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2023-11-07 【3D列印知識】碳纖維列印材料入門指南 : PLA-CF、PAHT-CF、PET-CF、PETG-C
【3D列印知識】碳纖維列印材料入門指南 : PLA-CF、PAHT-CF、PET-CF、PETG-CF 終極比較
當談到3D列印材料時，我們通常會根據它們的列印性能和機械性能來評估它們。列印性能是一個關鍵因素，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。機械性能經常被忽視，但它在確定材料是否適合特定應用中發揮了關鍵作用。
如果您列印無人機、賽車或機械零部件，產品將需要基本的機械性能，如剛度（抵抗變形的能力）、強度（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）。這些列印材料的機械性能至關重要，可以很大程度上決定在特定環境中列印產品的壽命。機械性能越好，產品越能滿足更廣泛的苛刻應用場景。具有卓越機械性能的材料稱為高性能材料。
由於市場上3D列印機的價格和能力有限，高性能材料一直受到較少關注。Bambu Lab X1系列是一個更好的解決方案，完美支持常見的高性能材料。同時，Bambu Lab的目標是提供多維系統解決方案，包括列印機、列印材料和列印參數，確保用戶可以享受3D列印帶來的獨特體驗。
碳纖維是什麼?
製作高性能材料的一個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，混凝土的機械性能就很差，容易在外部作用力下開裂。添加高強度鋼筋後，混凝土變成一個具有抵抗外部作用力的結構。同樣的原理適用於通過纖維增強3D列印材料的機械性能，關鍵在於高強度纖維包覆在基材中。
碳纖維是最受歡迎的增強纖維之一，還有玻璃纖維和凱夫拉纖維。碳纖維是一種非常細直徑的碳材料，具有卓越的機械性能，如高剛度、強度、低重量、耐化學腐蝕和耐高溫性。這些特點使其在航空航天、軍事、賽車和競技運動等領域非常受歡迎。然而，生產困難和高成本限制了其大規模應用。
想象一下，如果3D列印材料具有碳纖維的一些機械特性，那將改變很多行業的遊戲規則！目前的行業實踐涉及將碳纖維切碎並與3D列印的基材一起擠出，以創造最終的3D列印材料。
由3D列印的基材和碳纖維組成，這種混合3D列印材料的優點和缺點是什麼？優點包括更好的機械性能（剛度、強度等）、更高的耐高溫性、更高的尺寸精度、碳纖維的外觀質感等。然而，應該清楚的是，將碳纖維添加到不同的基材後，這些方面的改進完全不同。某些方面可以大幅度改進，而某些方面則可以改進得很少。這種差異與基材本身直接相關，擁有機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，將其視為入門級碳纖維材料。
需要考慮的缺點
1. 高性能碳纖維材料對列印機的列印要求更高。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的列印機目前滿足使用碳纖維的基本需求，克服了第一個缺點，這也是Bambu Lab列印機的最初設計意圖之一。Bambu Lab X1-Carbon擁有完全封閉的列印室、硬化鋼噴嘴、高達300℃的噴嘴溫度和110℃的床面溫度。
對於第二個缺點，Bambu Lab通過列印材料和列印參數進行了優化，以提供更好的列印體驗。一方面，Bambu碳纖維材料的配方得到了優化和改進，以降低列印過程中堵塞的可能性。
另一方面，列印參數也得到匹配和優化。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列印材料可能被認為是可以提高外觀和機械性能但不容易列印的材料。然而，當碳纖維添加到PLA、PETG、PA等基材中時，改進的程度各不相同。根據它們的特性和性能，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，具有良好的綜合機械性能。它通過注射成型廣泛用於工業應用，如齒輪和汽車零部件。當碳纖維添加到這種材料中時，它的機械性能會得到顯著提升。
幸運的是，PA-CF也適合3D列印，列印品的綜合性能遠遠超出了普通PLA列印品，因此它是最常見的3D列印高性能材料之一。然而，尼龍材料存在一個主要缺點 - 高吸水性，對3D列印過程中的潮濕非常敏感。當尼龍材料吸水時，容易出現缺陷，如絲狀物和滲漏，這可能導致堵塞和列印失敗。此外，當尼龍列印品吸水時，其強度和剛度會降低，但韌性會增加。這個缺點要求Bambu Lab在使用此材料進行列印時需要在密封環境中充分乾燥和存儲材料。
事實上，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具有強大的機械性能，但其主要缺點是其吸水率（約3%）遠高於PA12（約0.3%）。然而，在乾燥條件下，PA12的機械性能無法媲美PA6，而它們之間還存在顯著的成本差異。總之，優秀的PA-CF（碳纖維增強聚酰胺）配方需要在機械性能、吸水率、成本等多方面實現全面平衡。
Bambu Lab推出了一種特別配方的PA-CF線材，旨在實現較低的吸水率和較高的耐熱性。Bambu Lab還在設計中優化了其剛度，以確保它可以通過AMS自動供料系統 ( 相關文章 : 【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，可用於工業夾具、夾具、汽車零件、無人機零件等領域。它能輕鬆滿足日常生活中各種苛刻的應用需求。
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，廣泛應用於塑料瓶和汽車零件等行業。它具有高機械性能、耐溫性、耐化學性等特點。當碳纖維添加到PET中時，尤其是剛度方面，其機械性能可以得到顯著提升。此外，PET-CF相對於尼龍碳纖維具有顯著優勢，即其極低的吸水率（約0.3%），使得印刷品即使在受潮時也能保持幾乎相同的機械性能。這使其適用於潮濕環境。
PET-CF的缺點在於相對脆弱，其層間黏合強度較差。為了解決這個問題，Bambu Lab調整了Bambu PET-CF的配方，其Z軸沖擊強度約為4.5 kJ/m²（市場上其他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結構元件時，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，從而發揮其優勢並減小其弱點。
總之，Bambu PET-CF具有更高的剛度、超低吸水率、層間黏合強度較弱，相對脆弱。根據具體用途，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，因為PET-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
-入門級碳纖維線材-
在接下來的部分，Bambu Lab將介紹兩種入門級碳纖維材料，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固和堅硬，同時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感的線材，它可以極大地提升產品的美觀外觀，同時保持與PLA相當的列印性能。為了進一步優化其列印體驗，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出現堵塞的風險。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的缺點在於這些碳纖維可能會影響層間黏合強度。但從另一個角度來看，使用這種線材列印的支撐結構可能更容易拆卸。
總之，Bambu PLA-CF具有比PLA更高的剛度和尺寸精度，具有磨砂碳纖維質感，且易於列印。它主要適用於列印小工具、功能性原型、需要剛性的結構組件等日常生活中的應用。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感。其機械性能無法達到PET-CF的水平。PETG的關鍵差異在於“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，但也降低了其強度和剛度。
當碳纖維添加到PETG中時，它只能稍微提高其強度和剛度。與PLA-CF相比，其剛度不高，這意味著它具有更好的韌性。此外，其層間黏合強度更好。在某些特殊情況下，PLA-CF的高剛度可能導致列印失敗，但PETG-CF不具備這種風險。在列印體驗方面，它可能比PLA-CF稍微優越。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，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、層間黏合強度和耐熱性，適合戶外使用，具有光亮的碳纖維質感，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
當人們想到碳纖維材料時，通常會聯想到黑色的外觀。對於像PLA-CF和PETG-CF這樣的入門級碳纖維材料，Bambu Lab提供了更多的顏色選擇，使其用途更加多樣化。
有關更詳細的參數，請參閱線材指南以及每種線材的具體TDS和MSDS文件。