Carbon Filament: Stärke und Präzision für deine 3D-Drucke
Carbon Filament ist ein innovatives Material für den 3D-Druck, welches durch Zugabe von kurzen Kohlenstofffasern zu einem Kunststoff (häufig PLA, ABS, PETG oder Nylon) entsteht. Die Fasern dienen als Verstärkung und verleihen dem Filament eine hohe Festigkeit und Steifigkeit bei geringem Gewicht. Mit diesem Verbundwerkstoff können gedruckte Teile eine deutlich höhere Belastbarkeit aufweisen als reine Kunststoffteile.
Die gedruckten Teile erhalten eine einheitliche, matte Oberfläche und sind ideal für Anwendungen, bei denen sowohl mechanische Eigenschaften als auch ein ansprechendes Erscheinungsbild gefragt sind. Typische Einsatzgebiete sind der Prototypenbau, der Modellbau und der Werkzeugbau.
Die durch die kurzen Kunststofffasern erreichte hohe Festigkeit von Carbon Filament hat jedoch eine erhöhte Abnutzung der Druckdüse zur Folge. Dieses abrasive Verhalten kann durch den Einsatz spezieller Düsen reduziert werden.
Die Kosten für Carbon Filament liegen im Durchschnitt bei 25-110€ pro KG.
3D-Druck mit Carbon Filament
Mögliche Anwendungen von Carbon Filament
Carbon Filament ist ein vielseitiges Material, dass aufgrund seiner hervorragenden Eigenschaften in zahlreichen Bereichen zum Einsatz kommt.
Einige der häufigsten Anwendungen für Carbon Filament findest du hier:
Funktionsprototypen: Carbon eignet sich hervorragend für die Herstellung von Prototypen, welche den mechanischen Eigenschaften des gewünschten Endprodukts weitgehend entsprechen sollen.
Modellbau: Im Modellbau wird es zur Herstellung von Karosserien, Chassis und solchen Bauteilen verwendet, die eine hohe Festigkeit und Steifigkeit erfordern.
Auch im Flugmodellbau findet Carbon Anwendung, da es leichte und dennoch stabile Bauteile ermöglicht.
Maschinenbau: Die Präzision und die hohe Steifigkeit machen Carbon Filament zu einem geeigneten Material für die Herstellung von Schablonen und Vorlagen. Aber auch für die Herstellung von Funktionsteilen in Maschinen wird es verwendet, um eine hohe Verschleißfestigkeit und geringes Gewicht zu erreichen.
Vor-und Nachteile von Carbon Filament
Vorteile:
Nachteile:
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Vorüberlegung beim 3D-Druck mit Carbon Filament
3D-Drucker Voraussetzungen:
1. Beheiztes Druckbett (optional, je nach Grundkunststoff)
Beim 3D-Druck mit Carbon Filament hängt die Notwendigkeit eines beheizbaren Druckbetts stark vom verwendeten Basispolymer ab. Während einige Materialien gut ohne auskommen, kann ein beheiztes Bett bei verschiedenen Materialien die Haftung deutlich verbessern und Warping verhindern.
Für optimale Ergebnisse mit Carbon Filament ist es entscheidend, die Drucktemperatur, Druckgeschwindigkeit und den Abstand Düse – Druckbett sorgfältig einzustellen. Diese Parameter beeinflussen maßgeblich die Haftung des ersten Layers und somit die gesamte Druckqualität.
2.Größere Druckdüse verwenden
Eine größere Düse (mindestens 0,6 mm) ist empfehlenswert, um Verstopfungen durch die Carbonfasern zu vermeiden. Kleinere Düsen (z.B. 0,4mm) führen in der Regel eher zu Verstopfungen.
3.Gehärtete Druckdüse verwenden
Carbon Filament ist aufgrund der eingebetteten Kohlenstofffasern äußerst abrasiv. Eine Standard-Messingdüse wird durch die Reibung der Fasern schnell abgenutzt. Dies führt zu unsauberen Drucken, Verstopfungen und im schlimmsten Fall zu Schäden am Drucker.
4.Geschlossener Druckraum (optional)
Ein geschlossener Druckraum ist kein Muss. Jedoch kannst du damit mögliche Druckfehler (z.B. gespaltene Schichten) umgehen bzw. auf ein Minimum reduzieren. Mit Hilfe des geschlossenen Druckraums kann eine erhöhte Umgebungstemperatur aufrechterhalten werden, wodurch der komplette Druck gleichmäßiger abgekühlt. Warping wird seltener. Wie beim beheizbaren Druckbett kommt es hier stark auf das verwendete Basispolymer drauf an.
