پرینت سه‌بعدی از گذشته تا امروز تحولات زیادی را پشت سر گذاشته است، اما یکی از هیجان‌انگیزترین پیشرفت‌های اخیر، ظهور فیلامنت فیبر کربن است. این ماده‌ی نوآورانه که از ترکیب پلیمرهای مختلف با الیاف خرد شده‌ی فیبر کربن ساخته می‌شود، توانسته چاپ سه‌بعدی را به سطح جدیدی از استحکام و دوام برساند. نتیجه‌ی این ترکیب، قطعاتی سبک اما بسیار مقاوم است که برای کاربردهای صنعتی، خودروسازی، هوافضا و حتی محصولات مصرفی مناسب‌اند.
اما چرا فیلامنت فیبر کربن تا این حد مورد توجه قرار گرفته است؟ چه تفاوتی با سایر مواد پرینت سه‌بعدی دارد و هنگام خرید فیلامنت کربن باید به چه نکاتی توجه کنیم؟ در این مقاله، با ویژگی‌های فیلامنت کربن پیشرفته، انواع آن و نحوه‌ی استفاده‌ی بهینه از آن آشنا خواهیم شد.
جدول بررسی اجمالی پارامترهای اصلی فیلامنت Carbon fiber
فیلامنت فیبر کربن چیست؟
فیلامنت فیبر کربن یک ماده‌ی کامپوزیتی است که از ترکیب الیاف ریز فیبر کربن با یک پلیمر پایه ساخته می‌شود. این پلیمر می‌تواند شامل PLA، PETG، نایلون، ABS، پلی‌کربنات و حتی PEEK باشد. میزان فیبر کربن در این ترکیب متغیر است و هرچه مقدار آن بیشتر باشد، قطعه‌ی چاپ‌شده استحکام و پایداری بیشتری خواهد داشت.
فیبرهای کربنی که در فیلامنت کربن استفاده می‌شوند، بسیار مستحکم هستند و باعث افزایش مقاومت و سختی قطعات پرینت‌شده می‌شوند. علاوه بر این، به دلیل سبکی و پایداری ابعادی، این قطعات نسبت به انقباض و تاب برداشتن در هنگام خنک شدن مقاوم‌تر هستند. از آنجایی که این نوع فیلامنت‌ها ترکیبی از پلیمر و فیبر کربن هستند، معمولاً به عنوان مواد کامپوزیتی در پرینت سه‌بعدی شناخته می‌شوند.
از جمله خواص فیلامنت کربن 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. تصویری از دوچرخه ایی که بدنه آن از فیبرکربن ساخته شده است 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.
مقایسه فیلامنت فیبر کربن با سایر فیلامنت‌ها
فیلامنت فیبر کربن در مقایسه با سایر فیلامنت‌های رایج، استحکام بالاتر، وزن کمتر و پایداری ابعادی بهتر دارد. این ویژگی‌ها باعث شده‌اند که کاربرد فیلامنت فیبر کربن در حوزه‌هایی مانند مهندسی، خودروسازی و هوافضا گسترش زیادی پیدا کند.
بااین‌حال، چاپ با فیلامنت فیبر کربن در کنار مزایای خود، چالش‌هایی نیز دارد؛ از جمله نیاز به پرینتر سه بعدی فیبر کربن با سخت‌افزار مقاوم و افزایش احتمال فرسایش نازل. بنابراین، مقایسه ویژگی‌های آن با سایر فیلامنت‌های پرینت سه بعدی کمک میکند تا انتخابی آگاهانه و متناسب با نیازهای پروژه خود داشته باشید.
در جدول مقابل، به بررسی تفاوت‌های فیلامنت کربن با سایر فیلامنت‌های رایج می‌پردازیم تا مشخص شود در چه شرایطی خرید فیلامنت کربن گزینه مناسبی خواهد بود و چه زمانی استفاده از فیلامنت‌های دیگر توصیه می‌شود.
