛ زیرا لازمه کار با این مواد استفاده از اکسترودرهایی است که به دمای حدود ۴۰۰ درجه سلسیوس می‌رسند و همچنین سیستم‌هایی که دارای محفظه گرم و بستر ساخت هستند. برخی از تولیدکنندگان فیلامنت‌های فیبر کربن عبارت هستند از Roboze، ۳DTech، ColorFabb، Markforged، Kimya، Intamsys، Zortex و غیره.
تقویت پیوسته فیبر کربن برای خدمات پرینت سه بعدی با فیلامنت CARBON FIBER
قطعا فیلامنت فیبر کربن از فیلامنتی که تقویت نشده است، قوی‌تر است. با این حال، روش دیگری نیز وجود دارد که قطعه بازهم قوی‌تر شده و به آن «تقویت پیوسته فیبر کربن» گفته می‌شود. در این روش، فیبر کربن خرد نمی‌شود، بنابراین استحکام خود را بیشتر حفظ می‌کند. قطعه‌ای که به روش پرینت سه بعدی پیوسته فیبر کربن تولید می‌شود به قدری قوی است که می‌تواند با داشتن نیمی از وزن آلومینیوم، جای آن را بگیرد. به گفته برخی از تولیدکنندگان پرینت سه بعدی، این ماده می‌تواند جایگزین فلز در برخی زمینه‌ها باشد زیرا مهم‌تر از همه چیز، فیبر کربن از فلز ارزان‌تر است. در پایان، اگر فیبر کربن بر اساس روش‌های DfAM در ماده قرار داده شود، ممکن است استحکام قطعه بازهم بیشتر شده و از مقدار مواد مصرفی نیز کاسته شود.
برای پرینت فیبر کربن به روش پیوسته، تنها چند فناوری در بازار موجود است. این روش‌ها بر اساس زمانی که فیبر کربن به ماده اصلی اضافه می‌شود به دو دسته اصلی تقسیم می‌شوند؛ فیبر کربن را می‌توان پیش از پرینت و یا در در طول آن اضافه کرد. اگر فیبر کربن قبل از عملیات پرینت به ماده اضافه شود، گفته می‌شود که روش پرینت سه بعدی پیوسته کربن به صورت پیش‌آغشته است؛ و اگر در طول عملیات اکستروژن اضافه گردد به آن کواکستروژن گفته می‌شود. در روش پیش‌آغشته یک فیلامنت کامپوزیتی (یا گاهی نوار) به دست می‌آید اما با این تفاوت که فیبرهای کربن خرد نمی‌شوند، بلکه در فرآیندی به نام پولتروژن به پلیمر آغشته می‌شوند.
شرکت‌های Markforged، Anisoprint، CEAD از جمله شرکت‌هایی هستند که پرینت سه بعدی پیوسته فیبر را در دنیا انجام می‌دهند. به تازگی Desktop Metal نیز با رونمایی از یک سیستم جدید به نام Fiber به جمع شرکت‌های برجسته این زمینه پیوسته است. سیستم Fiber بر اساس میکروجایگذاری خودکار فیبر (μAFP) کار می‌کند. علاوه بر این‌ها، شرکت ۹T Labs برای تولید انبوه و ارزان کامپوزیت‌های کربن روشی توسعه داده است که فناوری ذوب افزایشی (AFT) نام دارد.
پرینت سه بعدی فیبر کربن: فناوری‌های دیگر
از فرآیند شناخته شده اکستروژن که فاصله بگیریم، به فناوری‌های جالب دیگری خواهیم رسید؛ یکی از آن‌ها، فرآیند انحصاری شرکت AREVO است که مبتنی بر فناوری لایه‌نشانی انرژی مستقیم کار می‌کند. در این روش یک لیزر، فیلامنت و فیبر کربن را به طور هم زمان گرم می‌کند و در همان حال نیز یک غلتک آن دو را به هم می‌فشارد. شرکت‌های Impossible Objects و EnvisionTEC نیز از فناوری مشابهی استفاده می‌کنند که با اندک تفاوتی همراه است؛ به علاوه آن‌ها به همه دستگاه‌های خود سیستمی برای پرینت سه بعدی فیبر کربن اضافه کرده‌اند. در این سیستم با استفاده از فرآیندی که لایه‌ها را به هم متصل می‌کند، صفحه‌های کربن درون پرینت بافته می‌شوند. در جای دیگر، Continuous Composites از یک فناوری هیبریدی استفاده می‌کند؛ در این فناوری که به پرینت سه بعدی SLA شباهت دارد، رشته‌های فیبر درون رزین غوطه‌ور شده و سپس با اشعه UV سخت می‌شوند.