Lagerung:
Carbon Filamant hat die Fähigkeit, Wasser zu binden. Deshalb solltest du die angefangene Filament Spule in einem Luftdichten ZIP-Beutel zusammen mit dem Trocknungsmittel Silica einlagern. Der Beutel schützt auch vor Verunreinigung durch Umwelteinflüsse (Staub, Schmutz, etc.).
Neben der trockenen Lagerung achte immer darauf, das Material vor UV-Strahlen zu schützen.
Trocknung:
Sollte das Filament nach einiger Zeit doch Feuchtigkeit aufgenommen haben, so kannst du es mit Hilfe eines Dörrgeräts oder auch im Backofen einfach wieder trocken. Im Handel sind auch professionelle Trocknungsboxen erhältlich.
Trocknungszeit und Temperatur für Carbon Filament liegen bei ca. 60-80°C und 4-8 Stunden Umluft.
Bitte teste vorher mit einem kleinen Stück Filament aus, ob es so passt, bevor die ganze Rolle im Ofen schmilzt.
Sicherheit:
Während Carbon Filament selbst in der Regel als unbedenklich gilt, können beim Erhitzungsprozess während des 3D-Drucks durchaus Gase und feine Partikel entstehen. Die Zusammensetzung dieser Dämpfe hängt jedoch wieder stark von dem verwendeten Basispolymer ab.
Ein geeigneter Raum mit regelmäßiger Frischluftzufuhr ist daher zu empfehlen.
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Welche Slicing-Einstellungen verwende ich für Carbon Filament?
Es sei erwähnt, dass es sich diesen Ausführungen nur um Empfehlungen handelt.
Je nach Zusammensetzung des Filaments können verschiedene Werte auch etwas abweichen.
Zu Beginn solltest du immer mit den Herstellerwerten arbeiten. Später können diese durch eigene Erfahrungswerte ergänzt bzw. verändert werden.
Drucktemperatur (220°C - 270°C)
Beim Drucken mit Carbon Filament werden hohe Drucktemperaturen zwischen 220-270°C benötigt.
Es kommt besonders auf das Grundpolymer an, mit welchem die Carbonfasern versetzt worden sind.
Je höher die Drucktemperatur, desto besser ist auch die Schichthaftung. Dies ist ideal bei technischen Bauteilen, kann aber auch zu Verfärbungen des Materials führen.
Zu hohe Temperaturen erkennt man daran, dass die Schichten etwas verlaufen und sich Fäden am Bauteil bilden können.
Sollten die Schichten jedoch fleckig und etwas rau sein, ist das ein Zeichen für eine zu geringe Drucktemperatur.
Eine spezielle Druckdüse wird benötigt.
Druckbett und Druckbetttemperatur (55°C - 100°C)
Beim Druck mit Carbon Filament ist ein beheizbares Druckbett unabdingbar. Es sorgt für die richtige Druckbetthaftung deines Bauteils.
Der Temperaturbereich liegt zwischen 55°C und 100°C. Wie bei der Drucktemperatur kommt es aber auch hier auf den Grundwerkstoff an.
Je größer dein Bauteil, desto höhere Kräfte wirken zwischen den Schichten. Um diesen Kräften entgegenzuwirken sowie Warping zu vermeiden, trage vor dem Druck etwas Haftverstärker auf das Druckbett auf. Gerade bei Glasplatten können Kapton-Band, Haarspray, Haftkleber oder Haftspray ein guter Haftverstärker sein.
Auch perforierte bzw. grobe Dauerdruckplatten, die bei einigen Prusa - 3D-Druckern zur Ausstattung gehören, eignen sich gut für das Drucken mit Carbon Material.
Druckgeschwindigkeit (40mm/s - 80mm/s)
Um qualitativ hochwertige Carbon Bauteile zu erhalten, solltest du mittlere Druckgeschwindigkeiten zwischen 40mm/s und 80mm/s nutzen.
Je höher die Druckgeschwindigkeit gewählt wird, desto höhere Drucktemperaturen werden benötigt, um das Material auch rechtzeitig zum Schmelzen zu bringen.
Druckgeschwindigkeit erste Schicht (15mm/s - 30mm/s)
Damit die Haftung zwischen der ersten Schicht und dem Druckbett auch ausreicht, sollte für diese immer eine geringe Druckgeschwindigkeit gewählt werden.
Mit 15mm/s bis 30mm/s habe ich gute Erfahrungen gemacht.
Gerade bei scharfen Ecken kann man so dem „Warping“ entscheidend entgegenwirken.