ویژگی‌ها | فیبر کربن | PLA | PETG | نایلون (PA) | ABS | پلی‌کربنات (PC) |
استحکام مکانیکی | بسیار بالا | متوسط | متوسط | بالا | متوسط | بسیار بالا |
وزن | بسیار کم | کم | متوسط | متوسط | متوسط | متوسط |
انعطاف پذیری | کم | متوسط | متوسط | بسیار بالا | متوسط | بالا |
پایداری ابعادی | بسیار بالا | متوسط | بالا | متوسط | متوسط | بالا |
مقاومت در برابر ضربه | متوسط | متوسط | بالا | بسیار بالا | بالا | بسیار بالا |
مقاومت در برابر حرارت | بالا | کم | متوسط | بالا | بالا | بسیار بالا |
چاپ‌پذیری | سخت | بسیار آسان | آسان | سخت | متوسط | سخت |
مقاومت در برابر مواد شیمیایی | بالا | کم | متوسط | بسیار بالا | متوسط | بسیار بالا |
قیمت | بالا | ارزان | متوسط | بالا | متوسط | بالا |
نیاز به نازل مقاوم در برابر سایش | بله | خیر | خیر | خیر | خیر | بله |
کاربرد فیلامنت فیبر کربن
کاربرد فیلامنت فیبر کربن در صنایع مختلف، به‌دلیل ویژگی‌های منحصر‌به‌فرد آن، روزبه‌روز در حال گسترش است. این فیلامنت انتخاب مناسبی برای مواقعی است که نیاز به قطعات مستحکم، سبک و مقاوم در برابر حرارت و فشار دارید. به طور کلی، می‌توان از فیلامنت فیبر کربن در ساخت قطعاتی که باید در برابر شرایط سخت و تنش‌های مکانیکی مقاوم باشند، استفاده کرد.
فیلامنت کربن به طور خاص برای زمانی که شما نیاز به دقت ابعادی بالا، استحکام و مقاومت در برابر حرارت و فشار دارید، مناسب است. این فیلامنت برخلاف فیلامنت‌های استاندارد مانند PLA یا ABS، نه تنها محکم‌تر بلکه سبک‌تر نیز است. علاوه بر این، فیلامنت فیبر کربن در مقابل تغییرات دما و رطوبت مقاومت بیشتری نشان می‌دهد، که این ویژگی آن را به گزینه‌ای مناسب برای ساخت قطعات مقاوم به شرایط محیطی مختلف تبدیل میکند.
در نتیجه، اگر شما به دنبال پرینت قطعاتی هستید که نیاز به استحکام و دقت بالا دارند و همچنین باید در برابر شرایط سخت مانند گرما، فشار و رطوبت مقاومت کنند، فیلامنت فیبر کربن یک انتخاب عالی است. در ادامه، برخی از مهم‌ترین کاربردهای فیلامنت فیبر کربن را بررسی می‌کنیم:
امروزه کاربرد فیلامنت فیبر کربن در صنعت خودروسازی و هوافضا، به دلیل نسبت استحکام به وزن بالا گسترش پیدا کرده و پرینتر سه بعدی فیبر کربن در تولید قطعات مستحکم برای خودروهای مسابقه‌ای، پهپادها، و حتی قطعات داخلی هواپیما مورد استفاده قرار می‌گیرد. این مواد امکان کاهش وزن کلی وسیله نقلیه را فراهم کرده و در نتیجه، مصرف سوخت کمتر و عملکرد بهینه‌تر را به دنبال دارد.
یکی از مهم‌ترین کاربردهای فیلامنت فیبر کربن در ساخت قطعات مستحکم و سبک برای ربات‌ها و تجهیزات صنعتی است. این قطعات نه تنها فشارهای مکانیکی بالا را تحمل می‌کنند، بلکه باعث افزایش کارایی ربات‌ها از طریق کاهش وزن قطعات متحرک می‌شوند. از این مواد در ساخت بازوهای رباتیک، اتصالات، فیکسچرها و ابزارهای دقیق صنعتی استفاده می‌شود.
قطعات چاپ شده با فیلامنت فیبر کربن می‌توانند در برابر حرارت بالا، فشار زیاد و مواد شیمیایی خورنده مقاومت کنند. به همین دلیل، در صنایع مرتبط با موتورهای احتراقی، قالب‌سازی صنعتی، و تجهیزات آزمایشگاهی از این مواد استفاده می‌شود. برای مثال، برخی از اجزای موتورسیکلت‌های الکتریکی با استفاده از این فیلامنت تولید شده‌اند تا در برابر گرما و تنش مکانیکی مقاومت بالایی داشته باشند.
صنایع ورزشی و تفریحی از چاپ با فیلامنت فیبر کربن برای تولید تجهیزاتی مانند فریم دوچرخه، چوب گلف، تجهیزات کوهنوردی و اسکیت‌برد استفاده می‌کنند. این قطعات نه تنها وزن سبکی دارند، بلکه مقاومت بالایی در برابر ضربه و فشار از خود نشان می‌دهند، که برای ورزش‌های سرعتی و پرتحرک بسیار مهم است.
در بسیاری از صنایع، خرید فیلامنت کربن برای جایگزینی قطعات فلزی و کاهش هزینه‌های تولید مورد توجه قرار گرفته است. قطعات چاپ سه‌بعدی شده با فیلامنت فیبر کربن می‌توانند در برخی موارد جایگزین آلومینیوم ماشین‌کاری شده شوند، به‌ویژه در مواقعی که نیاز به سبک بودن و استحکام بالا به‌طور هم‌زمان وجود دارد.
مزایا و معایب فیلامنت فیبر کربن
در این بخش، به بررسی مزایا و معایب استفاده از فیلامنت‌های فیبر کربن می‌پردازیم که می‌تواند به شما کمک کند تا تصمیم بگیرید آیا این ماده برای پروژه‌های شما مناسب است یا خیر.
- بهبود خواص مکانیکی: فیلامنت فیبر کربن استحکام و سفتی بالاتری نسبت به مواد پایه مانند PLA و ABS دارد و این ویژگی‌ها باعث می‌شوند که قطعات چاپ شده با این فیلامنت، دوام و مقاومت بار استثنائی داشته باشند.
- سختی و استحکام بالا: این نوع فیلامنت بسیار سخت و مقاوم است و می‌تواند فشار و تنش‌های زیادی را تحمل کند. این ویژگی برای کاربردهایی مانند اتصالات خودرو یا ابزارهای دقیق در صنایع مختلف ایده‌آل است.
- دقت ابعادی بالا: فیلامنت فیبر کربن دارای پایداری ابعادی خوبی است، به این معنی که مدل‌های چاپی در برابر انقباض یا انبساط مقاوم هستند و دقت اندازه‌های آن‌ها حفظ می‌شود.
- پایداری عالی: این فیلامنت در دماهای مختلف بسیار پایدار است و به همین دلیل برای استفاده در شرایط محیطی مختلف، از جمله کاربردهای صنعتی، مناسب است.
- کیفیت سطحی خوب: فیلامنت فیبر کربن سطحی صاف و مات تولید میکند که باعث ایجاد ظاهری زیبا و بدون خط لایه‌ای می‌شود. این ویژگی، چاپ نمونه‌های کاربردی و پروتوتایپ‌ها را بهبود می‌بخشد.
- سبک بودن: فیلامنت‌های فیبر کربن دارای چگالی کم هستند و بنابراین قطعات چاپی بسیار سبک اما با استحکام بالا ایجاد می‌کنند. این ویژگی برای استفاده در صنایع رباتیک و هوافضا بسیار مطلوب است.
- مقاومت حرارتی عالی: این فیلامنت‌ها می‌توانند دماهای بالا را تحمل کنند. مثلا فیلامنت PAHT CF15 می‌تواند تا ۱۶۰ درجه سانتی‌گراد مقاومت داشته باشد و فیلامنت PET CF15 می‌تواند تا ۱۲۵ درجه سانتی‌گراد را تحمل کند.
- سایندگی: فیلامنت فیبر کربن به دلیل ذرات فیبر کربن که در آن وجود دارند، به راحتی می‌تواند نازل‌های برنجی را فرسوده کند. برای جلوگیری از این مشکل، استفاده از نازل‌های فولادی توصیه می‌شود.
- ممکن است نازل‌ها مسدود شوند: مواد فیلامنت فیبر کربن به دلیل ساختار خاص خود ممکن است در نازل‌ها مسدود شوند. برای جلوگیری از این مشکل، انتخاب نازل مناسب اهمیت زیادی دارد.
- افزایش شکنندگی: هرچند که فیلامنت فیبر کربن استحکام بالایی دارد، اما ممکن است شکننده باشد. در صورت وارد آمدن فشار زیاد یا ضربه، این قطعات به جای خم شدن، ممکن است بشکنند.
- قیمت نسبتاً بالا: به دلیل فرآیندهای تولید پیچیده و هزینه‌های بالای ساخت فیبر کربن، این فیلامنت نسبت به مواد پایه مانند PLA و ABS گران‌تر است.
- جذب رطوبت: فیلامنت‌های فیبر کربن معمولاً تمایل به جذب رطوبت دارند. بنابراین، برای نگهداری این فیلامنت‌ها باید محیط محافظتی مانند کیسه‌های مایلار یا فضای ذخیره‌سازی مهر و موم شده در نظر گرفت.