Kühlung (30% - 70%)
Der Lüfter für dein Druckobjekt sollte während des Drucks mit Carbon Filament immer benutzt werden. Je nach Grundpolymer kann er bei ca. 30-70% laufen.
Der Lüfter kann dazu beitragen, die frisch extrudierte Schicht schneller abkühlen zu lassen. Das kann die Haftung der nächsten Schicht verbessern und Verformungen reduzieren.
Eine zu starke Kühlung führt jedoch meist zu Spannungen im Druckteil und verursacht Risse. Dies ist besonders bei Holzfilamenten problematisch, da die Holzpartikel das Material dadurch spröder machen können.
Um spezielle Bereiche mit den gewünschten Lüftereinstellungen zu drucken, eignen sich individuelle Skripte, die du im Slicer einstellen kannst.
Füllung
Beim Thema Füllung gibt es keine speziellen Einstellungen für den Druck mit Carbon Filament.
Hier gelten die grundlegenden Hinweise. Je höher die Fülldichte, desto größer ist die Gefahr des Warpings.
Eine gute Möglichkeit, die Stabilität deiner Bauteile trotz geringer Fülldichte zu erhöhen, wäre die Vergrößerung der Wandstärke.
Schichthöhe
Je größer die Schichthöhe, desto höher muss die Drucktemperatur sein, weil eine größere Menge an Material aufgeschmolzen werden muss. Die Schichthöhe von 0,3mm sollte bei Carbon Material nur geringfügig überschritten werden, da sich sonst zu viel Spannung zwischen den einzelnen Schichten aufbaut. Die Folge wären unschöne gespaltene Schichten.
Schichthöhe erste Schicht
In der Regel sollte die erste Schicht 150% der normalen Schichthöhe betragen. Das erhöht die Gesamtkontaktfläche und verbessert die Haftung auf dem Druckbett.
Druckbetthaftung
Eine unterschiedlich gute Druckbetthaftung ist bei Carbon Material obligatorisch, weil diese immer abhängig vom Grundpolymer ist. Gerade bei Nylon und PC kann es eine sehr große Herausforderung sein.
Deshalb ist der richtige Abstand zwischen Druckbett und Druckdüse außerordentlich wichtig.
Zur weiteren Verbesserung der Druckbetthaftung können in den Slicern verschiedene zusätzliche Funktionen wie Raft und Brim nützlich sein.
Raft: Mit der Raft-Funktion wird eine horizontale Struktur unter das komplette Bauteil gedruckt. Diese große Oberfläche haftet sehr gut auf dem Druckbett, hinterlässt jedoch Spuren auf der Unterseite.
Brim: Mit der Brim-Funktion werden in der ersten Schicht mehrere Bahnen um dein Bauteil gedruckt. Dies vergrößert die Auflagefläche, muss aber nach dem Druck entfernt werden.
Flussfaktor
Eine entscheidende Änderung des Flussfaktors ist beim Druck mit Carbon Filament nicht notwendig.
Je nach Einstellung des 3D-Druckers und der Qualität deines Druckergebnisses, kannst du mit den Herstellerwerten experimentieren.
Retraction
Der Rückzugsweg und die Rückzugsgeschwindigkeit können je nach Art des Extruders variieren.
Ein Bowden-Extruder benötigt in der Regel einen größeren Rückzugsweg, da hier der Weg zwischen der Druckdüse und dem Materialförderrad länger ist als beim Direct-Extruder.
Die Einzugslänge für Direct-Extruder liegt zwischen 0,5mm-2mm. Bei den Bowden-Extrudern sind wir dagegen bei 4mm-8mm.
Die Rückzugsgeschwindigkeiten sollten sich zwischen 20mm/s bis 45mm/s einpendeln.
Häufige Druckfehler beim 3D-Druck mit Carbon Filament
Was tun bei verstopfter Düse (Blocked Nozzle)?
Meist passiert das beim Wechseln der Filament-Spulen. Wird beim Herausziehen des alten Filaments ein kleines Stückchen in der Düse zurückgelassen und man bestückt den Drucker mit neuem Filament, blockiert dieser kleine Rest das Durchdringen des neuen Materials und beginnt sich zu verhärten.
Es gibt fünf Wege die verstopfte Düse wieder funktionsfähig zu machen:
- Düse aufheizen und mit der Nadel durchstechen
- Altes Filament von oben durchdrücken
- Reinigungsfilament nutzen
- Demontage des Druckkopfes
- Chemische Reinigung
Was tun bei Warping(Verzug)?
Aufgrund unzureichender Haftung und ungleichmäßiger Abkühlung des Carbon Materials kann es vorkommen, dass sich das Bauteil verzieht und es sich an den Ecken von der Druckplatte ablöst.
Wenn das passiert, ist es empfehlenswert, die Temperatur der Druckplatte erhöhen oder einen von den oben genannten Haftverstärkern zu nutzen.
Eine weitere Möglichkeit dem Warping entgegenzuwirken, besteht darin, zusätzlich einen Brim oder Raft zu drucken. So wird die Grundfläche des Bauteils entscheidend vergrößert. Beide Optionen können im Slicer eingestellt werden.
Folgende Tipps können dir helfen, diesen Druckfehler zu vermeiden:
- Druckbett nivellieren
- Druckbett reinigen
- Beheizbares Druckbett verwenden
- Beheizbaren Druckraum nutzen
- Haftmittel verwenden
- Dauerdruckplatte verwenden
- Große Temperaturschwankungen vermeiden
- Druckbetthaftung aktivieren
- Füllung verringern
- Schichtstärke reduzieren
- Füllmuster ändern
- Konstruktionsdaten überarbeiten
Was tun bei Gespaltenen Schichten(Split Layers)?
Beim 3D-Druck mit Carbon kann es zu gespaltenen Schichten kommen, wenn die Druckeinstellungen zueinander nicht richtig passen.
Folgende Tipps können dir helfen, diesen Druckfehler zu vermeiden:
- Drucktemperatur erhöhen
- Lüftergeschwindigkeit reduzieren
- Schichthöhe(Layerhöhe) verringern
- Druckgeschwindigkeit reduzieren
Weitere Druckfehler schnell und effektiv beheben?
Nachbearbeitung von drucken aus Carbon Filament
Carbon Filament kann nachbearbeitet werden. Allerdings sind die Möglichkeiten etwas eingeschränkter als bei Standard Filamenten wie PLA oder ABS.
Die hohe Steifigkeit und Festigkeit machen es einerseits widerstandsfähiger gegen mechanische Belastungen, andererseits erschweren sie auch die Nachbearbeitung.
Trotz allem kann das Material geschliffen, poliert, lackiert oder mechanisch nachbearbeitet werden.
Wichtige Fragen zum Carbon Filament
Was ist Carbon oder Kohlefaser?
Carbon oder Kohlefaser sind Begriffe, die oft als Synonyme verwendet werden, um einen hochleistungsfähigen Werkstoff zu beschreiben. Dieser besteht aus äußerst dünnen Fasern, die nahezu ausschließlich aus Kohlenstoffatomen aufgebaut sind. Sie sind deutlich dünner als ein menschliches Haar und besitzen erstaunliche Eigenschaften, die sie in vielen Bereichen unverzichtbar machen.
Kann man mit Carbon 3D drucken?
Ja, man kann definitiv mit Carbon 3D drucken! Allerdings gibt es dabei auch einige Herausforderungen zu beachten. Die Wahl der richtigen Druckmethode und des passenden Materials hängt von der jeweiligen Anwendung ab.
Wie stabil ist Carbon Filament?
Carbon Filamente bieten eine hervorragende Möglichkeit, 3D-gedruckte Teile mit einer höheren Stabilität und Festigkeit herzustellen. Durch die richtige Auswahl des Filaments, die Optimierung der Druckparameter und eine eventuelle Nachbearbeitung können beeindruckende Ergebnisse erzielt werden.
Die Stabilität von Carbon Filament hängt von verschiedenen Faktoren wie Carbonanteil, Basismaterial, Druckausrichtung und Druckparameter ab.
Welche Carbon Filamente gibt es?
Die genaue Zusammensetzung und damit die Eigenschaften können stark variieren. Die Materialien werden zusätzlich mit CF bezeichnet. Hier ein Überblick über die gängigsten Arten:
PLA – CF
PETG – CF
Nylon – CF
PC – CF
ABS - CF
ASA – CF
Welches Carbon Filament ist das stärkste?
Die Frage nach dem "stärksten" Carbon Filament lässt sich nicht so einfach beantworten, da dessen Stärke von verschiedenen Faktoren, wie oben schon genannt, abhängig ist (Carbonanteil, Basismaterial, Druckausrichtung und Druckparameter).
Ein PC-GF Filament z.B. hat schon eine gewissen „Grundstärke“ aufgrund des Basismaterials.
Ein PLA Filament dagegen muss mit den verschiedenen Parametern erst „aufgepeppt“ bzw. stark gemacht werden.
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