با در نظر گرفتن مزایا و معایب فیلامنت فیبر کربن، به طور کلی می‌توان گفت این ماده برای کاربردهایی که نیاز به استحکام بالا، سبکی و پایداری ابعادی دارند، انتخابی عالی است، اما در عین حال نیاز به تنظیمات و تجهیزات خاصی دارد که هزینه آن را نسبت به مواد دیگر بالا می‌برد.
نکات مهم هنگام استفاده از فیلامنت فیبر کربن
چاپ با فیلامنت فیبر کربن به دلیل ویژگی‌های خاص این ماده، نیازمند رعایت تنظیمات و شرایط خاصی است. در این بخش، به نکات کلیدی برای موفقیت در چاپ با این نوع فیلامنت می‌پردازیم.
با رعایت این نکات، می‌توان از تمامی مزایای فیلامنت کربن بهره برد و قطعاتی با کیفیت بالا، استحکام عالی و سطحی صاف تولید کرد.
فیلامنت فیبر کربن به دلیل دارا بودن ذرات سخت، باعث سایش سریع نازل‌های برنجی می‌شود. برای جلوگیری از این مشکل، برای پرینتر سه بعدی فیبر کربن خود از نازل‌های فولادی سخت‌شده یا یاقوتی استفاده کنید.
مواد کامپوزیتی مانند فیبر کربن جریان سخت‌تری دارند و در سرعت‌های بالا ممکن است مشکلات اکستروژن ایجاد شود. توصیه می‌شود سرعت چاپ را ۳۰ تا ۵۰ درصد کاهش دهید (معمولاً در محدوده ۴۵-۸۰ میلی‌متر بر ثانیه).
برای بهبود جریان فیلامنت، دمای نازل را در محدوده بالای توصیه‌شده برای فیلامنت مورد نظر قرار دهید. معمولاً دمای ۲۵۰ تا ۳۲۰ درجه سانتی‌گراد مناسب است، اما این مقدار بسته به نوع فیلامنت متفاوت خواهد بود.
فیلامنت فیبر کربن ممکن است در معرض تغییرات دمایی دچار تاب‌خوردگی شود. استفاده از یک محفظه بسته همراه با صفحه چاپ گرم (۵۰-۸۰ درجه سانتی‌گراد) می‌تواند به بهبود چسبندگی و کاهش مشکلات مربوط به تغییر ابعاد کمک کند.
این نوع فیلامنت به دلیل سختی بالا، ممکن است هنگام جابجایی نازل رشته‌هایی اضافی ایجاد کند. فعال‌سازی تنظیمات Retraction با مقادیر مناسب می‌تواند از این مشکل جلوگیری کند.
به دلیل سختی و استحکام بالای فیلامنت فیبر کربن، اولین لایه باید کاملاً به صفحه چاپ بچسبد. بنابراین، تراز کردن صحیح و تنظیم فاصله نازل از بستر چاپ بسیار مهم است.
فیلامنت فیبر کربن معمولاً خاصیت رطوبت‌پذیری (Hygroscopicity) دارد، بنابراین باید در یک محیط خشک و در کیسه‌های وکیوم یا همراه با مواد جاذب رطوبت (مانند سیلیکا ژل) نگهداری شود.
بسته به نوع پرینتر و برند فیلامنت، ممکن است نیاز به انجام چند آزمایش برای پیدا کردن بهترین تنظیمات داشته باشید. استفاده از تست‌های اولیه با قطعات کوچک می‌تواند به بهینه‌سازی فرآیند چاپ کمک کند.
همین الان سفارش خود را ثبت کنید!
قبل از خرید فیلامنت کربن باید بدانید چاپ با فیلامنت فیبر کربن به دلیل ساختار خاص این فیلامنت، نیازمند پرینترهایی با ویژگی‌های فنی ویژه است. اگر قصد خرید پرینتر سه بعدی فیبر کربن را دارید، باید به عواملی مانند دمای نازل، محفظه بسته، صفحه چاپ گرم و نازل مقاوم توجه کنید. در ادامه برخی از بهترین مدل‌های موجود در بازار که برای این کاربرد مناسب هستند، معرفی شده‌اند.
نازل مقاوم در برابر سایش: فیلامنت‌های تقویت‌شده با فیبر کربن باعث سایش سریع نازل‌های معمولی می‌شوند. بنابراین، استفاده از نازل فولادی سخت‌شده، یاقوتی یا کاربید تنگستن ضروری است.
دمای نازل بالا: برای اطمینان از خروج یکنواخت فیلامنت و جلوگیری از مشکلات اکستروژن، دمای نازل باید حداقل ۲۵۰ درجه سانتی‌گراد باشد. برخی از مدل‌های پرینتر سه بعدی فیبر کربن حتی تا ۳۲۰ درجه سانتی‌گراد نیز قابلیت گرم شدن دارند.
محفظه بسته و سیستم گرمایشی: یک پرینتر سه بعدی فیبر کربن با محفظه بسته می‌تواند دمای محیط چاپ را کنترل کرده و از تاب برداشتن قطعات جلوگیری کند.
صفحه چاپ گرم: برای چسبندگی بهتر لایه اول، صفحه چاپ با قابلیت گرمایش تا ۵۰-۸۰ درجه سانتی‌گراد توصیه می‌شود.
پروفایل‌های از پیش تنظیم‌شده: برخی از پرینترها دارای تنظیمات مخصوص برای چاپ با فیلامنت فیبر کربن هستند که کار را برای کاربران آسان‌تر میکند.
Markforged Mark Two: یکی از پیشرفته‌ترین مدل‌ها برای چاپ مداوم فیبر کربن، مناسب برای تولید قطعات صنعتی با مقاومت بالا.
Bambu Lab X1 Carbon: یک گزینه اقتصادی‌تر با قابلیت‌های ویژه برای فیلامنت‌های مهندسی، مناسب برای کاربران حرفه‌ای و نیمه‌حرفه‌ای.
Qidi Tech X-Max 3: پرینتری با محفظه بسته و توانایی چاپ در دمای بالا که برای خرید فیلامنت کربن و استفاده بهینه از آن بسیار مناسب است.
Creality K1 Max: انتخابی مقرون‌به‌صرفه برای افرادی که به دنبال یک پرینتر سه‌بعدی فیبر کربن با قابلیت‌های پایه هستند.
Stratasys F190CR: پرینتری صنعتی با دقت بالا، مناسب برای کارگاه‌های تولیدی و شرکت‌هایی که به چاپ با فیلامنت فیبر کربن در سطح حرفه‌ای نیاز دارند.
با فیلامنت های دیگر تکنولوژی FDM نیز آشنا شوید
با کلیلک روی تصویر یا نام هریک از فیلامنت ها بیشتر با ویژگی ها و مزایای آن آشنا شوید
سوالات متداول
فیلامنت فیبر کربن می‌تواند تا ۵ برابر قوی‌تر از فولاد و آلومینیوم باشد، با این تفاوت که در همان وزن، مقاومت بالاتری ارائه می‌دهد. قطعاتی که با فیلامنت فیبر کربن چاپ می‌شوند، دوام و مقاومت بار عالی دارند، در حالی که وزن کلی آن‌ها بسیار سبک است.
فیلامنت فیبر کربن را باید در مکان خنک و خشک نگهداری کرد، دور از رطوبت. شرایط نگهداری ایده‌آل دمای ۱۸-۲۵ درجه سلسیوس و رطوبت نسبی ۳۵-۵۵ درصد است. از تغییرات دما و تابش مستقیم نور خورشید باید اجتناب شود.
بله، فیلامنت فیبر کربن معمولاً از پلاستیک ABS قوی‌تر و سخت‌تر است. همچنین، فیلامنت فیبر کربن دارای انبساط حرارتی کمتری است، مقاومت حرارتی بهتری دارد و کیفیت ظاهری بهتری نیز دارد، به طوری که لایه‌ها کمتر قابل مشاهده هستند. نقطه ضعف آن این است که فیلامنت فیبر کربن شکننده‌تر از ABS است.
برای کاربردهایی که نیاز به استحکام بالا، وزن کم، پایداری ابعادی و مقاومت به حرارت دارند، فیلامنت فیبر کربن می‌تواند راه‌حل‌هایی ارائه دهد که با پلاستیک‌های معمولی ممکن نیست. بنابراین، آن را می‌توان گزینه‌ای ارزشمند برای استفاده در نظر گرفت. با این حال، استفاده از آن نیاز به پرینترهای بهینه‌شده و تنظیمات دقیق دارد.
چاپ با فیلامنت فیبر کربن در صورتی که نازل و دستگاه پرینتر به‌درستی ارتقا داده شده باشند، ایمن است. همچنین، استفاده از تهویه مناسب همانند سایر مواد پرینت سه‌بعدی توصیه می‌شود.
بله، فیلامنت‌های تقویت‌شده با فیبر کربن از PLA از نظر استحکام کششی، سختی و ظرفیت تحمل بار بسیار مقاوم‌تر هستند.